Üç fazlı transformatörlerin harmonik analizi için modelleme, bilgisayar simülasyonu ve bir algoritma oluşturulması
Modelling, computer simulation and constituting an algorithm for harmonic analyses of three phase transformers
Yazar: MEHMET ZİLE
Danışman: PROF. DR. ASIM KASAPOĞLU
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2003
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
ÖZET Tezin birinci bölümünde konunun genel bir tanıtımı yapılarak barmoniklerin önlenmesi için öneriler sunulmuş ve bu konu hakkında daha önce yapılan çalışmalar sunulmuştur. İkinci bölümde, doğrusal olmayan elemanların harmonik domeninde direk olarak nasıl gösterileceği anlatılmıştır. Doğrusal olmayan elemanları direk harmonik Sekans domeninde göstermek için genel bir yöntem tanımlanmış ve transformatör modelleme metoduna uygulanmıştır. Üçüncü bölümde, üç faz transformatörlerin farklı bağlantı şekillerinde üç faz modelleri ve simetrik bileşen eşdeğer devreleri elde edilmiştir. Transformatör bağlantı şekilleri tek faz, açık üçgen, yıldız-üçgen, skot, blank ve değişik-köprü bağlantılardan oluşmuştur. Üç faz modeli dengesiz sistemi bütünüyle analiz etmek için, üç faz yük akış programlan ile birlikte oluşturulmuştur. Farklı bağlantı şekillerinde dengesizlik karşılaştırması yapmak için, üç faz yük akış programı ile yapılan bilgisayar simülasyonu çok etkili ve oldukça iyi bir yöntem olmuştur. Dördüncü bölümde, modelleri geçerli kılmak için farklı güçlerdeki transformatör ünitelerinde kısa devre ve boşta çalışma deneyleri, duyarlılık ve alan testleri yapılmıştır. Geliştirilen bilgisayar simülasyonlanndan ve ölçümlerden elde edilen sonuçlar karşılaştınlmıştır. Sargıların ve nüvenin doğrusal olmayan etkilerine bağlı olan frekans incelenmiştir. Beşinci bölümde, üç faz transformatörlerin doyma karakteristiklerin analizi yapılmıştır. Yığılma akımının incelenmesi için bir model laboratuarda geliştirilmiştir. Yığılma akımını inceleyerek, nümerik simülasyon yapmak için birçok yöntem geliştirilmiştir. Yığılma akımlarının detaylı olarak bilinmesi bu çalışma vasıtasıyla gerçekleşmiştir. Farklı üç faz yapılan ve farklı sargı bağlantı içeren üç fazlı trafolar farklı işletme şartlan, anahtar kapama açılan ve güç faktörleri göz önüne alınarak incelenmiştir. Yükler ve güç faktörleri artırarak ana harmoniklerin önlenilebileceği sonucu çıkarılmıştır. Bu geliştirilen yöntem ile hazırlama zamanı ve alan testleri azaltılabilir. Altıncı bölümde, üç faz transformatörlerin farklı bağlantı şekillerinde harmonik analizi için laboratuar deneyleri yapılmıştır. Bu deneyler genel olarak iki kısımdan oluşmuştur. Birinci kısımda, histerisiz eğrisini ve uyarma akımının sinüzoidal olmayan dalga şeklini analiz ederek, tek faz transformatör nüvesinin doğrusal olmadığı ispatlanmıştır. İkinci kısımda ise, farklı üç faz transformatör akımı ve karşılıklı akı dalga şekilleri üzerinde farklı üç faz transformatör bağlantılarının etkileri incelenmiştir. Yedinci bölümde, üç faz transformatör guruplarının manyetik doyma ile birlikte harmonik analizi gerekli algoritmalar kullanılarak geliştirilen bir bilgisayar simülasyonu ile yapılmıştır. Simülasyon sonuçlarının çok başarılı olduğu görülmüştür. Sekizinci bölümde, geliştirilen algoritmalar ve modellemeler ile bilgisayar simülasyonları oluşturulmuştur. Doymalı transformatör simülasyonu, üç faz sıralı analizör simülasyonu fourier analizör simülasyonu, iki sargılı üç fazlı transformatör simülasyonu, üç sargılı üç faz transformatör simülasyonu, zig-zag faz kaymalı üç faz transformatör simülasyonu oluşturulmuştur. Farklı bağlantı şekillerinde simülasyon sonuçlan ekle edilmiştir. Microsoft programlarım ve Microsoft Visual C++ dilini kullanarak windows ortamında bir yazılım geliştirilmiştir. Bu uygulamada hem nümerik hem de grafik veriler gösterilmiştir. Microsoft Visual C++ dilinin gelişmiş özelliklerini kullanarak geliştirilen bu programla güç sistemlerindeki harmonikler en iyi bir şekilde anlaşılması ve harmonik dalga şekillerinin gösterilmesi sağlanmıştır. Farklı verilerde ve farklı çalışma durumlarında iyi sonuçlar elde edilmiştir. Anahtar kelimeler Harmonikler, üç faz transformatör, doyma. xııı

Abstract:
ABSTRACT Harmonic phenomena in three phase transformers are quite important. It is because under certain conditions, the exciting current harmonics may cause inadvertent operation of the protective equipment and may also cause interface with communication circuits. The study is to discuss the harmonics in three phase transformers. For the harmonic analysis of power systems, it is essential to have all compenents represented in the harmonic frequency domain. This study shows how nonlinear elements can be directly represented in the harmonic domain by using a convolution equivalent to time domain multiplications. The procedure is then applieed to power transformers. The three-phase models with the specially connected transformers offered in this study distinctly represent the feeding system by means of the physical three-phase circuirt and the symetrical-compenent equivalent circuit. The three- phase model could be joined to three-phase load flow program to exactly analyse the system imbalance in the future. Transformer models for harmonic studies based on rated parameters are presented. Results from simulations and measurements on transformers are compared. Sensitivity studies are carried out to show how to total harmonic distortion of current and voltage behaves as parameters of the change. A variety of operating conditions simulated on a computer were used to test the algorithm. The results of the tests show that the algorithm performs well. Measurements of transient inrush currents in three-phase transformers offer important data for power system operation and protection. Because three-phase transformers are more widely used in industrial applications than single-phase transformers, the inrush current of the for three-phase transformer is worthy of investigation This study proposes a simple method, extended from that for three-phase transformer inrush currents. Harmonic analysis of the inrush currents is carried out. Various structures of three-phase transformers, including winding connections and loading conditions, are discussed. The simulation results are compared with experimental results. The proposed method is simple and effective for transformer banks and five-limb transformer. The harmonic analysis of inrush currents is useful for protective relay design. This study outlines an improved lecture or experiment that quantitatively analyses the wave forms of various transformer connectings under steady-state no-load conditions while taking into account the nonideal voltage supply. The experimental data obtained with the aid of a harmonic analyser are then compared to the quantitative predictions and the discrepancies are discussed. New iterative procedures using fourier transform algorithms are proposed for the harmonic studies of three-phase transformer banks with various connections under steady-state operating conditions produce different harmonic distortions, which are deliberately analysed and compared in this thesis. Good convergence is achieved for each iterative procedure of the corresponding transformer connection and the resulting current waveform and its spectrum are presented. An application program is advanced using Microsoft Visual C++ for harmonic analyses in this thesis. Simulation results proves the program's accuracy. Keywords: Harmonic analysis, three-phase transformers, saturation xiv