Диссертация: Многокритериальная оптимизация конструкций электрических машин на основе алгоритмов недоминируемой сортировки.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Одна из центральных проблем, решаемая при проектировании и конструировании электрических машин сопряжена с многократным расчетом зависимостей между основными показателями, заданными в виде формул, эмпирических коэффициентов и графических зависимостей с целью поиска оптимальных параметров проектируемых электрических машин. Учѐт комплементарного взаимодействия параметров на целевые функции при проектировании электрических машин — сложная многовариантная задача. Выбор оптимальных параметров затрудняется сложностью алгоритма расчета электрической машины и необходимостью учитывать такие факторы как стоимость машины, еѐ надежность и технологичность конструкции. В связи с этим оптимальные варианты электрической машины выбираются на основании широкого применения вычислительных машин, исходя из навыков и интуиции проектировщика, а также опыта эксплуатации. Сказанное относится также к оптимизации трѐхфазных синхронных электрических машин, предназначенных для электромеханического преобразования механической энергии гидравлических турбины в электрическую (гидрогенераторы). Над этим вопросом работала плеяда отечественных и зарубежных ученых: А.И. Абрамов, А.Е. Алексеев, Н.В. Виноградов, В.В. Домбровский, А.В. Иванов-Смоленский, М.П. Костенко, В.В. Кузьмин, А.Н. Минко, Г.Н. Петров, Л.М. Пиотровский, В.В. Попов, Р. Рихтер, Г.М. Хуторецкий, В.П. Шуйский, J. Cale, H. Kümmlee, Т. Sato, S. Sudhoff и многие другие. Таким образом, диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы разработки и исследования алгоритма многокритериального оптимизационного анализа взаимосвязей параметров и целевых функций гидрогенераторов с целью обеспечения лица, принимающего решение, максимально эффективным инструментом, который позволит построить множество Парето-оптимальных решений, обосновать выбранный вариант, а также снизить трудоемкость оценки различных вариантов.
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИИ: создание основанной на многокритериальной оптимизации методики проектирования конкурентоспособных на энергомашиностроительном рынке гидрогенераторов, выполнение апробации данной методики, а также анализ и обобщение полученных результатов. Для достижения поставленной цели потребовались: 1. выработка и обоснование набора критериев оптимальности конструкции гидрогенераторов; 2. разработка, обоснование и программная реализация вычислительно эффективной параметризованной модели гидрогенератора; 3. разработка и апробация методики, сопоставление результатов еѐ использования с имеющимися конструкциями; 4. разработка методики построения множества Парето в пространстве критериев оптимальности для референсного проекта гидрогенератора; 5. получение для референсного гидрогенератора зависимостей параметров для отдельных кластерных структурных групп.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: 1. выбрать ряд критериев оптимальности конструкции гидрогенераторов; 2. разработать программную реализацию параметризованной модели; 3. разработать методику многокритериальной оптимизации; 4. разработать методику построения множества Парето в пространстве критериев оптимальности; 5. определить зависимости параметров для отдельных кластерных структурных групп на основе корреляционного анализа; 6. оценить перспективность методики и определить целесообразное место еѐ использования в процессе проектирования гидрогенераторов.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: конструкция генератора для гидроэлектростанций, конечно-элементная модель генератора, методы многокритериальной оптимизации и генетический алгоритм.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ: многокритериальная оптимизация модели конструкции гидрогенератора, формирование кластерных структур, корреляционный и регрессионный анализ на основе полученных данных.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА: 1. разработана параметризованная двухмерная конечно-элементная модель гидрогенератора, позволяющая оценивать предложенные критерии оптимальности; 2. разработана методика расчета потерь в активной стали сердечника статора и полюсах ротора от гистерезиса и вихревых токов. Данный подход отличается от традиционно используемого дискретизацией расчѐтной области, учѐтом насыщения отдельных участков магнитной цепи генератора и разделением потерь по формулировке Бертотти; 3. разработаны методики расчета коэффициента искажения синусоидальности кривой линейного напряжения и индуктивных сопротивлений; 4. разработан набор критериев оптимальности для построения множества Парето, отражающий экономические показатели и основные технические параметры; 5. разработан комплекс программных сценарных файлов, реализующих предлагаемые метод МКО и расчет МКЭ с характерными параметрами (50’000÷150’000 конечных элементов, дискретизация по времени — 200 шагов на один период и время расчета одной задачи — 20÷40 минут); 6. на основе корреляционного анализа получены зависимости параметров для отдельных кластерных структурных групп, которые могут использоваться для существенного уменьшения вычислительной сложности, сокращения процессорного времени, создания моделей регрессий и исследования других методов многокритериальной оптимизации.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: предложен новый подход к оптимизации конструкций вращающихся электрических машин, выполнена его апробация для гидрогенераторов и подтверждена возможность эффективной алгоритмической реализации нового подхода на современных вычислителях.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: создан, обоснован и апробирован набор критериев оптимальности. Создан комплекс программных сценарных файлов для реализации МКО, интеграции с расчетным модулем МКЭ, формирования множества Парето, его кластеризация, корреляционный и регрессионный анализ. В отличие от уже имеющихся подходов впервые осуществлена возможность оптимизации параметров гидрогенератора на основе метода, учитывающего комплементарные взаимодействия целевых функций. Реализация методики выполнена на современном вычислителе. Получены конструкции генераторов, превосходящие параметры референсной машины. Для модели А: масса сердечника статора уменьшена на 3%, ток ротора — на 2%, потери в стали — на 1%. Для модели В: масса сердечника статора уменьшена на 1,5%, ток ротора — на 1,5%, потери в стали — на 1%, — на 3%. Для модели С: ток ротора уменьшен на 2%, потери в стали — на 7% и коэффициент искажения синусоидальности кривой линейного напряжения статора уменьшен на 36%.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ: 1. апробированный набор критериев оптимальности для конструкции гидрогенераторов, отражающий экономические показатели и основные технические параметры; 2. параметризованная двухмерная конечно-элементная модель гидрогенератора, позволяющая определить целевые функции. Вектор конструктивных параметров модели включает 13 геометрических размеров (общее число варьируемых параметров для разных моделей составляет 29); 3. методика расчета потерь в активной стали сердечника статора и полюсах ротора от гистерезиса и вихревых токов. В рамках ПО МКЭ выбрана модель разделения потерь, определяемая по уравнению Бертотти; 4. методика расчета коэффициента искажения синусоидальности кривой линейного напряжения и индуктивных сопротивлений; 5. адаптация к задачам оптимизации электрических машин алгоритма многокритериальной оптимизации; 6. комплекс программных сценарных файлов, реализующих предлагаемые метод МКО и расчет МКЭ, позволивший автоматизировать процесс расчета магнитных полей и целевых функций; 7. корреляционный анализ отдельных кластерных структурных групп для получения зависимости параметров гидрогенераторов, которые могут служить основой для сокращения общего времени расчета, создания моделей регрессий или исследования других методов многокритериальной оптимизации.
СООТВЕТСТВИЕ ПАСПОРТУ СПЕЦИАЛЬНОСТИ: диссертация соответствует специальности 05.09.05 — Теоретическая электротехника. Полученные в работе научные результаты соответствуют п. 1 «Экспериментальные и расчетные исследования слабых и сильных электромагнитных полей в электротехнических, электроэнергетических, электрофизических, информационных, управляющих и биологических системах», п. 2 «Экспериментальные и расчетные исследования электрических, электронных и магнитных цепей» паспорта специальности.