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干式变压器设计中计算机辅助设计及辅助分析的全面应用 - 电气论文
1、 前言:
我公司从法国TRANSFIX公司引进的H级绝缘“赛格迈”干式变压器技术，由于结构简洁、规范等特点，十分便于开发系统的、高度自动化的计算机辅助设计CAD应用软件。而计算机辅助设计CAD的真正精神就是将人脑和计算机的优点有机的结合起来，完成由人脑或计算机两者均不能单独完成的复杂设计。正是出于高度自动化的计算机辅助设计CAD和日益激烈的市场竞争压力的需要，在作者多年的探索下，编写出针对干式变压器的计算机辅助设计的全套应用软件。该软件包括：干式变压器自动电磁优化设计应用软件、自动参数化绘图应用软件和数据文件维护软件共三大部分。该三大部分的应用软件既可以成为单独软件运行，也可以协调工作--集成为一个软件包。应用该系统还可以对干式变压器的各个参数进行计算机辅助分析CAM。这将对的提高设计部门的开发能力、提高设计质量、降低制造成本、提高市场反应能力等发挥积极的作用。
应用本文介绍的思路，同样可以编写出针对其它变压器的、高度自动化的计算机辅助设计应用软件，本文将不累述。
本文所有应用软件均采用Visual C++ 6.0编写，自动参数化绘图应用软件也采用Visual C++ 6.0在auto CAD 2000中的二次开发平台Object ARX2000编写，使得Visual C++和auto CAD完美结合。本文将简要介绍该全面应用实例的基本原理。
2、 系统总体框架的基本构成原理
整个系统包括电磁设计、自动参数化绘图、数据文件维护、人工或计算机辅助分析CAM等几大部分。各部分间既可以通过结构体指针或数据文件相互通信，使整个系统可以跨平台协运行，也可以将所有程序内嵌入auto CAD2000中运行。
3、 干式变压器自动电磁优化设计应用软件的基本构成原理
干式变压器电磁优化设计应用软件在编写时，必须充分考虑该软件既要满足进行优化设计及人工或计算机辅助分析功能，还要求满足操作简单、运行可靠、升级维护方便等要求。
因此，在编写程序时，将因产品更新或结构变化可能引起程序结构调整的数据分别封装到不同的数据文件中，并通过附带的程序段来维护这些数据文件。换句话说，就是通过数据文件将电磁设计的算法和外部数据如硅钢片磁化特性数据、铜箔数据、扁导线数据、经验系数、预埋参数等等彻底隔离。这样做一方面可以使该软件维护和升级非常容易，即使根本不懂计算机编程的人员也能够方便对软件进行自行升级；另一方面可以为计算机辅助分析后得到的结果提供接口，使整个系统能顺利完成完整的反馈过程，使自动电磁优化设计随时真实模拟现实的产品。
电磁优化设计的算法采用传统的穷举法，计算机通过读入各种外部数据后逐个试算，然后以主要材料铜铁成本最低为目标函数，用冒泡法动态保留成本最低的前300个设计方案[2]。当程序运行完毕后，成本最低的前300个设计方案被保存到两个文件中。一个以文本文件格式保存，以便查看；另一个以特定的数据结构格式保存，以便自动参数化绘图时在auto CAD2000中调用。
本软件之所以采用穷举法进行电磁设计而未采用其它方法,主要是居于两方面的原因考虑的。第一、算法不能漏掉任何可能的最优解；第二、干式变压器的电磁优化设计程序结构简单，循环嵌套较少，便于穷举。其次，Visual C++ 6.0运行速度极快，再加上目前计算机的硬件处理速度日益提高，使得我们没有必要花过多的时间去考虑各种算法之间的执行速度上的优劣。
应用算法和数据分别进行封装技术时，只要能最大限度的将算法和数据进行隔离。那么，电磁优化设计程序在一定意义上是一个通用的应用软件。而且，应用该软件还可以对被隔离的—-对变压器有影响的每一个数据进行计算机辅助分析。 4、 该技术中计算机辅助分析CAM的一个典型应用实例
作者通过长期研究发现，铜箔的尺寸直接影响到变压器的最低成本。只要是采用铜箔结构的变压器，无论包封型VDT、敞开型OVDT、环氧树脂浇注的干式变压器，还是采用铜箔结构的油浸变压器，铜箔的尺寸对变压器的最低成本起着很关键的作用。因此，选择和储备的铜箔合理与否就成为干式变压器制造厂家在市场竞争不可忽视的一个要素。而采用外部数据和算法隔离的技术后，对探索干式变压器最低成本的铜箔尺寸也非常方便、快捷、准确。只要在铜箔数据文件中厚度按0.01mm，宽度按5mm步长给出成百上千种铜箔数据。通过算法穷举后，就可以找到真正最低成本的铜箔尺寸和电磁设计方案。只是如此庞大的计算量，计算机需要很长时间才能运行完毕。通过作者长期实践，计算一种规格铜箔的穷举方案大约需要5秒至3分钟(计算机配置为PIII 733)，计算300种铜箔大致需要10—15个小时。虽然耗时较多，但在工厂的实际应用中是值得的。
另外还需要指出的一点是，以上方法找到的最低成本设计方案和最优铜箔尺寸完全取决于产品结构、损耗标准、噪音水平和数学模型的准确与否（主要是温升计算的准确与否）。而且，基于相同的变压器设计标准，只有当算法的数学模型能够真实的模拟变压器的实际情况，上述的计算结果才是真实可靠的。
5、 自动参数化绘图应用软件的基本构成原理
由于干式变压器结构简单、图纸量小、零部件通用性好，十分便于开发自动参数化绘图应用软件。下面简要介绍作者在编写干式变压器自动参数化绘图软件时的基本思路和方法。
在编写自动参数化绘图程序时，作者同样采用Visual C++ 6.0通过ObjectARX 2000平台对auto CAD2000系统进行编程。借助Visual C++ 6.0语言强大功能、丰富的数据类型和与Windows完全兼容的窗口界面，很容易开发出功能各异功能模块。通过对各功能模块进行简单的定置，就可以完成不同产品自动参数化绘图。
由于是采用Visual C++6.0通过 ObjectARX 2000平台嵌入auto CAD2000系统进行编程，因而生成的目标代码执速度极高，与auto CAD2000的兼容性极好。因此，极容易开发大规模的、复杂的自动参数化绘图应用软件。甚至可以将干式变压器的电磁优化设计程序连同自动参数化绘图程序一同嵌入auto CAD2000中，成为auto CAD2000的一个外部命令（如果将该程序列入auto CAD2000的自动装入文件列表中，则用户会感觉到如同auto CAD2000本身就具有干式变压器电磁优化设计和自动参数化绘图功能一样）。
在编写干式变压器自动参数化绘图应用软件时，作者同样采用了将绘图程序
主体和外部数据分别封装的隔离技术，使绘图程序更具通用性。另外，作者在每个装配的绘制之前不但将系统当前所有与之相关的变量值一一列出，以变用户确认或更改；而且还将干涉警告也一一列出,如果当前或用户更改的数据不合理，则出现一目了然警告，充分提高图纸的设计准确性。
关于该程序具体的结构流程图见图六。由于源程序较大，限于篇幅，源代码没有刊出。
编写自动参数化绘图程序时，需要注意以下几点：
<1>、自动参数化绘图前一定要通过程序对auto CAD2000系统进行初始化设置，比如设置图层、设置字体、设置颜色、设置目标捕捉方式等等；
<2>、自动参数化绘图前，程序可以通过读入电磁设计时生成的数据文件完成主要输入，也可以手工输入程序需要的数据；
<3>、自动绘程序必须真实模拟尽可能多样化的干式变压器的结构，提高程序的适应能力。同时，要求干式变压器的结构尽量规范。
<4>、必须对各装配进行深入分析，确定约束条件，编写尽可能多的干涉警告报警条。并在程序开始时或每次有数据读入或输入时逐条检验警告条，只有当警告数为零时，程序才可以向下运行。
<5>、必须对各个装配的零部件结构、特点进行认真归纳。对各单件的尺寸确定可行算法，便于减少外部数据输入，提高程序的封装性；
<6>、在不同的装配中，相关的零部件尺寸采用相同的算法，便于协调一致；
<7>、需要引用通用零件时，先将被引用的通用零件图进细分，确定引用原则，然后让程序通过查表法自动引入正确的通用零件；
<8>、绘图程序一般按最常用的方式运行，特殊情况下需要对图纸的某个细节进行修改时，一定要通过程序将该图形区域进行放大，否则将会因为图形数据尚在缓冲区，而无法选中目标；
<9>、在编写自动参数化绘图程序时，只要有图块插入，就必须重新做一次图形生成或缩放，否则将会因为图块数据尚在缓冲区，而无法对其中的目标进
行编辑；
<10>、自动参数化绘图时，要尽量采用相对的坐标点，以提高程序的通用性和可移植性；
<11>、生成明细表时，必须尽可能多的将通用图或通用件封装到程序中，以免受到外部数据的干扰；
<12>、生成明细表时，必须保证项号、图号编制和明细表项相一致；
5、结束语：本文仅介绍一种干式变压器的全面计算机辅助设计及分析方法和思路，应用该方法或类似方法极容易开发其它变压器的电磁设计和自动参数化绘图应用软件。而自动参数化绘图的主要障碍是产品结构是否规范，只要有计划、有步骤的进行产品的改型换代，编写自动参数化绘图软件是有实际意义的。
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