Üç fazlı transformatörler için yeni bir geçmeli tip çekirdek tasarımı
A new plug-in core design for three phase transformers
Yazar: DOĞANCAN ÇELEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SİBEL ZORLU PARTAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
E-I tip çekirdek geometrisi, transformatörler için en yaygın kullanılan çekirdek tiplerinden biridir. Bununla birlikte transformatör gücü arttıkça E-I tip yerine çekirdek üretimi için şerit şeklinde kesilmiş bacak boyunduruk sacları kullanılmakta ve çekirdek üretim süresi artmaktadır. Bundan dolayı sacların el ile istiflendiği işletmelerde sac dizilimi önemli bir zaman teşkil etmekte, transformatör gücüne bağlı olarak bir iş günü kadar sürebilmektedir. Bu noktadan yola çıkarak sacların istifleme süresini, üretim maliyetlerini azaltmak için, üç fazlı transformatörler için uygulanabilir olması istenilen geçmeli tip çekirdek tasarımı gerçekleştirilmiştir. Plug-In çekirdek geometrisi tasarlanırken literatürde bulunan joint bağlantı şekilleri de dikkate alınmıştır. Böylelikle Plug-In çekirdek tasarımıyla birlikte akının pencere köşe yüzeyleri yerine, eş parçadan oluşan bacakların geniş yüzeyleri yardımıyla akı yığılmasının ve çekirdek kayıplarının azaltılması amaçlanmıştır. 
Plug-In çekirdek tasarımına uygun M330-50A elektrik sacına sahip prototip inşa edilmiş, üretim aşamalarına değinilmiştir. Önerilen tasarıma sahip transformatör ve aynı etiket değerlerine sahip referans E-I çekirdekli transformatör ANSYS Maxwell simülasyon programı kullanılarak manyetik akı yoğunlukları, çekirdek kayıpları ve çekirdek kayıplarının oluştuğu lokal bölgeler ve bakır kayıpları iki boyutlu olarak analiz edilmiştir. Ayrıca E-I ve Plug-In modellerinin prototipleri üretilmiş ve transformatörler boşta çalışma testlerine tabi tutularak, çekirdek kayıpları ve verimleri hesaplanmıştır.
Üretim kolaylığı açısından referans E-I çekirdekli transformatöre göre Plug-In çekirdeğin dizilimi için üçte bir oranında süre gerektiği tespit edilmiştir. Simülasyon çalışmalarında çekirdek modelleri için maksimum akı yoğunluğu değerlerine bakıldığında Plug-In modelde referans E-I modele göre yaklaşık %0.6 daha yüksek bir değer elde edilmiştir. Ayrıca çekirdek kayıpları bakımından Plug-In modeldeki kayıpların, E-I çekirdeğe göre %0.1 fazla olduğu tespit edilmiştir. Üretilen Plug-In çekirdekli prototip ve E-I çekirdekli transformatöre ait boşta çalışma testleri sonucunda ise Plug-In çekirdeğin yaklaşık %11,4 daha yüksek çekirdek kayıplarına sahip olduğu görülmüştür. Çalışma neticesinde, önerlien Plug-In tasarımının geliştirilerek, üretim tecrübesiyle çekirdek kayıplarının azaltılabileceği ve üretim kolaylığı avantajı ile birlikte, üreticiler için daha rekabetçi bir çekirdek tipi elde edilmesinin mümkün olabileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
For transformers, E-I type core is one of the most preferred core. As power increases, strip leg-yoke sheets are used for core production and required time increases. At manufacturers where sheets are stacked manually, core stacking process takes important time, and this process may take longer depending on transformer power. It is intended to reduce stacking time and production costs of transformer core with Plug-In design. While designing the Plug-In geometry, joint types in literature were also considered. With Plug-In model it is aimed to reduce stacking flux accumulation and core losses as a result of wide surfaces of the legs consisting of both equal parts instead of the window corner surfaces of the flux.
A prototype transformer with M330-50A electrical sheet was produced in accordance with Plug-In design and the production steps were discussed. Magnetic flux densities, core losses, loss distribution and copper losses were analyzed 2D using the ANSYS Maxwell simulation for Plug-In and E-I core models. In addition, E-I and Plug-In transformers were subjected to no load tests and compared in terms of core losses and efficiency.
In terms of production, it has been determined that one third of the time is required for assembling time of Plug-In core compared to E-I core. According simulation studies, 0.6% higher maximum flux density values are found for Plug-In core compared to the reference E-I model. It has been found that core losses in Plug-In model are 0.1% more than E-I model. As a result of the no load tests for Plug-In core prototype and E-I core transformer, it was observed that Plug-In core has 11.4% higher core losses. Consequently, it was concluded that if proposed Plug-In core design was developed and disadvantages in terms of core losses were eliminated, it would be possible to obtain more competitive core for manufacturers.