Doğru akım uyartım altında güçtransformatörlerinin yeniden boyutlandırılması
Derating of power transformers under dc excitation
Yazar: ŞEVKET CANTÜRK
Danışman: PROF. DR. MURAT ERHAN BALCI
Balıkesir Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
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.
ANAHTAR KELİMELER: Güç transformatörleri, azami yüklenme oranı, doğru akım
uyartım, jeomanyetik olarak indüklenen akımlar, elektrik-manyetik eşdeğer devre modeli,
relüktans tabanlı model.
Bilim Kod / Kodları : 90513, 90514, 90515

Abstract:
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.
KEYWORDS: Power transformers, maximum loading ratio, direct current excitation,
geomagnetically induced currents, electric-magnetic equivalent circuit model, reluctancebased model.