Nonlineer yük besleyen tek fazlı bir transformatörün doyma etkisi dikkate alınarak modellenmesi ve analizi
Modeling and analysis of a non-linear loaded single-phase transformerconsidering the saturation effect
Yazar: ŞİLAN ÇALIŞKAN
Danışman: PROF. HÜSEYİN ALTUN
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Sürekli artan dünya nüfusu ve gelişmekte olan endüstri enerji talebini ya da tüketimini muazzam şekilde arttırmaktadır. Doğaya zarar vermeyen temiz enerjinin üretilmesi ve iletilmesinin önemi gün geçtikçe artmaktadır. Günümüzde tüketilen enerjinin çoğu güç santrallerinde üretilmektedir. Üretilen bu enerji genel olarak alternatif akım olarak iletilir. İletim hattı boyunca gerilim seviyesini değiştirmek için güç transformatörleri kullanılır.  Bundan dolayı güç transformatörlerinin tasarımı, üretimi, korunması, bakımı ve modellenmesi önemlidir ve sürekli araştırılması ve geliştirilmesi gereken bir alandır.
Transformatörlerin nonlineer olma durumu; çekirdekteki doyma, histerezis ve girdap akımlarından kaynaklanmaktadır. Bu etkiler yüksüz durumda uyarma akımı dalga biçimini bozar ve transformatörün geçici durum davranışı üzerinde önemli bir rol oynarlar. Bu nedenle, transformatörün modellenmesinde histerezis döngüsünün hesaba katılması, çekirdeğin doğrusal olmama durumunun etkilerini anlamak için çok gereklidir
Modern elektrik dağıtım sistemlerinde güç kaynakları, doğrultucu devreleri, elektrikli ev aletleri, ayarlanabilir hız sürücüleri gibi nonlineer yüklerin kullanımı artış eğilimindedir. Bu nonlineer yükler şebekeden sinüzoidal olmayan akımlar çekerken aynı zamanda gerilim ve akım dalga şeklinde harmonik adı verilen bozulmalara yol açar. Enerji hatlarında harmoniklerin varlığı; düşük güç faktörüne, düşük verimliliğe, dağıtım sisteminde güç kayıplarının artmasına ve girişim sorunlarına neden olur. Doğrusal olmayan yükün artışı aynı zamanda toplam harmonik bozunumun artmasına neden olur ve dolayısıyla transformatör üzerindeki yüklenmeyi de arttırır. 
Bu çalışmada transformatörün hizterezis ve doyum etkilerini içeren transformatör modeli oluşturulmuştur. Transformatörün modelleme sürecinde histerezis döngüsünün hesaba katılması, doyum etkisi, harmonik etkiler ve ani akımların etkilerini içerecek şekilde analiz yapmak için ters Jiles-Atherton histerezis modeli kullanılarak Matlab/Simulink benzetimi gerçekleştirilmiştir. Primer geriliminin farklı enerjilendirme açılarına göre oluşturulan transformatör modeli yüksüz çalıştırılarak enerjilendirme akımının değişimi ve doyum etkileri incelenmiştir. Doğrusal olmayan yük koşullarının transformatör üzerindeki etkileri oluşturulan modele tek fazlı kontrollü doğrultucu eklenerek farklı tetikleme açıları için analiz edilmiştir. Farklı yük durumları için transformatörün giriş çıkış büyüklüklerine ait harmonik analiz ve toplam harmonik bozunum değişimleri detaylı olarak verilmiştir.

Abstract:
The ever-increasing world population and developing industry increase energy demand or consumption tremendously. The importance of producing and transmitting clean energy that does not harm nature is increasing day by day. Most of the energy consumed today is produced in power plants. This generated energy is generally transmitted as alternating current. Power transformers are used to change the voltage level along the transmission line. Therefore, the design, production, protection, maintenance and modeling of power transformers is important and is an area that needs constant research and development.
Nonlinearity of transformers; It is caused by saturation, hysteresis and eddy currents in the core. These effects distort the excitation current waveform at no load and play an important role on the transient behavior of the transformer. Therefore, taking into account the hysteresis loop in modeling the transformer is very necessary to understand the effects of core nonlinearity
In modern electrical distribution systems, the use of nonlinear loads such as power supplies, rectifier circuits, electrical appliances, adjustable speed drives is on the rise. While these nonlinear loads draw non-sinusoidal currents from the network, they also cause distortions in the voltage and current waveforms called harmonics. The presence of harmonics in power lines causes low power factor, low efficiency, increased power losses in the distribution system and interference problems. The increase in nonlinear load also causes the total harmonic distortion to increase and therefore increases the loading on the transformer.
In this study, a transformer model that includes the hysteresis and saturation effects of the transformer was created. Matlab/Simulink simulation was carried out using the inverse Jiles-Atherton hysteresis model to take into account the hysteresis loop in the modeling process of the transformer and to analyze it, including the saturation effect, harmonic effects and the effects of inrush currents. The transformer model, which was created according to different energization angles of the primary voltage, was operated without load and the change of energization current and saturation effects were examined. The effects of non-linear load conditions on the transformer were analyzed for different trigger angles by adding a single-phase controlled rectifier to the created model. Harmonic analysis and total harmonic distortion changes of the input and output quantities of the transformer for different load situations are given in detail.