Doğru akım uyartım altında güç transformatörlerinin yeniden boyutlandırılması

Abstract

Bu tez çalışmasında ilk olarak, doğru akım (DA) uyartım koşullarının tek fazlı kabuk tipi nüveli ve üç fazlı beş bacaklı çekirdek tipi nüveli güç transformatörleri üzerindeki etkilerini zaman verimli ve hassas bir şekilde analiz etmek için relüktans tabanlı modeller geliştirilmiştir. Geliştirilen modellerde literatürdeki diğer relüktans tabanlı transformatör modellerinden farklı olarak sargı kayıplarının frekansa bağımlılığı dikkate alınmıştır. İkinci olarak, sonlu elemanlar yöntemi analizi ile elde edilen sonuçlar referans alınarak, geliştirilen modellerin geçerlilikleri saf sinüzoidal ve DA bileşenli gerilim durumları için doğrulanmıştır. Daha sonra, DA uyartımın dikkate alınan transformatör tipleri üzerindeki etkileri geliştirilen modeller kullanılarak analiz edilmiştir. Bu analizlerden, DA uyartımın transformatörlerde doymaya yol açabileceği ve bu doymaya bağlı olarak transformatör kayıplarının, reaktif güç talebinin ve uyartım akımı harmonik bozulmasının önemli derece artacağı görülmüştür. Bununla birlikte, DA uyartım altında transformatörlerin yeniden boyutlandırılması için anma primer akım etkin değeri, anma toplam kaybı ve anma primer sargı kaybı sınırlamalarına dayanan üç farklı azami yüklenme oranı (AYO) belirleme yöntemi karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Bu analizden, anma primer sargı kaybı tabanlı yaklaşımın, DA uyartım koşulları altında transformatörlerin aşırı ısınmadan çalışması için diğer iki yaklaşıma kıyasla daha güvenilir olduğu sonucuna varılmıştır. Son olarak, manyetik nüve malzemesi cinsi ve nüve kesit alanı boyutlandırma, tasarım seçeneklerinin DA uyartım altında AYO iyileştirmesine etkileri analiz edilmiştir.

In this thesis, firstly, to time efficiently and sensitively analyze the direct current (DC) excitation conditions' effects on single-phase shell type and three-phase five-leg core type power transformers, their reluctance-based models are developed. In the developed models, unlike other reluctance-based transformer models in the literature, the frequency-dependent nature of the winding losses has been taken into consideration. Secondly, for pure sinusoidal and DC biased voltage cases, the validity of the developed models has been verified by using the results of the finite element method as a reference. Then, the effects of DC excitation on the considered transformer types are analyzed with using the developed models. It is seen from the analysis results that DC excitation can cause saturation in transformers, and depending on the saturation, their losses, reactive power demand, and harmonic distortion of the excitation current can increase significantly. In addition, three different maximum loading ratio (MLR) determination methods, which are based on the rated primary current effective value, rated total loss, and rated primary winding loss limitations, are comparatively analyzed for the derating of transformers under the DC excitation conditions. From the analysis, it is concluded that the rated primary winding loss-based approach is more reliable than the other two approaches for transformers to operate without overheating under DC excitation conditions. Finally, under DC excitation, the effects of design choices such as magnetic core material type and core cross-sectional area sizing on the improvement of the MLR are analyzed.