环形开关电极的自动优化设计方法精.docx
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环形开关电极的自动优化设计方法精
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2006年2月
HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS
Feb.,
2006文章编号:
1001-4322(2006)02-0333-04
环形开关电极的自动优化设计方法
*
王清玲1,郭良福1,3
,湛锋2,何孟兵1
(1.华中科技大学电气学院脉冲功率中心,武汉430074;2.武汉大学电气工程学院,武汉430072;
3.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900)
摘要:
在脉冲功率技术中,开关电极的形状优化设计非常重要。
利用电荷模拟法对常用的环形电极的电场分布进行了模拟计算,用旋转椭圆近似法优化电极轮廓外形,用微粒群(PSO)算法对轮廓外形的几何参数进行优化选择。
结果表明:
旋转椭圆近似法结合PSO算法非常适用于环形开关电极自动优化设计,优化所得形状和参数能满足电极之间电场分布的要求。
关键词:
脉冲功率技术;自动优化设计;环形开关电极;旋转椭圆近似法;微粒群算法中图分类号:
TN103文献标识码:
A
对脉冲功率装置而言,开关负责将能量从储能系统传递到负载,所以开关特性直接决定了整个脉冲功率装置的性能。
研制高电压、强电流、电极烧蚀小、寿命长的各种开关元件是当前脉冲功率技术中十分重要的课题,而提高开关寿命、减小电极烧蚀的重要方法之一就是设计形状相对优化的电极,使开关电极表面放电均匀,防止电弧集中于电极表面的某些地方,或使开关起弧点随机分布在电极表面。
如果电极形状不理想,放电就会集中发生在间隙中局部场强大的地方,开关重复频率工作或传输大电荷量时,该处的电极烧蚀将十分严重,从而影响开关的寿命、触发特性和工作可靠性。
本文从电极形状上探讨减小电极烧蚀的方法,提出了一种方便适用的优化设计方案。
1电极优化设计的方法
形状相对优化的电极要求表面为等电场面。
当触发脉冲到来时,只要电极表面某处出现一个有效电子,则间隙将触发击穿。
放电点随着有效电子出现点的变化而随机分布在整个电极表面上。
因此,具有这种表面形状的电极寿命最长,触发特性最好。
电极的优化设计常采用能自动修改轮廓的计算机数值计算法。
一般情况下,由于难以直接给出最优形状的计算方法,所以必须以某种常见的形状作为出发点,反复按“电场计算→形状修正→电场计算→形状修正→…”的过程进行计算来求出最优形状。
从工程角度看,电极形状的优化设计应在保证精度的前提下力求计算简便,并尽量使其外形轮廓便于掌握,方便加工。
此外,在设计中还要把握一个原则,就是所取尺寸必须在一定范围内都能相对优化,这样,就能为加工留下一定的偏差裕度,允许加工过程中存在一定的偏差。
1.前往“设置”,再点击电源。
2.点击使用情况,然后点击应用程序来查看其使用电池的情况。
您可以看到该应用程序的
CPU等资源的电池使用情况,以及其他使用详情。
§如果您在查看应用程序电池使用详情时看到按钮,您可以点击这些按钮来调整影响电池使用的设置、停止该应用程序,以及执行其他操作。
§想要直接在状态栏上查看电量百分比吗?
在“电源”设置中,选择显示电量。
检查电池历史记录
检查自上次充电以来HTCOne的使用情况。
您也可以看到图表,其中显示屏幕开启的时长,以及您使用移动网络或WLAN等连接的时长。
1.前往“设置”,再点击电源。
2.点击历史记录。
3.如果上次充电后HTCOne已使用了比较长的时间,向左或向右快速滑动可以移动图表,
显示电池随时间推移的使用详情。
您也可以展开或靠拢手指来缩放图表。
延长电池续航时间
电池在需要充电前可维持的时间取决于您使用HTCOne的情形。
HTCOne电源管理有助于延长电池寿命。
在需要延长电池续航时间的时候,可以尝试下列一些提示:
检查电池使用情况
监控电池使用情况可帮助您识别电量消耗最多的应用程序,以便您采取相应的措施。
有关详细信息,请参见第34页的检查电池使用情况。
管理连接
§关闭未在使用的无线连接。
要打开或关闭数据连接、WLAN或蓝牙等连接,请前往“设置”,再点击相应的开/关按钮。
§仅在需要精确定位时打开GPS。
为防止部分应用程序在后台使用GPS,请保持GPS卫星设置关闭。
仅在使用导航或基于位置的应用程序并需要精确定位时将它打开。
前往“设置”并点击位置,可打开或关闭此设置。
§如果设置>电源中启用了休眠模式选项,则在低谷时段中,手机将在屏幕关闭15分钟并
且没有网络活动(无下载活动、流处理或数据使用)时关闭数据连接。
重新打开屏幕时数据连接就会恢复。
管理显示
降低亮度,无需使用屏幕时将其关闭,并使显示画面简单,有助于节省电池电量。
§使用自动亮度(默认)或手动降低亮度。
d2和h为给定材料的固定直径和厚度,d1为电极中间开孔的直径,d3为开关间隙距离。
待优化参数为椭圆长、短半轴长度a1,b1,a2,b2四个参数,设计目标是AC段平头部分场强均匀分布,边缘部分场强不大于AC段平头部分场强。
2电场数值计算方法
Fig.2Collocationofthesimulationchargesmethod
图2电荷模拟法布置图
电场数值计算可以用有限元法,例如ANSYS软件,但由于要反复进行建模和计算仿真,计算量大,耗费时间
长,不够方便灵活,故本文采用电荷模拟法[4]来进行电
场数值计算,对程序的正确性用ANSYS进行校验。
实际开关电极形状可以简化为二维旋转对称场来求解,故轮廓点、模拟点、检验点和计算点电荷均选用环状电荷,布置情况如图2所示。
由于matlab具有强大的矩阵计算能力,且对于第一种、第二种完全椭圆积分有直接可用的功能函数ellipke,计算电位系数矩阵方便快捷,故选用matlab进行编程计算。
为了达到一定的计算精度,同时保证程序运行尽量快,首先给定几组具有代表性的涵盖优化参数范围的优化参数值,运行电场数值计算程序,找
出广泛适用的模拟电荷个数和f值(f定义为模拟电荷距电极边界的垂直距离与相邻轮廓点之间距离的比值),避免后来参数寻优进行不必要的循环计算,节省程序运行时间。
最优判据为:
ΔE(边缘场强最大值与中间场强平均值的差值/中间场强平均值)最小。
3优化算法
可以用最简单的参数扫描法(对每个优化参数在取值范围内按一定的步长进行扫描)来寻找优化的电极轮廓外形几何参数,但这种方法略显笨拙,尤其是待优化参数比较多或范围比较广时,需要计算的次数非常多。
我们采用了一种新的基于群体的迭代随机搜索算法———PSO算法对参数进行优化,该算法前期主要功能是扩展搜索空间,后期在最优解附近精细搜索,具有搜索功能强、算法简单、寻优效果好、收敛特性强等优点,特别适用于待优参数多、范围广的复杂寻优系统(譬如本文提及的环形开关电极优化设计),有很好的应用前景,下面将详细介绍。
假设在D维搜索空间中有n个飞行的微粒,其中第i个微粒的位置可以用向量表示为Xi=(xi1,xi2,…,xid),i=1,2,…,n,其飞行速度表示为Vi=(vi1,vi2,…,vid),飞行过程中它所经历的最优位置记为Pi=(pi1,pi2,…,pid),相应的适应值称为个体最优解pbest,i,。
粒子群所有粒子中经历过的最好位置记为Pg=(pg1,pg2,…,pgd)
,相应的适应值记为gbest。
每个微粒根据如下公式来更新自己的速度和位置:
vk+1ij=wvkij+r1c1(
pij-xkij)+r2c2(pgj-xk
ij)x
k+1ij
=xkij+v
k+1{
ij
(1)
式中:
w为惯性权重;r1,r2分别为[0,1]之间相互独立的一个随机数;c1,c2为加速常数,分别称为“认知”加速常数和“社会”加速常数;j=1,2,…,d;k为迭代次数。
同时为防止搜索极度无序,微粒飞行速度由最大速度vmax所限制。
标准粒子群优化算法流程为:
(1)确定微粒规模(即并行寻优的个体数n)和微粒维数(即需要优化的参数个数d),初始化一群微粒,包括随机速度和随机位置。
(2)根据
(1)式更新每个微粒的速度和位置。
(3)根据适应度函数评价每个微粒的适应度。
(4)对每个微粒,将其适应度与自身的历史最好位置pi做比较,如果更好就将其作为当前的最好位置pi。
(5)对每个微粒,将其适应度与全局经历的历史最好位置pg做比较,如果更好就将其作为全局最好位置pg。
433强激光与粒子束第18
卷
(6)若达到停止条件,则返回当前最优个体和适应值,否则返回第2步。
具体到电极外形轮廓的几何参数优化问题上,粒子群维数D=4,对应于需优化的a1,b1,a2,b2四个变量,个体位置Xi即为优化的参数值,ΔE作为适应度函数。
4计算与仿真结果
拟采用Ф150mm×20mm的黄铜加工成环形电极,开关间隙距离为10mm,即图1中d2=150mm,h=20mm,d3=10mm;拟在电极中间开Ф30mm的孔,即d1=30mm;待优化参数为椭圆曲线段长短半轴a1,b1,a2及b2四个参数;
上电极加电压23kV,下电极接地。
优化目标即要求的电场分布为:
边缘部分即椭圆曲线段场强小于AC段平头部分场强,AC段平头部分尽量均匀(即平均场强尽量接近23kV/cm),得到ΔE的最小值。
PSO算法参数设置为:
种群规模20,微粒维数4,最大迭代次数100,惯性权重从0.95到0.1线性减小,加速常数c1=2.0,
c2=2.0,微粒速度范围[-10,10],微粒位置范围[5,20]。
寻优结果见表1。
表1PSO算法寻优结果
Table1OptimizedresultsofthePSOmethod
iterationΔEa1b1a2b20
14.511.012.57.00.07741614.214.315.56.70.05774210.06.916.75.90.05025911.05.815.55.70.049183
9.7
5.9
15.7
5.8
0.047
5
如前所述,PSO算法用matlab中的rand函数来初始化微粒的速度和位置,且在迭代后期进行了精细搜索,所以优化结果非常精确;电场数值计算部分选取了比较多的轮廓点等各点,且以检验点电位计算值与实际值的差值是否小于300V来判断各点位置的选取是否正确,所以电场计算的精度也非常高。
综合来看,PSO算法的计算精度非常高。
对于此优化算例,优化参数多、范围广,PSO算法迭代83次寻优的时间为3~4h。
若计算精度降低,则计算时间就相对短一些。
从表1可以看出,算法在迭代后期进行了精细搜索,所以迭代次数从42~83变化时,ΔE都很小,
且变化范围也很小,说明各参数在一定范围之内都能满足工程加工要求,即可以确定加工裕度:
a1=10×(1±3%)mm,b1=6×
(1±3%)mm,a2=16×(1±4%)mm,b2=6×(1±3%)mm。
用ANSYS对a1=10mm,
b1=6mm,a2=16mm,b2=6mm(尺寸1)的环形电极间隙中的电场进行仿真(上电极加电压23kV,下电极接地),结果见图3,AC段平板部分电极表面电场分布见图4。
另外将其与a1=10mm,b1=5mm,a2=10mm,b2=7mm(尺寸2)的电场仿真做比较,结果见表2。
可见尺寸1比尺寸2好一些,尺寸1的最大场强位于平板部分与椭圆曲线交接处的A'点,即边缘部分场强小于AC段平头部分场强,而尺寸2的最大场强位于椭圆曲线CD段,即边缘部分场强大于AC段平头部分场强,且最大场强值比尺寸1的大。
a1=10mm,b1=6mm,a2=16mm,b2=6mm的优化结果满足电场要求:
边缘部分即椭圆曲线段场强小于AC段平头部分场强,AC段平头部分尽量均匀(即平均场强尽量接近23kV/cm),ΔE得到最小值。
Fig.3ElectricfieldfluxdensityE
图3间隙中的电场
Fig.4Electricfieldoftheelectrodesurfaceinthemiddle
图4平板部分电极表面电场分布
5
33第2期王清玲等:
环形开关电极的自动优化设计方法
表2两种尺寸的ANSYS仿真结果Table2ResultsoftheANSYSanalysis
size-EAC/(
kV・cm-1)ΔEEmax/(kV・cm)
locatioin
value123.0990.0580A'
24.4382
23.162
0.0946
onlineCDandnearC
25.354
5结论
对于环形开关电极,都可以用旋转椭圆近似法来优化其轮廓外形,用PSO算法来优化几何参数,降低开关设计成本,提高开关性能。
PSO算法利用matlab强大的矩阵运算能力和简单可靠的函数调用,算法简单,优化性能好。
对于优化后的开关电极性能,如开关自击穿电压分散性、电极在大电流条件下工作时的烧蚀、触发特性、工作可靠性和稳定性等还有待进一步实验研究。
参考文献:
[1]何孟兵,王清玲,贺臣,等.旋转电弧对火花间隙开关电极烧蚀的影响[J].强激光与粒子束,2004,16(11):
1468-1472.(HeMB,WangQ
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49-53)
[3]曾建潮,介婧,崔志华.微粒群算法[M].北京:
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高等教育出版社,1985.(KawanoTeruya,TakumaTadasu.Numericalarithmeticonelectric
field.Beijing:
HigherEducationPress,
1985)Auto-optimizationdesignofring-shapedswitchelectrode
WANGQing-ling1,GUOLiang-fu1,3
,ZHANFeng2,HEMeng-bing1
(1.PulsedPowerCenter,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China;
2.DepartmentofElectricalEngineering,WuhanUniversity,Wuhan430074,China;3.ResearchCenterofLaserFusion,CAEP,P.O.Box919-988,Mianyang621900,China)
Abstract:
Theoptimizationdesignoftheelectrodewasofgreatinfluenceontheswitchinpulsedpower.Thechargesimulationmethodwasusedtosimulatetheelectricfield,therotatingellipsemethodtooptimizetheelectrode’sfigure,theParticleSwarmOptimizationmethodtoselectthebestgeometricalparameters,andtheANSYSelectromagneticanalysistoemulatetheelectricfieldoftheoptimizedresult.TheresultsindicatethattherotatingellipsemethodcombinedwiththeParametersScanmethodcanbeappliedtotheauto-optimizationofthering-shapedswitchelectrodes,andtheelectricfieldoftheoptimizedfigureandparameterscanmeettherequirementsofelectricalfield.
Keywords:
Pulsedpowertechnology;Auto-optimizationdesign;Ring-shapedswitchelectrode;Rotatingellipsemethod;ParticleSwarmOptimization
633强激光与粒子束第18卷
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