Güç transformatörlerinin modellenmesi ve elektromanyetik alan analizlerinin gerçekleştirilmesi
Modeling of power transformers and realisation of electromagnetic field analysis
Yazar: İBRAHİM HALİL TEKE
Danışman: PROF. DR. MEHMET SALİH MAMİŞ
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Enerji iletim ve dağıtım sistemlerin en önemli elemanlarından biri olan transformatörler yüksek maliyet ve uzun zaman alan çalışmalar neticesinde üretilebilmektedir. Üretim sürecindeki bir transformatörün mekaniksel, elektriksel ve manyetiksel özelliklerinin bilinmesi gereklidir. Tasarımı yapılacak transformatörlerin hedeflenen değerlerde ve verimlilikte çalışabilmesi için güvenilir bir simulasyon programı ile modellenmesi, test kriterlerinin sağlanması, sonradan ortaya çıkabilecek problemlerin en aza indirgenmesi açısından önemlidir. Gelişen bilgisayar teknikleri sayesinde bir simulasyon programı aracılığıyla tasarım hataları belirlenerek bunların düzeltilmesi mümkün olabilmektedir.
     Bu tez çalışmasında transformatör benzetiminde oldukça yaygın olarak kullanılan ANSYS Maxwell 2D ve 3D paket yazılımı kullanılmıştır. ANSYS Maxwell programı kullanılarak transformatörün bobin ve nüvesindeki manyetik alan yoğunluğu, manyetik alan şiddeti, manyetik akı çizgileri, akım yoğunluğu değerleri ve vektörel dağılımının, transformatör kayıplarının incelenmesi amaçlanmıştır. Biri tek fazlı 90 VA, diğeri üç fazlı 15 MVA güç transformatörü olmak üzere iki farklı tip tranformatör ele alınmıştır. ANSYS Maxwell programının Sonlu Elemanlar Yönteminden faydalanılarak tasarımlarda ayarlanan süre için transformatörlerin, 2D ve 3D modellerine ait akım, gerilim, manyetik alan değerleri, akım yoğunlukları, kayıplar ve B-H eğrileri simulasyonlar ile incelenmiştir.
     Tek fazlı 90 VA transformatörün etiket bilgileri göz önünde bulundurularak elektriksel ve fiziksel değerleri laboratuar ortamında deneysel çalışmalarla ölçülmüş,  bu ölçümlerden yola çıkılarak gerekli parametreler ve değerler hesaplanmıştır. Teorik olarak hesaplanan değerler, deneysel çalışma sonuçları ve ANSYS Maxwell programıyla hesaplanan değerler için karşılaştırma yapılmıştır. Deneysel çalışma sonuçlarının ve programda oluşturulan modele ait sonuçların birbirini teyit ettiği görülmüştür. Üç fazlı 15 MVA transformatör için ise tasarım öncesi değerler kullanılarak program aracılığıyla transformatörün elektromanyetik alan dağılımı nüvede ve sargılarda incelenmiştir. Transformatör modelinde nüve malzemesi olarak, program kütüphanesinde bulunan M530-50A seçilmiştir. Nüve etrafında uygun sargı yapısının kullanılmasıyla transformatörün nüve ve bakır kayıplarının bir miktar daha düşük olabileceği yapılan çalışmalar ile görülmüştür.

ANAHTAR KELİMELER: Güç transformatörü, sonlu elemanlar yöntemi, elektromanyetik analiz,   transformatör kayıpları

Abstract:
Transformer, which is one of the most important elements of energy transmission and distribution systems, is manufactured as a result of high cost and long studies. The mechanical, electrical and magnetic properties of a transformer need to be known before the manufacturing process. To satisfythe test criteria and to minimize the problems that may arise after the manufacturingand in operation it is important to model transformers with a reliable simulation program. By means of developing simulation techniques, design defects can be determined through a simulation program at the beginning, whichmakesthe necessary revisions possible.
     In this thesis, to investigate the magnetic field density, magnetic field intensity, magnetic flux lines, current density, vector distribution and losses in the coil and core of the transformerANSYS Maxwell 2D and 3D packages,which are widely used in transformer simulationwere used. Two different types of transformers were considered; one of them was single-phase 90 VA low powertransformer and the other was three-phase 15 MVA power transformer. Current, voltage, magnetic field values, current densities, losses and B-H curves of these transformers were investigated by using the Finite Element simulations of ANSYS Maxwell 2D and 3D models.
     Electrical and physical properties of the single-phase low power 90 VA transformer were taken into consideration in the laboratory environment and the necessary parameters were calculated by carriying out the measurements. The values which were derived by simple theoretically calculations, experimental measurements results and the ANSYS Maxwell program simulationresults were compared. Theresults of the model formed in the programwere verified by the laboratory tests. For three-phase 15 MVA transformer, the electromagnetic field distribution and losses in the cores and windings of the transformer were investigated by using the pre-design values. In the transformer model, M530-50A material was selected from the simulation program libraryas the core material. It wasshown that it was possible to decrease the core and copper losses by using the appropriate winding structure.

KEYWORDS: Power transformers, finite elements method, electromagnetic analysis, transformer losses.