Geri Dön

Transformatör çekirdeklerinde kullanılan cam elyaf takviyeli polyesterimid reçine kompozitin mekanik özelliklerinin incelenmesi

Investigation of the mechanical properties of glass fiber reinforced polyesterimide resin composites for transformer core applications

  1. Tez No: 942069
  2. Yazar: BARIŞ İŞLER
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM MEHMET PALABIYIK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Mechanical Engineering, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 72

Özet

Güç transformatörleri ve şönt reaktörler, elektrik güç sistemlerinin vazgeçilmez bileşenleri olup enerji iletim ve dağıtım şebekelerinde kritik bir rol oynamaktadırlar. Bu makineler; enerji kayıplarını en aza indirmek, gerilim düzenlemesini sağlamak ve sistem kararlılığını artırmak için gereklidir. Ancak bu elektrik makinelerinin verimli çalışması ve uzun bir hizmet ömrüne sahip olması için tasarım ve üretim süreçlerinde çeşitli faktörlerin dikkatle değerlendirilmesi gerekir. Güç transformatörleri ve şönt reaktörlerin hizmet ömrünü ve performansını etkileyen bazı değişkenler arasında, Maxwell kuvvetlerinden kaynaklanan titreşimler, akım taşıyan sargılarda etkili olan Lorentz kuvvetleri ve elektrik çeliğinde görülen manyetostriksiyon kuvvetleri yer almaktadır. Ayrıca artan elektrik enerjisi talebi nedeniyle özellikle kentsel bölgelerde yüksek kapasiteli yeni trafo merkezlerinin yerleşim yerlerine yakın konumlandırılması, titreşim ve gürültünün insan sağlığı ve konforunu olumsuz yönde etkilemesine neden olabilmektedir. Bu durum, çevrede yaşayanların rahatsız edici gürültü seviyelerine maruz kalmalarına yol açabilir. Transformatör çekirdeği üst üste yerleştirilmiş silisyum çeliği laminasyonlardan oluşmakta, bu laminasyonlar cıvatalarla sabitlenmekte ve sürekli cam elyaf takviyeli polyesterimid reçine kompozitleri (Polyglass) veya polietilen tereftalat (PET) bantlarla sıkıştırılmaktadır. Bu sayede yapısal kararlılığı sağlamak için belirli bir laminasyon basıncı elde edilmektedir. Laminasyonlar arasındaki doğrusal olmayan temas sertliği, karmaşık bir dinamik davranışa yol açmaktadır. Bu nedenle, çekirdeğin yapısal bütünlüğünü sağlayan sıkıştırma bileşenlerinin performansının anlaşılması büyük önem taşımaktadır. Günümüzde, güç transformatörleri ve şönt reaktör çekirdeklerinin titreşimi üzerine yapılan araştırmaların çoğu, malzemelerin manyetostriktif özellikleri, gürültü kaynakları, titreşim iletim yolları gibi konulara odaklanmaktadır. Ancak, çekirdek sıkıştırma bileşenlerinin laminasyon basıncına olan etkisi ve bu bileşenlerin dinamik özellikler üzerindeki etkileri hakkında özel olarak yapılmış bir çalışma bulunmamaktadır. Polyglass, özgün mekanik özellikler sunmakta olup, önemli bir çekirdek sıkıştırma elemanı olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle çalışmamız, söz konusu malzemenin etkisini kapsamlı bir şekilde incelemeyi amaçlamaktadır. Sıkıştırma elemanlarından beklenen performans kriterlerinden biri, istenilen sıkıştırma kuvvetini sürekli olarak sağlayabilmesidir. Polyglass gibi viskoelastik malzemelerde sürünme olgusu kaçınılmaz olduğundan, bu malzemenin mekanik performansı detaylı olarak incelenmelidir. Bu nedenle, Polyglass malzemesinin çekme mukavemeti, yorulma ömrü ve sürünme özellikleri, uygulama pratiğine uygun olarak araştırılmıştır. Buna ek olarak, Polyglass tarafından sağlanan laminasyon basıncının etkisini belirlemek için deneysel ve sayısal yöntemlerin bir kombinasyonu kullanılmıştır. Laminasyonlar arası doğrusal olmayan temas sertliğini değerlendirmek amacıyla bir makette deneysel modal analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen veriler daha sonra, çekirdekteki laminasyon basıncının etkisini incelemek için maketin modal analizinde kullanılmıştır. Test numuneleri, paralel cam liflerinden oluşan ve termoset tipi polyesterimid reçine ile önceden emprenye edilmiş Von Roll Polyglas® P30 B-stage bantlama bandı kullanılarak EN 2747 standardına uygun olarak hazırlanmıştır. Aynı zamanda uygulama pratiklerine uygun olması açısından standart dışı numunelerle de sürünme testleri yapılmıştır. Testler için hangi sıcaklığın üstüne çıkmamız gerektiğini tespit etmek amacıyla Polyglas®'ın camsı geçiş sıcaklığı (Tg) diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizi ile bulunmuştur. Bulunan sıcaklık, polyesterimid esaslı termoset reçinelerin tipik camsı geçiş sıcaklığı aralığında yer almakta olup, malzemenin yüksek sıcaklıklara mukavim olduğunu göstermiştir. Tg'nin altında malzeme elastik malzeme özelliklerini sergilerken, Tg'nin üzerinde malzemenin viskoz komponenti etkin hale gelmeye başlayıp malzemenin mekanik özelliklerinde azalma olacağı bilinmektedir. Çekme testleri 23°C ve 120°C sıcaklıklarda uygulanmıştır. Testler karşılaştırıldığında, sıcaklık arttıkça mekanik özelliklerin zayıfladığı açıkça görülmüştür. Malzeme rijit cam elyaf takviyeli olduğu için beklenildiği gibi gevrek kırılma görülmüştür. Elastisite modülü yüksek olup, numunelerin daha az uzadığı tespit edilmiştir. Bu durum, malzemenin mekanik yükler altında formunu koruyabildiğini ve rijitliğini kaybetmediğini göstermektedir.Özellikle çekme mukavemeti ve elastisite modülündeki kayıplar, yüksek sıcaklıkların malzeme iç yapısını bozduğunu ve mekanik stabiliteyi azalttığını ortaya koymuştur. Sürünme testlerinde standart ve standart dışı numuneler kullanılarak yer değiştirme sabit tutulmuş,bir saat boyunca oda sıcaklığında bekletilmiştir. Daha sonra test kabininin sıcaklığı 120°C'ye yükseltilmiş bu koşul altında sıcaklığın etkisiyle kuvvetin zamana bağlı değişimi gözlemlenmiştir. Her iki numune tipinde de kuvvet düşüşleri benzer şekillerde gözlemlenmiş olup, standart dışı numunelerin de standart numunelere yakın sonuçlar verdiği tespit edilmiştir. Bu durum, saha uygulamalarına yönelik testlerin güvenilirliğini desteklemekte ve pratik çözümler açısından önem taşımaktadır. Daha sonra EN 2747 standardına uygun numuneler kullanılarak kuvvet sabit tutulup uzama miktarı ölçülmüştür. Sıcaklık artışıyla birlikte malzeme içinde meydana gelen yapısal rahatlama, sabit yük altında belirgin bir uzamaya yol açmıştır. Yorulma testleri 23 °C sıcaklık ve %50 bağıl nem koşullarında gerçekleştirilmiştir. Yapılan testler sonucunda malzemenin 23°C'de yüksek yorulma ömrüne sahip olduğu tespit edilmiştir. Maksimum gerilme ve sıcaklık arttıkça numunelerin kırılmaya kadar dayanabildiği çevrim sayısının azaldığı, düşük gerilme seviyelerinde ise yorulma ömrünün uzadığı gözlemlenmiştir. Sonuçlar, çekme deneyi sonuçlarıyla birlikte değerlendirildiğinde uygulama pratiklerine göre 200 MPa mertebelerinde yüklenen Polyglas® transformatör ve şönt reaktörlerde uygulamalarında, 23°C'de tekrarlı yüklemelere karşı yeterli yorulma ömrü sunduğunu göstermiştir. Modal analizinde ise, 150 mm yükseklik, 358 mm genişlik ve 2000 mm uzunlukta model oluşturulup içerisie silikon çelik laminasyonlar 0.3 mm kalınlığında sıralanmıştır. Laminasyonlar, manyetik olmayan çelik kirişler ve cam elyaf yalıtım malzemeleri arasında, Polyglass kullanılarak sabitlenmiştir. Prototip üzerinde test edilen en yüksek basınç olarak 1 MPa'ya ulaşmak için 12 fiberglas bant kullanılmıştır. Ardından farklı laminasyon basınçlarının etkisini değerlendirmek amacıyla bantlar kademeli olarak kesilerek basınç azaltılmıştır. Her bant, ikisi paralel olmak üzere 5 tur Polyglas® kullanılarak hazırlanmıştır ve bu nedenle her bantta toplamda 10 katman bulunmaktadır. Özel bir pnömatik germe aleti kullanılarak her banda 1 MPa laminasyon basıncına ulaşacak şekilde 25 kN kuvvet uygulanmıştır. Prototip, 30 Hz ile 1000 Hz aralığında sinüs taramalı uyarım sağlayan bir modal sarsıcı ile 45° açıyla titreşime tabi tutulmuştur. Otuz adet üç eksenli ivmeölçer kullanılarak yapısal tepkiler kaydedilmiştir. Ana titreşim modları için iki farklı davranış gözlemlenmiştir. Burulma modları 1 ve 2 ile yatay (X) yönündeki eğilme modları 1 ve 2 için belirgin bir eğilim gözlenmiştir. Çekirdek laminasyon basıncı azaldıkça modal frekanslar da azalmaktadır. Bu modlar için, laminasyonlar arası sürtünmenin dinamik davranışta önemli bir rol oynadığı sonucuna varılmıştır. Dikey (Z) yöndeki ilk eğilme modunda ise laminasyon basıncına bağlı herhangi bir değişim kaydedilmemiştir. Bu durum, ilk eğilme modunun laminasyonlar arasındaki sürtünmeden etkilenmediğini ve yalnızca kütle ve elastik özellikler tarafından belirlenen homojen bir titreşim sistemi gibi davrandığını göstermiştir. Yapılan çalışmalar, Polyglas® malzemenin transformatör ve şönt reaktörlerde kullanımının genel anlamda uygun olduğunu ortaya koymaktadır. Bununla birlikte, malzemenin yüksek sıcaklıklardaki sürünme ve mekanik gevşeme davranışı, bant sayısı gibi konularda dikkatli bir tasarım süreci gerektiğini göstermektedir. Özellikle laminasyonların basıncı uygulayan Polyglas® malzemenin kürlenmesinin ardından ek bir sıkma işlemi uygulanması önem taşımaktadır. Zaman içinde sürünme etkisiyle laminasyon basıncının azalması, çekirdek yapısının gevşemesine neden olabilmektedir. Bu nedenle, üretici firmaların üretim aşamasında sonradan sıkma işlemini prosedürlerine eklemesi tavsiye edilmektedir. Bu parametrelerin detaylı bir şekilde incelenmesi, sistemin yüksek sıcaklık ve titreşim gibi zorlu koşullara daha dayanıklı hale getirilmesi açısından önemli bir araştırma alanı olarak öne çıkmaktadır.

Özet (Çeviri)

Power transformers and shunt reactors are indispensable components of electrical power system, playing a critical role in energy transmission and distribution networks. They are essential for minimizing energy losses, ensuring voltage regulation, and enhancing system stability. However, for these electrical machines to operate efficiently and have a long service life, several factors must be carefully considered during their design and manufacturing process. Some of the variables influencing the service life and performance of power transformers and shunt reactors include vibrations caused by Maxwell forces, Lorentz forces acting on current-carrying windings, and magnetostriction forces in electrical steel. Additionally, the vibration and noise adversely affect human health and comfort, resulting from the increasing demand for electrical power, particularly in urban regions, has necessitated new high-capacity substations nearby to residential areas. This may lead to neighboring inhabitants experiencing uncomfortable noise levels. Due to the increasing demand for energy, the use of renewable energy sources such as solar and wind power has led to a rise in the number of offshore platforms operating under harsh environmental conditions. Transformers and shunt reactors used on offshore platforms are exposed to significantly more severe environmental conditions compared to their onshore counterparts. One of the most prominent characteristics of these environments is the substantial increase in corrosion risk due to high humidity and salty air. Salt-laden moisture from the sea can cause corrosion on the outer surfaces and connection elements of the transformer and shunt reactor, leading to the weakening of mechanical structures and deterioration of insulation systems. In addition, temperature fluctuations between day and night are considerably high in offshore environments. These temperature changes can affect the performance of the transformers and shunt reactors. Sudden load fluctuations are also common on offshore platforms. Rapidly changing electrical loads can cause the transformer to heat up or cool down, leading to adverse effects such as thermal expansion and loss of mechanical strength, which may result in failures. All these conditions necessitate that the cooling systems, insulation materials, and mechanical fastening components of transformers be specially optimized for offshore applications. Environmental challenges on offshore platforms are not limited to electrical risks; mechanical vibrations also pose a significant threat. Waves, wind forces, and operational movements on the platform cause continuous and irregular mechanical vibrations. These vibrations have particularly adverse effects on the magnetic core structures of transformers and shunt reactors. Moreover, due to space and weight limitations on offshore platforms, transformers are expected to feature compact and lightweight designs. For these reasons, the design of offshore transformers must include the use of corrosion-resistant lightweight materials, enhanced resistance to vibration, mitigation of thermal effects, and ease of maintenance. All these precautions are critically important for developing long-lasting and reliable transformer solutions for offshore platforms. The core, consisting of yokes, main limbs and vertical return flux limbs significantly influences the dynamic performance of power transformers and shunt reactors. The core is made of stacked silicon steel laminations, secured and tightened with bolts, together with continuous glass fiber reinforced polyesterimide resin composites (Polyglass) or polyethylene terephthalate (PET) bands to attain a specific lamination pressure to ensure its structural stability. Non-linear contact rigidity between laminations leads to complex dynamic behavior. Thus, it is important to understand the clamping performance of the components which ensure the structural integrity of the core. Currently, the majority of research on power transformers and shunt reactors core vibration mostly concentrates on the magnetostrictive properties of materials, noise sources, vibration transfer paths etc. No specific investigations have been published on the evaluation of clamping components performance on lamination pressure and the influence of them on dynamic properties of power transformers and shunt reactors. Polyglass offer distinctive mechanical properties and used as an important core clamping component. Therefore, this study is extensively focus on to examine its influence. One of the performance criteria expected from clamping elements is to be able to provide the desired clamping force continuously. Since the creep phenomenon is unavoidable in viscoelastic materials such as Polyglass, the creep performance of this material should be examined. Therefore, the creep properties of the Polyglass material were examined in accordance with the application practice. Moreover, a combination of experimental and numerical methodology was employed to determine the influence of lamination pressure, which was ensured by Polyglass. Experimental Modal Analysis (EMA) was conducted on a yoke mock-up to evaluate the non-linear contact stiffness between laminations. The data were subsequently employed in the modal analysis of the mock-up to examine the impact of core lamination pressure. Test specimens were prepared in accordance with the EN 2747 standard using Von Roll Polyglas® P30 B-stage tape, comprising continuous parallel glass fibers pre-impregnated with a thermoset-type polyesterimide resin. In addition, non-standard specimens were employed for creep tests to better reflect practical application scenarios. To determine the temperature threshold for testing, the glass transition temperature (Tg) of Polyglas® was identified through differential scanning calorimetry (DSC) analysis. The obtained temperature falls within the typical glass transition range of polyesterimide-based thermoset resins, indicating the material's resistance to high temperatures. Below the Tg, the material exhibits elastic properties, whereas above the Tg, the viscous component becomes active, leading to a reduction in mechanical properties. Tensile tests were conducted at ambient temperature (23 °C) and elevated temperature (120 °C). The results clearly demonstrated a degradation in mechanical properties with increasing temperature. Since the material is reinforced with rigid glass fibers, brittle fracture was observed, as expected. The elastic modulus was high, and the specimens exhibited minimal elongation, demonstrating that the material retains its shape and rigidity under mechanical loads. However, the losses in tensile strength and elastic modulus indicated that high temperatures degrade the internal structure and reduce mechanical stability. In creep tests, both standard and non-standard specimens were used while maintaining a constant displacement. They were kept at room temperature for one hour before raising the test chamber temperature to 120°C to observe the time-dependent force variation under thermal influence. Both specimen types exhibited similar force decay patterns, with non-standard specimens yielding results close to those of standard ones. This finding supports the reliability of field application tests and holds significance for practical solutions. Subsequently, specimens compliant with the EN 2747 standard were tested under constant force while measuring elongation. The structural relaxation within the material due to temperature increase led to noticeable elongation under sustained load. Fatigue tests were performed at 23°C and 50% relative humidity. The results indicated that the material possesses a high fatigue life at 23°C. As maximum stress and temperature increased, the number of cycles to failure decreased, whereas at lower stress levels, fatigue life extended. When evaluated alongside tensile test results, the findings demonstrated that Polyglas® when loaded at around 200 MPa in transformer and shunt reactor applications provides sufficient fatigue life under repeated loading at 23°C. The magnetic core is composed of hundreds of silicon steel laminations. The force bonds between these laminations make the core's behavior significantly more complex compared to a homogeneous material with isotropic and linear properties. In development studies on transformers or shunt reactors, accurately modeling the core is crucial. For this purpose, a finite element model of the tested mock-up was developed to replicate the experimentally observed modal behavior. Given that modeling each silicon steel lamination and other components individually in the finite element model would impose excessive computational demands, the structure was simplified. In the initial simulation attempt, the silicon steel laminations were treated as a homogeneous material. However, a discrepancy emerged when comparing the modes obtained from Experimental Modal Analysis with those predicted by the finite element model. The primary challenge lay in accurately representing the contact and friction effects between each lamination. To address this, the model was further simplified. The final finite element model incorporated twenty layers, one with standard steel properties and another simulating the interlamination friction effects. In the modal analysis, a model with dimensions of 150 mm in height, 358 mm in width, and 2000 mm in length was constructed, incorporating 0.3 mm-thick silicon steel laminations stacked inside, which were secured between non-magnetic steel beams and glass fiber insulation materials using Polyglas®. To achieve the maximum tested pressure of 1 MPa on the mock-up, 12 fiberglass straps were used, each prepared with five wraps of Polyglas® (two parallel layers per wrap, totaling 10 layers per strap), and a specialized pneumatic tensioning tool applied 25 kN of force per strap to reach the target pressure. The pressure was then gradually reduced by cutting the straps to assess the effects of varying lamination pressures. The prototype was subjected to vibration at a 45° angle using a modal shaker providing sinusoidal excitation between 30 Hz and 1000 Hz, while structural responses were recorded using thirty triaxial accelerometers. Two distinct behaviors were observed for the fundamental vibration modes. A clear trend was identified in torsion modes 1 and 2, as well as in the horizontal (X) bending modes 1 and 2. As the core lamination pressure decreased, the modal frequencies of these modes also decreased. For these modes, it was concluded that interlamination friction plays a significant role in the dynamic behavior. However, no pressure-dependent variation was recorded for the first vertical (Z) bending mode. This indicates that the first bending mode is not influenced by friction between laminations and behaves like a homogeneous vibration system determined solely by mass and elastic properties. Overall, the findings confirm that Polyglas® is generally suitable for use in transformer and shunt reactor applications. However, the material's creep and mechanical relaxation behavior at high temperatures, as well as factors such as the number of straps, indicate the need for a careful design process. In particular, it is essential to apply an additional mechanical tightening step following the curing process of the Polyglas® material to maintain sufficient lamination pressure over time. Creep-induced pressure loss may lead to structural loosening within the core. Therefore, it is recommended that manufacturers incorporate post-curing tightening procedures into their production protocols. Detailed investigation of these parameters is vital for enhancing the reliability and durability of transformer cores under high-temperature and vibrational operating conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    759996

    Derin öğrenme ile cerrahi video anlama

    Surgical video understanding with deep learning

    ABDISHAKOUR ABDILLAHI AWALE ABDISHAKOUR ABDILLAHI AWALE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGazi Üniversitesi

    Bilişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DUYGU SARIKAYA

  2. Tez No

    202250

    Transformatör çekirdeklerinde kullanılan elektrik çelikleri ve amorf şeritlerin uç uca gelen birleşim yerlerindeki manyetik akı dağılımının deneysel ve kuramsal incelenmesi

    Theoretical and experimental investigation of magnetic flux density distribution at joints of stacked electrical steels and amorphous ribbons used transformer cores

    SEZER ERDEM

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NAİM DEREBAŞI

  3. Tez No

    455516

    Transformatör çekirdeklerinde geometrik yapıya bağlı manyetik akı dağılımı ve enerji verimine etkisi

    Effect to the energy efficiency and magnetic flux density distribution on geometrical structure in transformer cores

    TAYLAN GÜNEŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Fizik ve Fizik MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Katıhal Fiziği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NAİM DEREBAŞI

  4. Tez No

    75302

    Güç transformatörlerinin optimum tasarımına yönelik çalışmaların incelenmesi

    Başlık çevirisi yok

    LEVENT CAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURDAN GÜZELBEYOĞLU

  5. Tez No

    97631

    Çekirdeği amorphous alaşımlı transformatörlerle çekirdeği silisyum saclı transformatörlerin karşılaştırılması

    The Comparison of transformers with amorphous metal alloy core and those with silicon metal sheet core

    FUAT BÜYÜKTÜMTÜRK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2000

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Elektrik Eğitimi Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. FEVZİ KENTLİ

Geri Dön