26311

مدلسازي و تحليل جامع تلفات AC در ترانسفورمر ابررسانايي سه فاز توزيع مبتني بر جريان‌هاي هارمونيكي

دكتري

مهندسي برق -قدرت

94

1400/10/14

آقاي دكتر حسين حيدري

آقاي دكتر فرامرز فقيهي

مهندسي برق

با توجّه به خصوصيات منحصر به فرد الكتريكي و مغناطيسي ابررسانا، در سال‌هاي اخير محققين به استفاده از اين مواد در صنعت برق روي آوردند. با اينكه ترانسفورمر بخش مهمي در سيستم قدرت است‌، امّا متأسفانه به دليل تلفات مغناطيسي بسيار بزرگ ناشي از ميدان مغناطيسي بالاي اعمال شده به سيم‌ ابررساناي دما بالا، بدترين تجهيز از ديدگاه تلفات AC است‌. امروزه، استفاده گسترده از بارهاي غيرخطي و تجهيزات الكترونيك قدرت، باعث افزايش سطح هارمونيك‌ها در شبكه‌ نيز شده است، به طوري‌كه جريان‌هاي انتقالي از ترانسفورمر جريان‌هاي متناوب غيرسينوسي هستند. هدف از اين رساله، تحليل تلفات AC ترانسفورمر ابررسانايي سه‌فاز در حضور جريان‌هاي هارمونيكي است. محاسبه‌ تلفات AC با روش‌هاي سنتي، تنها در حضور جريان‌هاي سينوسي عملكرد مناسبي دارند. از اين‌رو در گام اول، دو روش تحليلي دقيق براي تخمين اين تلفات در ترانسفورمر ابررسانايي سه‌فاز با در نظر گرفتن بارهاي هارمونيكي براي نخستين بار پيشنهاد گرديده و نتايج آن‌ها با روش عددي مبتني بر المان محدود مقايسه شده‌‌ است. نتايج حاصل دقت، سرعت محاسبه و در عين حال كارآمدي روش‌هاي پيشنهادي را به اثبات رسانده است. در ادامه، تلفات AC در يك ترانسفورمر ابررسانايي به ازاي طيف‌هاي چند هارمونيكي و هارمونيك‌هاي مستقل به تفصيل مورد تحليل قرار گرفته است. بر اساس نتايج حاصل، هارمونيك‌ها تعداد پيك‌ها و دامنه‌هاي ‌شكل‌موج جريان عبوري از سيم‌پيچي‌ها را تغيير مي‌دهند‌، به طوري كه در هر شكل‌موج علاوه بر حلقه هيسترزيس اصلي، تعدادي حلقه هيسترزيس فرعي نيز شكل مي‌گيرد. بنابراين‌، جريان هارمونيكي تلفات AC را كه ماهيتي كاملاً هيستريك دارد‌، تغيير مي‌دهد. به ازاي عمده‌ طيف‌هاي هارمونيكي تلفات AC ترانسفورمر افزايش مي‌يابد. با اين وجود، نتايج شبيه‌سازي‌ها نشان مي‌دهد كه به دليل اثر جبران هارمونيك، به ازاي برخي ضريب اعوجاج‌هاي هارمونيكي، تلفات AC كاهش مي‌يابد. نتايج نشان دهنده‌ي وابستگي رفتار اين تلفات به هر سه پارامتر اساسي ‌شكل‌موج جريان، يعني: دامنه‌، زاويه فاز و مرتبه‌ي مؤلفه هارمونيكي، است. براي يك مرتبه هارمونيكي معين، با افزايش دامنه‌ي مؤلفه هارمونيكي، تأثير زاويه فاز بر تغييرات تلفات كاهش مي‌يابد. براي يك دامنه هارمونيكي مشخص، با افزايش مرتبه‌ هارمونيكي، تأثير زاويه فاز بر تلفات كم‌تر مي‌شود. به دليل تأثير قابل توجه افزايش تلفات بر تجهيزات، هزينه‌ خنك‌سازي، راندمان و امكان‌سنجي اقتصادي، در ادامه، سه راهكار جديد مبتني بر تغيير ساختار سيم‌پيچي‌هاي ترانسفورمر جهت كاهش تلفات هارمونيكي پيشنهاد گرديده است. نتايج محاسبات و شبيه‌سازي‌ها، سودمندي قابل توجه روش‌هاي ارائه شده را در كاهش شار نشتي و تلفات AC هارمونيكي نشان مي‌دهد. از آنجايي‌كه با بالا رفتن مرتبه هارمونيك، شيب افزايش تلفات افزايش قابل توجهي خواهد يافت، به عنوان قدمي ديگر، به آناليز حساسيت تلفات AC ساختار‌هاي مختلف سيم‌پيچي نسبت به مؤلفه‌هاي هارمونيكي مرتبه بالا با ضرايب هارمونيك و ضرايب اعوجاج هارمونيكي كل مختلف پرداخته شده است. ملاحظه گرديده كه در حضور اين بارها، ساختار تركيبي بهترين ساختار از نظر كاهش تلفات AC هارمونيكي، مي‌باشد. شبيه‌سازي‌هاي ترانسفورمر با نرم‌افزار المان محدود FLUX 2D/3D انجام شده و براي اجراي روش‌هاي تحليلي از نرم‌افزارهاي‌ MATLAB و Maple به صورت موازي با هم استفاده شده است.

1401/01/20

Comprehensive Modeling and Analysis of AC Losses in Three-Phase Superconducting Distribution Transformer Based on Harmonic Currents

1/1/1900 12:00:00 AM

Given the unique electrical and magnetic properties of superconductors, in recent years, researchers have begun to use these materials in the electrical industries. Although the transformer is an important part of the power system, unfortunately due to the very large magnetic losses caused by the high magnetic field applied to the superconducting wire, it is the worst equipment in terms of ac losses. Nowadays, the application of non-linear loads gives rise to a vastly increased level of harmonics in the power network. As such, the transport currents of transformers are non-sinusoidal alternating currents. The purpose of this thesis is to analyze the AC losses of three-phase superconducting transformer in the presence of harmonic currents. The computation of AC losses by traditional techniques, is suitable for the sinusoidal current condition. So, in the first step, two accurate analytical methods are proposed to these losses estimation in three-phase superconducting transformer considering harmonic loads for the first time and the results of these proposed methods are compared with a FEM-based numerical method. The results prove the accuracy, speed of calculation, yet efficiency of the proposed methods. Next, the AC losses in threephase superconducting distribution transformer for multi-harmonic spectra and independent harmonics are analyzed in detail. According to the results, harmonics change the number of peaks and amplitudes of the current waveform passing through the windings, so that in addition to the major hysteresis loop, a number of minor hysteresis loops are also formed. Therefore, the harmonic current changes the rate of AC loss, which is completely hysterical in nature. AC losses increase for most harmonic spectra. However, the simulation results reveal that due to the harmonic compensation effect, for some harmonic distortion coefficients, AC losses are reduced. The behavior of these losses depends on three basic parameters of the harmonic current waveform, namely: amplitude, phase angle, and order of harmonic content. For a particular harmonic order, the impact of the phase angle on the losses changes decreases with increasing amplitude of the harmonic component. In a specified harmonic amplitude, as the harmonic order increases, the effect of the phase angle on the losses diminishes. Due to the significant impact of increasing losses on equipment and cooling costs, the overall efficiency and economic feasibility of the transformer, in the following, three new solutions based on making changes in the windings structure to reduce harmonic losses are proposed. The results of simulations and calculations show the significant usefulness of the mentioned structures on reducing leakage flux and harmonic losses. Since the slope of the increment in losses will significantly augment as the harmonic order increases, in the next step, the sensitivity of AC losses to high-order harmonic components of the transport currents with different harmonic factors and total harmonic distortions, is analysed. It is observed that in the presence of these loads, the hybrid winding structure is the best in terms of reducing harmonic AC losses. The transformer simulations are performed using finite element software FLUX 2D/3D. MATLAB and Maple softwares are used in parallel to perform analytical methods.

تلفات AC , بارهاي غيرخطي , جريان‌هاي هارمونيكي , ترانسفورمر ابررسانايي سه‌فاز

AC Losses , Non-linear Loads , Harmonic Currents , Three-phase Superconducting Transformer

faegheh irannezhad

dr. Hossein Heydari