Transformatörlerin elektromanyetik alan ve ısıl analizlerinin sonlu elemanlar kullanılarak gerçekleştirilmesi
Realization of electromagnetic field and thermal analysis of transformers using finite elements
Yazar: YILDIRIM ÖZÜPAK
Danışman: PROF. DR. MEHMET SALİH MAMİŞ
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Güç transformatörlerinin tasarımında, transformatörün kullanılacağı sistem ve sisteme aktaracağı elektriksel güç, sistemin devamlılığı ve güvenliği açısından önemlidir. 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.
Bu tez çalışmasında transformatör benzetiminde yaygın olarak kullanılan ve Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) dayanarak çözüm gerçekleştiren ANSYS@Maxwell simülasyon programı kullanılmıştır. Bu program kullanılarak transformatörlerin çoklu fizik analizlerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda transformatörün malzeme orantıları, modelin geometrisi, her bir yüzey için ısı transfer katsayıları, ferromanyetik etkileri, manyetik malzemelerin özellikleri ve non-lineer davranışları program ortamında giriş değerleri olarak tanımlanmıştır. Manyetik alanın ve sıcaklık dağılımlarının doğru sonuçları için elektromanyetik ve ısı akış alanı denklemleri sayısal yöntemler ve analitik yöntemler kullanılarak çözümlenmiştir. 
Nüvenin en yüksek sıcaklığı, manyetik akı yoğunluğunun maksimum olduğu bölgelerde elde edilmiştir. Bu bölgelerde fazla ısının meydana geldiği ve buna bağlı olarak kayıpların çok olduğu belirlenmiştir.  Modellerin performansları analitik olarak belirlenen transformatör performansıyla ve deneysel olarak belirlenen transformatör performansıyla karşılaştırılmış ve elde edilen sonuçların literatürle çok iyi bir uyum içinde olduğu görülmüştür. Sargıların ve nüvenin optimizasyonunu sağlanmış, sargılarda oluşan elektromanyetik kuvvetler hesaplanmış, sargı ve nüvedeki ısı dağılımları belirlenmiş, elektrostatik alan dağılımları incelenmiş, yıldırım darbesi durumundaki elektrik alan dağılımı incelenmiş, sorunlu bölgeler tespit edilmiş ve farklı transformatör modellerinin değişik koşullardaki toplam kayıpları ve termal etkileri elde edilerek tasarım parametreleri belirlenmiştir. Kullanılan yöntem, prototip sayısının azaltılması, maliyetin düşürülmesi, üretim sürecinin kolaylaştırılması ve teknik performansın arttırılması gibi faydalar sağlamaktadır.

Abstract:
In the design of power transformers, the system and the electrical power that the transformer will transfer to the system are important for the continuity and safety of the system. It is necessary to know the mechanical, electrical and magnetic properties of a transformer in the production process. In order for the transformers to be designed to operate at targeted values and efficiency, it is important to model them with a reliable simulation program, to provide test criteria and to minimize the problems that may arise later.
In this thesis, ANSYS @ Maxwell simulation program, which is widely used in transformer simulation and which performs solutions based on the Finite Elements Method (FEM), was used to analyze multiple physics analysis of transformers. For this purpose, the material proportions of the transformer, geometry of the model, heat transfer coefficients for each surface, ferromagnetic effects, properties of magnetic materials and non-linear behaviors are defined as input values in the program environment. For accurate results of magnetic field and temperature distributions, electromagnetic and heat flow field equations are solved using numerical methods and analytical methods.
The highest temperature of the core is obtained in regions where the magnetic flux density is maximum. It was determined that excessive heat occurred in these regions and accordingly, there were many losses. The performances of the models were compared with the transformer performance determined analytically and available experimentally determined performance, and the results obtained were found to be in good agreement with the literature. The optimum values for the windings and cores have been calculated, the electromagnetic forces formed in the windings have been determined, the heat distribution in the winding and core has been obtained, the electrostatic field distributions have been examined, the electric field distribution in the case of lightning impulse has been examined, the problematic areas have been determined and the total losses and thermal effects of different transformer models under different conditions have been obtained. The method used provided benefits such as, reducing costs, simplifying the production process and increasing technical performance.