沈陽變壓器回收專題干式變壓器設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及輔助分析的全面應(yīng)用
我公司從法國TRANSFIX公司引進(jìn)的H級絕緣“賽格邁”干式變壓器技術(shù)，由于結(jié)構(gòu)簡潔、規(guī)范等特點(diǎn)，十分便于開發(fā)系統(tǒng)的、高度自動化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD應(yīng)用軟件。而計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD的真正精神就是將人腦和計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)的結(jié)合起來，完成由人腦或計(jì)算機(jī)兩者均不能單獨(dú)完成的復(fù)雜設(shè)計(jì)。正是出于高度自動化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD和日益激烈的市場競爭壓力的需要，在作者多年的探索下，編寫出針對干式變壓器的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的全套應(yīng)用軟件。該軟件包括：干式變壓器自動電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件、自動參數(shù)化繪圖應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)文件維護(hù)軟件共三大部分。該三大部分的應(yīng)用軟件既可以成為單獨(dú)軟件運(yùn)行，也可以協(xié)調(diào)工作--集成為一個軟件包。應(yīng)用該系統(tǒng)還可以對干式變壓器的各個參數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析CAM。這將對的提高設(shè)計(jì)部門的開發(fā)能力、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低制造成本、提高市場反應(yīng)能力等發(fā)揮積極的作用。
應(yīng)用本文介紹的思路，同樣可以編寫出針對其它變壓器的、高度自動化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件，本文將不累述。
本文所有應(yīng)用軟件均采用VisualC++6.0編寫，自動參數(shù)化繪圖應(yīng)用軟件也采用VisualC++6.0在autoCAD2000中的二次開發(fā)平臺ObjectARX2000編寫，使得VisualC++和autoCAD完美結(jié)合。本文將簡要介紹該全面應(yīng)用實(shí)例的基本原理。
2、系統(tǒng)總體框架的基本構(gòu)成原理
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖一所示，整個系統(tǒng)包括電磁設(shè)計(jì)、自動參數(shù)化繪圖、數(shù)據(jù)文件維護(hù)、人工或計(jì)算機(jī)輔助分析CAM等幾大部分。各部分間既可以通過結(jié)構(gòu)體指針或數(shù)據(jù)文件相互通信，使整個系統(tǒng)可以跨平臺協(xié)運(yùn)行，也可以將所有程序內(nèi)嵌入autoCAD2000中運(yùn)行。
3、干式變壓器自動電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件的基本構(gòu)成原理
干式變壓器電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件在編寫時，必須充分考慮該軟件既要滿足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及人工或計(jì)算機(jī)輔助分析功能，還要求滿足操作簡單、運(yùn)行可靠、升級維護(hù)方便等要求，關(guān)于電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件的界面見圖二。
因此，在編寫程序時，將因產(chǎn)品更新或結(jié)構(gòu)變化可能引起程序結(jié)構(gòu)調(diào)整的數(shù)據(jù)分別封裝到不同的數(shù)據(jù)文件中，并通過附帶的程序段來維護(hù)這些數(shù)據(jù)文件。換句話說，就是通過數(shù)據(jù)文件將電磁設(shè)計(jì)的算法和外部數(shù)據(jù)如硅鋼片磁化特性數(shù)據(jù)、銅箔數(shù)據(jù)、扁導(dǎo)線數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、預(yù)埋參數(shù)等等徹底隔離。這樣做一方面可以使該軟件維護(hù)和升級非常容易，即使根本不懂計(jì)算機(jī)編程的人員也能夠方便對軟件進(jìn)行自行升級；另一方面可以為計(jì)算機(jī)輔助分析后得到的結(jié)果提供接口，使整個系統(tǒng)能順利完成完整的反饋過程，使自動電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)隨時真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品。
電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)的算法采用傳統(tǒng)的窮舉法，計(jì)算機(jī)通過讀入各種外部數(shù)據(jù)后逐個試算，然后以主要材料銅鐵成本最低為目標(biāo)函數(shù)，用冒泡法動態(tài)保留成本最低的前300個設(shè)計(jì)方案[2]。當(dāng)程序運(yùn)行完畢后，成本最低的前300個設(shè)計(jì)方案被保存到兩個文件中。一個以文本文件格式保存，以便查看；另一個以特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式保存，以便自動參數(shù)化繪圖時在autoCAD2000中調(diào)用。
關(guān)于該程序具體的結(jié)構(gòu)流程圖見圖三。限于篇幅，程序代碼部分沒有刊出。
圖三
本軟件之所以采用窮舉法進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)而未采用其它方法,主要是居于兩方面的原因考慮的。第一、算法不能漏掉任何可能的最優(yōu)解；第二、干式變壓器的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)程序結(jié)構(gòu)簡單，循環(huán)嵌套較少，便于窮舉。其次，VisualC++6.0運(yùn)行速度極快，再加上目前計(jì)算機(jī)的硬件處理速度日益提高，使得我們沒有必要花過多的時間去考慮各種算法之間的執(zhí)行速度上的優(yōu)劣。
應(yīng)用算法和數(shù)據(jù)分別進(jìn)行封裝技術(shù)時，只要能最大限度的將算法和數(shù)據(jù)進(jìn)行隔離。那么，電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)程序在一定意義上是一個通用的應(yīng)用軟件。而且，應(yīng)用該軟件還可以對被隔離的—-對變壓器有影響的每一個數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助分析。4、該技術(shù)中計(jì)算機(jī)輔助分析CAM的一個典型應(yīng)用實(shí)例
作者通過長期研究發(fā)現(xiàn)，銅箔的尺寸直接影響到變壓器的最低成本。只要是采用銅箔結(jié)構(gòu)的變壓器，無論包封型VDT、敞開型OVDT、環(huán)氧樹脂澆注的干式變壓器，還是采用銅箔結(jié)構(gòu)的油浸變壓器，銅箔的尺寸對變壓器的最低成本起著很關(guān)鍵的作用。因此，選擇和儲備的銅箔合理與否就成為干式變壓器制造廠家在市場競爭不可忽視的一個要素。而采用外部數(shù)據(jù)和算法隔離的技術(shù)后，對探索干式變壓器最低成本的銅箔尺寸也非常方便、快捷、準(zhǔn)確。只要在銅箔數(shù)據(jù)文件中厚度按0.01mm，寬度按5mm步長給出成百上千種銅箔數(shù)據(jù)。通過算法窮舉后，就可以找到真正最低成本的銅箔尺寸和電磁設(shè)計(jì)方案。只是如此龐大的計(jì)算量，計(jì)算機(jī)需要很長時間才能運(yùn)行完畢。通過作者長期實(shí)踐，計(jì)算一種規(guī)格銅箔的窮舉方案大約需要5秒至3分鐘(計(jì)算機(jī)配置為PIII733)，計(jì)算300種銅箔大致需要10—15個小時。雖然耗時較多，但在工廠的實(shí)際應(yīng)用中是值得的。
另外還需要指出的一點(diǎn)是，以上方法找到的最低成本設(shè)計(jì)方案和最優(yōu)銅箔尺寸完全取決于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、損耗標(biāo)準(zhǔn)、噪音水平和數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確與否（主要是溫升計(jì)算的準(zhǔn)確與否）。而且，基于相同的變壓器設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，只有當(dāng)算法的數(shù)學(xué)模型能夠真實(shí)的模擬變壓器的實(shí)際情況，上述的計(jì)算結(jié)果才是真實(shí)可靠的。
5、自動參數(shù)化繪圖應(yīng)用軟件的基本構(gòu)成原理
由于干式變壓器結(jié)構(gòu)簡單、圖紙量孝零部件通用性好，十分便于開發(fā)自動參數(shù)化繪圖應(yīng)用軟件。下面簡要介紹作者在編寫干式變壓器自動參數(shù)化繪圖軟件時的基本思路和方法。
在編寫自動參數(shù)化繪圖程序時，作者同樣采用VisualC++6.0通過ObjectARX2000平臺對autoCAD2000系統(tǒng)進(jìn)行編程。借助VisualC++6.0語言強(qiáng)大功能、豐富的數(shù)據(jù)類型和與Windows完全兼容的窗口界面，很容易開發(fā)出功能各異功能模塊。通過對各功能模塊進(jìn)行簡單的定置，就可以完成不同產(chǎn)品自動參數(shù)化繪圖。
由于是采用VisualC++6.0通過ObjectARX2000平臺嵌入autoCAD2000系統(tǒng)進(jìn)行編程，因而生成的目標(biāo)代碼執(zhí)速度極高，與autoCAD2000的兼容性極好。因此，極容易開發(fā)大規(guī)模的、復(fù)雜的自動參數(shù)化繪圖應(yīng)用軟件。甚至可以將干式變壓器的電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)程序連同自動參數(shù)化繪圖程序一同嵌入autoCAD2000中，成為autoCAD2000的一個外部命令（如果將該程序列入autoCAD2000的自動裝入文件列表中，則用戶會感覺到如同autoCAD2000本身就具有干式變壓器電磁優(yōu)化設(shè)計(jì)和自動參數(shù)化繪圖功能一樣）。
關(guān)于自動參數(shù)化繪圖軟件的運(yùn)行后的主菜單界面見圖四。
在編寫干式變壓器自動參數(shù)化繪圖應(yīng)用軟件時，作者同樣采用了將繪圖程序
圖四
圖五
圖六
主體和外部數(shù)據(jù)分別封裝的隔離技術(shù)，使繪圖程序更具通用性。另外，作者在每個裝配的繪制之前不但將系統(tǒng)當(dāng)前所有與之相關(guān)的變量值一一列出，以變用戶確認(rèn)或更改；而且還將干涉警告也一一列出,如果當(dāng)前或用戶更改的數(shù)據(jù)不合理，
則出現(xiàn)一目了然警告，充分提高圖紙的設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，具體界面可參考圖五。
關(guān)于該程序具體的結(jié)構(gòu)流程圖見圖六。由于源程序較大，限于篇幅，源代碼沒有刊出。
編寫自動參數(shù)化繪圖程序時，需要注意以下幾點(diǎn)：
<1>、自動參數(shù)化繪圖前一定要通過程序?qū)utoCAD2000系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，比如設(shè)置圖層、設(shè)置字體、設(shè)置顏色、設(shè)置目標(biāo)捕捉方式等等；
<2>、自動參數(shù)化繪圖前，程序可以通過讀入電磁設(shè)計(jì)時生成的數(shù)據(jù)文件完成主要輸入，也可以手工輸入程序需要的數(shù)據(jù)；
<3>、自動繪程序必須真實(shí)模擬盡可能多樣化的干式變壓器的結(jié)構(gòu)，提高程序的適應(yīng)能力。同時，要求干式變壓器的結(jié)構(gòu)盡量規(guī)范。
<4>、必須對各裝配進(jìn)行深入分析，確定約束條件，編寫盡可能多的干涉警告報警條。并在程序開始時或每次有數(shù)據(jù)讀入或輸入時逐條檢驗(yàn)警告條，只有當(dāng)警告數(shù)為零時，程序才可以向下運(yùn)行。
<5>、必須對各個裝配的零部件結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真歸納。對各單件的尺寸確定可行算法，便于減少外部數(shù)據(jù)輸入，提高程序的封裝性；
<6>、在不同的裝配中，相關(guān)的零部件尺寸采用相同的算法，便于協(xié)調(diào)一致；
<7>、需要引用通用零件時，先將被引用的通用零件圖進(jìn)細(xì)分，確定引用原則，然后讓程序通過查表法自動引入正確的通用零件；
<8>、繪圖程序一般按最常用的方式運(yùn)行，特殊情況下需要對圖紙的某個細(xì)節(jié)進(jìn)行修改時，一定要通過程序?qū)⒃搱D形區(qū)域進(jìn)行放大，否則將會因?yàn)閳D形數(shù)據(jù)尚在緩沖區(qū)，而無法選中目標(biāo)；
<9>、在編寫自動參數(shù)化繪圖程序時，只要有圖塊插入，就必須重新做一次圖形生成或縮放，否則將會因?yàn)閳D塊數(shù)據(jù)尚在緩沖區(qū)，而無法對其中的目標(biāo)進(jìn)行編輯；
<10>、自動參數(shù)化繪圖時，要盡量采用相對的坐標(biāo)點(diǎn)，以提高程序的通用性和可移植性；
<11>、生成明細(xì)表時，必須盡可能多的將通用圖或通用件封裝到程序中，以免受到外部數(shù)據(jù)的干擾；
<12>、生成明細(xì)表時，必須保證項(xiàng)號、圖號編制和明細(xì)表項(xiàng)相一致；
5、結(jié)束語：本文僅介紹一種干式變壓器的全面計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及分析方法和思路，應(yīng)用該方法或類似方法極容易開發(fā)其它變壓器的電磁設(shè)計(jì)和自動參數(shù)化繪圖應(yīng)用軟件。而自動參數(shù)化繪圖的主要障礙是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是否規(guī)范，只要有計(jì)劃、有步驟的進(jìn)行產(chǎn)品的改型換代，編寫自動參數(shù)化繪圖軟件是有實(shí)際意義的。
主要參考文獻(xiàn)：
<1>、<<C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)用教材>>，云南大學(xué)出版社，云南昆明李更生編著1997年6月第1版
<2>、<<科學(xué)計(jì)算與編程>>,云南大學(xué)出版社，云南昆明普媛媛編著
<3>、<<VisualC++6.0編程技巧與實(shí)例分析>>，中國水利水電出版社，齊舒創(chuàng)作室編著<4>、<<AutoCAD2000環(huán)境下C/VisualC++應(yīng)用程序開發(fā)教程>>,北京希望電腦公司,王福軍、張志民、張師偉編著2000年6月第1版