Ανάλυση απωλειών μετασχηματιστών ισχύος με προηγμένα υλικά

Abstract

The present thesis concerns the development of numerical techniques and methods for the evaluation and minimization of wound core distribution transformer no load losses. The aforementioned numerical techniques are combined with deterministic and stochastic optimization algorithms for the minimization of the manufacturing and the total owing cost of wound core transformers. The no load loss evaluation is achieved by the application of a new technique that combines the computed peak flux density distribution with the experimentally determined local specific core losses. The computation of the peak flux density distribution is performed by a novel iterative procedure and nonlinear finite element magnetostatic analysis, avoiding in this manner the computationally expensive harmonic and transient analysis. The representation of the wound core material anisotropy is accomplished by a new elliptic anisotropy model specifically developed for wound cores, in contrast with conventional elliptic anisotropy models that have been developed so far which are suitable for stack core transformers. The advantages of the aforementioned technique, in contrast with conventional techniques appearing in the literature, are its accuracy and low computational cost which renders the proposed numerical technique ideal for industry application. Furthermore, a novel technique for the no load loss minimization has been developed. The specific technique is based on the wound core flux density non-uniformity and makes use of multiple grade lamination wound cores which are constructed of two different grades of grain oriented magnetic steel. By applying the multiple grade lamination wound core technique a further reduction of the total owing cost of wound core distribution transformers is achieved. The numerical techniques developed in the present thesis are going to contribute to the reduction of the manufacturing cost and no load loss of wound core transformers.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσονται αριθμητικές τεχνικές για τον υπολογισμό των απωλειών κενού φορτίου μετασχηματιστών διανομής τυλιχτού πυρήνα καθώς και μέθοδοι που αποσκοπούν στη μείωση τους. Οι συγκεκριμένες αριθμητικές τεχνικές συνδυάζονται με ντετερμινιστικούς και στοχαστικούς αλγόριθμους βελτιστοποίησης για την ελαχιστοποίηση του κατασκευαστικού κόστους και του ολικού κόστους κατοχής των μετασχηματιστών τυλιχτού πυρήνα. Ο υπολογισμός των απωλειών κενού φορτίου επιτυγχάνεται μέσω μίας νέας τεχνικής στην οποία συνδυάζονται η υπολογισμένη πεδιακή κατανομή της τιμής κορυφής της μαγνητικής επαγωγής και οι πειραματικά προσδιορισμένες τοπικές ειδικές απώλειες. Η εύρεση της τοπικής πεδιακής κατανομής υλοποιείται μέσω μίας πρωτότυπης επαναληπτικής διαδικασίας και μη γραμμικών μαγνητοστατικών αναλύσεων με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, αποφεύγοντας με αυτόν τον τρόπο τις υπολογιστικά ακριβείς αρμονικές και μεταβατικές αναλύσεις. Η αναπαράσταση της ανισοτροπίας του υλικού των τυλιχτών πυρήνων γίνεται μέσω ενός νέου ελλειπτικού ανιστροπικού μοντέλου που αναπτύχθηκε ειδικά για την πεδιακή ανάλυση των τυλιχτών πυρήνων, σε αντίθεση με τα συμβατικά ανισοτροπικά μοντέλα τα οποία έχουν αναπτυχθεί μέχρις στιγμής και είναι κατάλληλα για μετασχηματιστές στοιβαχτού τύπου. Το πλεονέκτημα της νέας αυτής τεχνικής σε σχέση με τις τεχνικές που εμφανίζονται στη διεθνή βιβλιογραφία είναι το μικρό υπολογιστικό κόστος και η καλή ακρίβεια, καθιστώντας τη συγκεκριμένη τεχνική ιδανική για βιομηχανική εφαρμογή. Επιπλέον, αναπτύχθηκε μία καινοτόμος τεχνική για τη μείωση των απωλειών κενού φορτίου η οποία δεν είχε προταθεί ξανά στη διεθνή βιβλιογραφία. Η συγκεκριμένη τεχνική βασίζεται στην ανομοιομορφία της τοπικής κατανομής της μαγνητικής επαγωγής των τυλιχτών πυρήνων και στη χρήση σύνθετων τυλιχτών πυρήνων που είναι κατασκευασμένοι από δύο διαφορετικές ποιότητες σιδηρομαγνητικών λαμαρινών κατευθυνόμενων κόκκων. Μέσω της τεχνικής αυτής είναι δυνατή η περαιτέρω μείωση του ολικού κόστους κατοχής των μετασχηματιστών τυλιχτού πυρήνα. Οι αριθμητικές τεχνικές που αναπτύχθηκαν στα πλαίσια της διατριβής συμβάλλουν στη μείωση του κατασκευαστικού κόστους των μετασχηματιστών τυλιχτού πυρήνα καθώς και στη μείωση των απωλειών κενού φορτίου.