基于外特性模型的推挽变压器优化设计的可视化算法

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在现今许多的科学领域中,电力电子技术凸显出越来越重要的地位,而在其中具有关键作用的电子变压器,也越来越受到人们的关注。由于电子变压器的适用场合众多,又兼具良好的应用前景,故各电子变压器生产厂家一直在对如何节约成本的同时提高其性能而做出努力,这就涉及到电子变压器的优化设计问题。欲对某一电子变压器产品进行优化设计,首先必须了解其工作电路对该电子变压器所提出的性能要求,结合周边各电子开关器件的工作状态,分析得出整个电路的各个工作模态,建立完善的数学模型,在数学模型的基础上寻得全局最优解,完成该产品的优化设计。但是,由于电子开关器件工作状态的组合众多,造就了电子变压器工作模态复杂多变的情况,加之涉及多线圈之间漏感及互感难以精确表述的现状,使建立完善的数学模型成为一大难点。另外,所建立的数学模型多为非线性方程组构成,如何在多个非线性方程组中求得解析解又是另一个难点。基于上述电子变压器建模及优化设计的难点,文章提出一种基于Boolean代数的全新建模分析方法,及一种兼顾多目标多约束条件的优化设计可视化算法。文章首先对变压器的基本运行理论及其分类方法做了简要的介绍,并简单说明了各种类变压器的主要运用场合。其次详细讨论了基于Boolean代数的功率变换器建模分析方法。以推挽变压器为例,列出所有开关状态组合的完全Boolean矩阵,根据推挽变压器中某些开关元器件的特性归纳出诸多向量判据,逐步剔除无效成分,得到仅有各工作模态组成的矩阵,列出状态方程完成建模。接着叙述了推挽变压器工作过程中出现的漏感及其抑制或利用方式,并叙述了一种间接测算漏感的方法。然后简要讲述了几种主要的优化设计分析方法,诸如线性规划、非线性规划、0.618法和最速下降法等。之后对四维/五维的优化设计可视化算法做了详细的讨论。以推挽式变压器为例,将铁芯有效截面、铁芯窗口面积和线圈匝数作为设计变量,铁损、铜损、铁芯温升及线圈温升作为约束条件,效率、体积、成本等作为优化目标,讨论了四维优化设计可视化算法的实现方法及优化结果。同时,单独列出电压调整率展示了五维优化设计可视化算法的实现方法及优化结果。最后对基于优化设计的推挽式变压器进行了仿真及实验,验证了文章所述建模方法的可行性与实用性,同时验证了优化设计可视化算法的可行性。
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