Güç transformatörünün sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak 2 ve 3 boyutlu tasarımı ve kayıp analizi
2 and 3 dimensional design and lost analysis using the finite element medhods for power transformers
Yazar: MEHMET ÇEÇEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLAL GÜMÜŞ
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Dünyada artan nüfus ve sanayileşmeden dolayı ihtiyaç duyulan elektrik enerjisinin iletimi konusu önemini giderek arttırmaktadır. İhtiyaç duyulan bu enerjinin en büyük avantajı üretildiği yerden çok uzak bölgelere kolayca taşınabilmesidir. Bu taşımanın verimli bir şekilde yapılabilmesi için gerilimin yeteri kadar yüksek olması gerekir. Gerilim yükseltilmesi ise transformatör yardımı ile gerçekleştirilir. Güç transformatörlerinde yapılacak küçük bir iyileştirme büyük öneme sahiptir. Güç transformatörlerinden daha yüksek verim elde etmek için süregelen çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalar transformatörün nüve ve sargılarının tipi, nüvenin geometrik yapısı, sargıların sarım yöntemleri olarak sıralanabilir.
Sonlu elemanlar yöntemi geometrisi karmaşık şekillerin incelenmesine olanak sağlayan sayısal bir yöntemdir. Çözüm bölgesi alt bölgelere ayrılabilir ve gerektiğinde bazı alt bölgelere daha hassas çözümler yapılabilir. Bu çalışmada sonlu elemanlar metoduyla analiz yapan Ansys Maxwell paket programı kullanarak etiket bilgileri verilen kademeli güç transformatörünün 2 boyutlu (2B) ve 3 boyutlu (3B) tasarımı ve benzetimi yapılmıştır.  Analiz sonucunda birincil ve ikincil sargılarında indüklenen gerilim, kademe sargılarında indüklenen gerilim, birincil ve ikincil sargıların faz akımları, boşta demir kaybı, tam yükte bakır kaybı, sargıları etkiyen kuvvetler ve nüvede akı dağılımı elde edilmiştir. Analiz edilen transformatörün 2B ve 3B demir ve bakır ortalama kayıp değeri, etiket bilgileri verilen güç transformatörünün demir ve bakır kaybı değerleriyle karşılaştırılmıştır. 3B'li analiz sonucunda elde edilen kayıplar gerçek transformatörün kayıp değerlerine daha yakın olduğu tespit edilmiştir. Güç transformatörünün nüvesi üzerinde akı dağılımı incelenerek hangi bölgelerde anlık kayıpların yoğun olduğu görsel olarak belirlenmiştir. 2B ve 3B benzetiminde elde edilen analiz sonuçları karşılaştırılmış ve 3B analizinde elde edilen sonuçların daha doğru olduğu tespit edilmiştir.  3B benzetiminin analiz değerleri ile gerçek transformatörün etiket bilgileri arasındaki farkın sebepleri incelenmiştir. Bu farklılığın sebepleri arasında imal edilen transformatörlerde malzemelerin ideal özelliklerinden farklı olması, simülasyon süresi ve imalat hataları sayılabilir. Transformatörün tam yükte boşta çalışmaya göre, birincil ve ikincil sargıları etkiyen kuvvetin daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
Increasing population and industrialization in the world are increasing the importance of electric energy transmission. The greatest advantage of this energy source is that it can be easily transported to areas far from where it is produced. In order for this to be carried out efficiently, the voltage must be as high as possible. The voltage increase can be done with the aid of a transformer. A small improvement to the power transformers has a big precaution. Various studies are continuously carried out to obtain higher efficiency than power transformers. These studies can be classified as type of core and coil of transformer, geometrical structure of resonance, winding methods of windings.
The finite element method geometry is a numerical method that allows the study of complex shapes. The solution region can be divided into sub-regions and more precise solutions can be made to some sub-regions as needed. In this study, design and simulation of 2-dimensional (2D) and 3-dimensional (3D) step-by-step power transformer with label information is performed using Ansys Maxwell package program which analyzes by finite element method. In the analysis, the induced voltage in the primary and secondary windings, the induced voltage in the step windings, the phase currents in the primary and secondary windings, the loss of idle iron, the loss of copper at full load, the forces acting on the windings and the nodule flux distribution were obtained. The average loss value of the analyzed transformer 2B and 3B iron and copper was compared with the iron and copper loss values of the real transformer given the test results. It has been found that the losses obtained as a result of 3D analysis are closer to the lost values of the real transformer. By examining the distribution of fluxes on the power transformer's core, it is visually determined in which regions the momentary losses are intense. The analysis results obtained in 2D and 3D simulations were compared and it was determined that the results obtained in the 3D analysis were more accurate. The reasons for the difference between the analysis values of the 3D simulation and the label information of the real transformer were examined. This difference may be due to differences in the ideal properties of the materials in the transformers manufactured, the duration of the simulation and manufacturing faults. It has been determined that the transformer has a higher force acting on the primary and secondary windings than on idle operation at full load.