Development of a new reliable analytical technique for the determination of the leakage reactance in the power transformers
Güç transformatörlerinde kaçak reaktansın belirlenmesinde güvenilir yeni analitik yöntem geliştirilmesi
- Tez No: 768753
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜVEN KÖMÜRGÖZ KIRIŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Transformatörler elektrik enerjisinin dağıtımında ve iletiminde kritik bir rol oynayan elektrik makinasıdır. Transformatörler aynı zamanda elektrik iletimi sırasındaki güç kayıplarını azaltmak için en önemli ekipmanlardan biridir. Elektrik tüketicilerine güvenilir enerji sağlamak için transformatörün farklı koşullarda çalışacak şekilde uygun bir biçimde tasarlanması ve imalatı sırasında da tüm uluslararası standartların yerine getirilmesi gerekmektedir. Kaçak reaktans, transformatörlerin arıza durumlarının analiz edilmesinde önemli bir parameter olup, bir transformatörün elektromanyetik tasarımında dikkate alınması gereken en önemli özelliklerden biridir. Güç, kademe sargısı ve dönüştürücü transformatörinlerdeki arızaların çoğu, sargılardaki kısa devre koşullarından kaynaklanmaktadır. Transformatörlerin tasarımı sırasında ana parametrelerden biri kaçak reaktanstır ve bu parametrenin daha ucuz ve hızlı bir şekilde analiz edilmesi transformatör tasarımcılarının temel amaçlarından biridir. Kısa devre meydana geldiğinde, transformatörün sargılarında daha yüksek bir akım meydana gelir. Daha yüksek kısa devre akımı sadece transformatörün çalışmasını etkilemekle kalmaz, aynı zamanda transformatörün sargı yalıtımını da etkiler. Ayrıca kısa devre akımı transformatörün ömrünü de etkileyen önemli bir parametredir. Transformatörlerdeki kısa devre akımı kaçak reaktans ve kaçak endüktansın uygun olarak değerlendirilmesiyle kolaylıkla incelenebilir. Analitik teknikler ve deneysel sonuçlar, kaçak reaktansı hesaplamak için kullanılan iki temel yöntemdir. Transformatörün hesaplanan kaçak reaktansı gerçek kaçak reaktanstan yüksekse ve transformatör hesaplanan değere göre tasarlanmışsa, transformatör kısa devre durumuna dayanamaz ve arızaya neden olabilir. Diğer taraftan transformatörün hesaplanan kaçak reaktansı, gerçek kaçak reaktansından küçükse, transformatörün imalatı için daha fazla malzeme kullanılacak ve transformatör daha ağır, daha pahalı ve daha büyük olacaktır. Bu nedenle, tasarım sırasında kaçak reaktansın doğru değerini bulmak transformatör üreticisi için çok önemlidir. Transformatörün kararlılığı, verimliliği ve güvenilirliği de esas olarak transformatörün kaçak reaktansına bağlıdır. Kaçak reaktans ideal olarak hesaplanarak transformatörün üretim maliyetleri de en aza indirilebilir. Bu nedenle, optimize edilmiş bir tasarım için güç transformatöründeki kaçak reaktansın doğru bir tahminine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu araştırmanın temel amacı, kaçak reaktansın doğru olarak belirlenebilmesi için var olan analitik denklemlere katkı sağlamak ve sonlu elemanlar yöntemi tekniğini kullanarak farklı tipteki transformatörlerdeki kaçak reaktansı analiz ve optimize etmektir. Bu tezde kaçak reaktansı değerlendirmek için farklı geometrik yapılara sahip transformatörlerde analitik formüllerin geliştirilmesine katkı yapılmaya çalışılmıştır. Aynı zamanda var olan yöntemlerle, önerilen yeni analitik denklemlerin kıyaslamalı analiz sonuçları tez kapsamında incelenmiştir. Bu amaçla test kapsamında, simetrik sargılı transformatörün ve asimetrik sargılı transformatörün kaçak reaktansı, sonlu elemanlar yöntemi, analitik yöntemler ve deneysel yöntem kullanılarak incelenmiştir. Simetrik sargılı transformatör ve asimetrik sargılı transformatördeki kaçak reaktansın değerlendirilmesi sırasında beş farklı gerçek durum incelenmiştir. Bu çalışmada, asimetrik sargılardaki kaçak reaktansın analitik hesabındaki anormallikler de tespit edilmiştir. Sargı yüksekliği etkisini hesaba katmak için; bu çalışma, aynı zamanda asimetrik transformatörde kaçak reaktansın hesaplanması için analitik formülasyona bir düzeltme önermektedir. Kademe sargılı transformatörler, transformatörün tek veya her iki tarafında farklı gerilim seviyeleri elde etmek için yaygın olarak kullanılan tekniklerden biridir. Bu tez ayrıca üç farklı gerilim seviyesi için iki sargılı ve üç sargılı kademe transformatörlerinde kaçak empedansı incelemek için bir sonlu elemanlar yöntemi sunmaktadır. Bu çalışmada, üreticilerin kademeli sargılı transformatör tasarımını optimize etmesine yardımcı olacak, kademeli sargılı transformatörlerde kaçak empedansın değerlendirilmesi için ilk kez sonlu eleman modelleri önerilmiştir. Ayrıca önerilen yöntem mevcut deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmaktadır. Çekirdek kayıpları, manyetik ve akı yoğunluğu gibi diğer önemli hususlar da sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak incelenmektedir. Kaçak reaktans zikzak transformatörlerin de en önemli parametrelerinden biridir. Kaçak reaktansın doğru tahmini, zikzak transformatörün maliyetini de en aza indirmektedir. Bu nedenle, analitik veya sayısal yöntemler kullanılarak zikzak transformatördeki kaçak reaktansın tahmini, transformatörün erken tasarım aşamalarının önemli bir parçasıdır. Bu tezde, zikzak sargılı transformatördeki kaçak reaktans da sonlu elemanlar tekniği kullanılarak belirlenmiştir. Prototip zikzak transformatör de kaçak reaktansın değerlendirilmesi için sonlu elemanlar yönteminin doğruluğunu doğrulamak için ASTOR firmasında transformatör üretilmiş ve test edilmiştir. Dönüştürücü transformatörler, elektrikli taşıma sisteminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Kaçak reaktans, bir dönüştürücü transformatörün geliştirilmesi sırasında ana kriterlerden biridir. Bazı dönüştürücü transformatörlerde, sargılar ve transformatörün diğer kısımları o kadar karmaşıktır ki analitik yöntemlerin uygulanması imkansızdır veya çok zordur. Bu nedenle transformatörün farklı parametrelerini hesaplamak için herhangi bir başka yöntemlere ihtiyaç duyulur. Bu tezde, elektrikli taşıma sistemi transformatörünün tasarımını optimize etmek ve kaçak reaktansı değerlendirmek için sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak analizler gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçları elde etmek için elektrikli taşıma sisteminin prototip dönüştürücü transformatörü geliştirilmiştir. Farklı analitik yöntemlerin sonuçları da deneysel sonuçlarla karşılaştırılmaktadır. Ek olarak, kaçak reaktansın doğru olarak belirlenmesinde önerilen yöntemin doğruluğunu göstermek için simetrik ve asimetrik sargılı transformatörlerde var olan yöntemlerle, tez kapsamında önerilen yeni analitik yaklaşım sonuçları kıyaslanış ve sonuçlar analiz edilmiştir. Tezde sunulduğu gibi, farklı tipteki transformatörlerde kaçak reaktansın belirlenmesi için birçok analitik teknik bulunmaktadır. Bununla birlikte, analitik yöntemlerin çoğu, alçak gerilim ve yüksek gerilim sargılarının aynı eksenel yüksekliklerine (simetrik sargılar) sahip transformatörlere uygulanabilir. Özellikle asimetrik sargılı transformatörlerdeki kaçak reaktansın analitik hesaplanmasındaki doğruluğu artırmak için kaçak reaktansın daha uygun bir şekilde hesaplandığı yeni bir analitik yöntem önerilmektedir. Kaçak reaktansın hesaplanması için önerilen analitik yöntem, önceki analitik yöntemlerle deneysel testler ve sonlu elemanlar yöntemi sonuçları arasındaki farkın yardımıyla önerilmektedir. Önerilen yeni analitik yöntem, transformatörün modelleme ve simülasyon süresini kısaltmaktadır. Aynı zamanda iki sargılı transformatördeki kaçak reaktansın hesaplanması için bir çözüm sağlamakta ve uzun süreli sonlu eleman programlama ve simülasyon gerektirmemektedir. Bu nedenle önerilen analitik yöntem, kaçak reaktans için hızlı ve kolay sonuçlar verebilmektedir. Sonuçlar ayrıca, kaçak reaktansın hesaplanması için yeni analitik tekniğin etkinliğini, basitliğini, uygulanabilirliğini ve geçerliliğini matörü doğru bir şekilde geliştirmek için transformatör tasarımcılarına yeni, güvenilir ve basit bir yöntem sağlama yeteneğini de ilk olarak kanıtlamaktadır.
Özet (Çeviri)
The transformer plays a critical role in the distribution and transmission of electric power. Transformers are also one of the most essential pieces of equipment to reduce power losses during electricity transmission. To provide reliable energy to the power consumers, the transformer must be designed properly to operate in different conditions and all international standards must be also fulfilled during the designing and manufacturing of the power transformer. Leakage reactance is one of the most crucial characteristics to consider in the electromagnetic design of a transformer. The majority of failures of power, tap-winding and converter transformers are due to the short-circuit conditions in the windings. One of the main parameters during the design of transformers is leakage reactance and analysing this parameter in a cheaper and faster way is one of the main objectives of the transformer designers. When the short-circuit occurs, a higher current is generated in the windings of the transformer. The higher short-circuit current not only affects the working of the transformer but also affects the other parts of the transformer. Short-circuit current also affects the lifespan of the transformer. The short-circuit current in the transformers can also be easily evaluated by evaluating the leakage reactance and leakage inductance properly. Analytical techniques and experimental results are two main methods for calculating the leakage reactance. If the calculated leakage reactance of the transformer is higher than the actual leakage reactance and if the transformer is designed according to the calculated value, a transformer cannot withstand the short-circuit condition and can result in failure. On the other hand, if the calculated leakage reactance of the transformer is less than the actual leakage reactance, more material will be used for the manufacturing of the transformer, and the transformer will be heavier, more expensive and bigger. So, finding the accurate value of the leakage reactance is crucial for the manufacturer of transformers. Stability, efficiency and reliability of the transformer also mainly depend on the leakage reactance of the transformer. The manufacturing costs of the transformer can also be minimized by calculating the leakage reactance ideally. Therefore, a proper prediction of the leakage reactance in the power transformer is needed to implement an optimized design. The main aim of this research is to analyze and optimize the leakage reactance in the different types of transformers using a finite element method technique. Different analytical methods are presented in this thesis to evaluate the leakage reactance. The leakage reactance of the symmetric winding transformer and the asymmetric winding transformer is examined using a finite element method, analytical methods, and the experimental method. More than five different real cases are studied during the evaluation of the leakage reactance in the symmetric winding transformer and the asymmetric winding transformer. In this work, abnormalities in the analytical calculation of the leakage reactance in the asymmetric windings will be also identified. In order to take the winding height effect into the account, this work will also propose a correction to the analytical formulation for the calculation of the leakage reactance in the asymmetric. Tap winding transformers are one of the widely used techniques to achieve the different voltage levels on the single or both sides of the transformer. This thesis has also presented a finite element technique to examine the leakage impedance in the two-winding and three-winding tap transformers for three different voltage levels. This study presents first-time finite element models for the evaluation of the leakage impedance in the tap winding transformers and compares them with the experimental results, which will add great value to present research and help manufacturers to optimize the design of the tap winding transformers. Other important aspects such as core losses and magnetic flux density are also examined using the finite element method. Leakage reactance is also one of the most important parameters of the zigzag transformers. The accurate prediction of the leakage reactance also minimizes the cost of the zigzag transformer. Therefore, the prediction of leakage reactance in the zigzag transformer using analytical or numerical methods is an essential part of the early designing stages of the transformer. In this thesis, leakage reactance in the zigzag winding transformer is also determined using the finite element technique. The prototype zigzag transformer is also manufactured and tested to verify the accuracy of the finite element method for the evaluation of the leakage reactance. Converter transformers are widely used in the electric transport system and it is crucial equipment for a rectifier unit of the transport's tracking substations. Leakage reactance is one of the main criteria during the development of a converter transformer. In some of the converter transformers, windings and other parts of the transformer are so complex that analytical methods are impossible or very difficult to implement, and hence any other method is needed to calculate the different parameters of the transformer. In this thesis, to optimize the design of the electric transport system transformer, a finite element analysis is used to evaluate the leakage reactance. A prototype converter transformer of the electric transport system has been developed to obtain the experimental results. The results of the different analytical and finite element methods are also compared with the experimental results. Additionally, this thesis will also propose a new analytical method for the calculation of the leakage reactance for the symmetric winding transformer and asymmetric winding. As presented in the thesis, there are many analytical techniques for the determination of the leakage reactance in the different types of transformers. However, the majority of the analytical methods are applicable to the transformers with the same axial heights of the low voltage and high voltage winding (symmetric windings). To improve the accuracy in the analytic computation of the leakage reactance in the transformers, especially for the asymmetric; a new analytical method is proposed to calculate the leakage reactance in the asymmetric windings more appropriately. The analytical technique for the calculation of the leakage reactance is proposed with the help of the difference between experimental tests with previous analytical methods and finite element method results. The new proposed analytical method will reduce the time of the modelling and simulation of the transformer, provide a solution for the calculation of the leakage reactance in the two-winding transformers and does not require significant amounts of finite element programming and simulation time. Therefore, a proposed analytical method can give quick and easy results for leakage reactance. Results also prove preliminarily the efficiency, simplicity, feasibility and validity of the new analytical technique for the calculation of the leakage reactance and its ability to provide the transformer designers with a new reliable and simple method to calculate the leakage reactance accurately and to develop transformer properly.
Benzer Tezler
- Numerical investigation of maneuvering performance of monohull and multihull marine vessels
Tek gövdeli ve çok gövdeli deniz araçlarının manevra performansının sayısal incelenmesi
SÜLEYMAN DUMAN
Doktora
İngilizce
2022
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL
- Organik asidürilerin tanısında kapiler elektroforez temassız iletkenlik dedektörü uygulamaları: Kemometrik deney tasarımı ile metot optimizasyonu
Capillary electrophoresis with contacless conductivity detection applications for determination of organic acidurias: Method optimization using chemometric experimental design
SİRUN ÖZÇELİK
- Çok katlı diyagonalli düzlem çelik çerçevelerin göçme güvenlikleri yapı sistemlerinin hesap yöntemlerinin karşılaştırılması
Başlık çevirisi yok
HÜSEYİN UZUNER
- Preparation of electrospun coated thin film extraction devices for determination of clinically important endogenous compounds in bio-fluids
Biyo-sıvılardaki klinik öneme sahip endojen bileşiklerin tayini için elektrospun kaplı ince film özütleme cihazlarının hazırlanması
EZGİ RANA TEMEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EZEL BOYACI
- Oral çözelti hazırlamak için toz karışım içerisindeki glukoz ilgili bileşikler tayini için kırılma indisi dedektörü yöntemi ile yeni bir HPLC metodunun geliştirilmesi ve doğrulanması
Development and validation of a new HPLC method with refractive index detector method for the determination of glucose-related compounds in powder mixture for preparation of oral solution
HARUN ERGEN
