Transformatörlerin elektromanyetik alan ve ısıl analizlerinin sonlu elemanlar kullanılarak gerçekleştirilmesi

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.