Loading...

Toroidal Transformer Life Estimation Under Non-Sinusoidal Supply

Saket, Mohammad Ali | 2011

1211 Viewed
  1. Type of Document: M.Sc. Thesis
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 42971 (05)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Electrical Engineering
  6. Advisor(s): Oraee Mirzamani, Hashem
  7. Abstract:
  8. Due to increase in nonlinear loads in today’s applications, the percent of harmonic content has been increased. Transformers are one of the electrical system components that are subjected to these harmonics. The failure of such equipment is an important consideration. Such failure is because of the hotspot temperature rises over the normal temperature withstanding of internal insulation. The increments of hotspot temperature can decrease the transformer insulation life. Totally, because of the presence of many parameters, precise investigation of loss of life is very difficult. Hence, the only meaning of loss of life in this project is the loss of insulation life under heat stresses. Harmonics and overloading will increase the losses of transformers and these losses will increase the hotspot temperature. Therefore, the calculation of losses under different conditions is very important. Toroidal transformers are extending in small power applications, but there is not a unified investigation about thermal behavior and life of them under harmonic and overload conditions. In the first chapter of this thesis, construction and features of toroidal transformers have been described. In the chapter two, basics of harmonic theory and transformer’s losses under harmonic situation have been investigated. In the third chapter, Finite element model of the used toroidal transformer has been simulated using MAXWELL software and losses under different harmonic situations have been calculated. At the last of this chapter, these different harmonic situations have been approximated by overload situations for experimental tests (because there was no access to harmonic generator). In the forth chapter, a thermal lumped parameter model for toroidal transformer has been proposed and this model is verified by thermal finite element results and experimental tests. From this model, hotspot of transformer has been identified and thermal sensors placed in those places. At the last chapter, accelerated aging tests have been performed for 8 toroidal transformers for discovering the relation between lives of transformer and their Hot spot temperatures. Some circuits have been built for more accurate results of experiments. At the last of the chapter, the results of experiments implemented in one AVR micro controller board. This board is not limited to toroidal transformers and has very user friend menu. User can enter his transformer’s insulation data and this circuit can predict life of transformer according to its real time hot spot temperature (which comes from sensors) and the data which user enters to it.

  9. Keywords:
  10. Toroid Transformers ; Life Time Estmation ; Hot Spot ; Harmonic Analysis

 Digital Object List

 Bookmark

  • 1 مقدمه
  • 2 آشنایی با پیشینه پژوهشی
    • 2-1 تحلیل حرارتی
    • 2-2 تحلیل حرارتی ترانسفورمرها
    • 2-3 تخمین عمر ماشینهای الکتریکی
    • 2-4 کاهش عمر ترانسفورمر تحت شرایط مختلف
  • 3 بررسی ترانسفورمر حلقوی
    • 3-1 ساختار ترانسفورمر حلقوی
      • 3-1-1 هسته
      • 3-1-2 سیم پیچی اولیه و ثانویه
      • 3-1-3 نحوه سیم پیچی ترانسفورمر حلقوی
    • 3-2 مزایای ترانسفورمر حلقوی
    • 3-3 کاربردهای ترانسفورمر حلقوی
    • 3-4 اندازه ها و محدودیت های ترانسفورمر حلقوی
    • 3-5 ترانسفورمر حلقوی مورد استفاده
  • 4 مفاهیم تئوری هارمونیک ها و تلفات ترانسفورمر تحت شرایط هارمونیکی
    • 4-1 تئوری هارمونیک ها
      • 4-1-1 کمیتهای الکتریکی تحت شرایط غیر سینوسی
      • 4-1-2 شاخص های هارمونیکی
        • 4-1-2-1 اعوجاج هارمونیکی کلی (ضریب اعوجاج)
        • 4-1-2-2 اعوجاج مورد نیاز کلی
        • 4-1-2-3 ضریب قدرت غیر سینوسی
      • 4-1-3 مشکلات ناشی از هارمونیک ها
      • 4-1-4 راه حل هایی برای رفع مشکلات ناشی از هارمونیک ها
    • 4-2 منابع تلفات ترانسفورمر
    • 4-3 تلفات ترانسفورمر در شرایط هارمونیکی
      • 4-3-1 اثر هارمونیکهای جریان بر تلفات ترانسفورمر
        • 4-3-1-1 اثر هارمونیک های جریان بر تلفات RI2
        • 4-3-1-2 اثر هارمونیک های جریان بر تلفات فوکوی سیم پیچ
        • 4-3-1-3 اثر هارمونیک های جریان بر تلفات POSL
        • 4-3-1-4 تاثیر مولفه های DC جریان بار بر تلفات
      • 4-3-2 اثر هارمونیکهای ولتاژ بر تلفات ترانسفورمر
        • 4-3-2-1 اثر هارمونیک های ولتاژ بر تلفات هیسترزیس
        • 4-3-2-2 اثر هارمونیک های ولتاژ بر تلفات جریان گردابی هسته
        • 4-3-2-3 اثر دما بر تلفات هیسترزیس و فوکو
      • 4-3-3 ضریب K ترانسفورمر
  • 5 محاسبه و بررسی تلفات ترانسفورمر حلقوی تحت شرایط هارمونیکی
    • 5-1 بررسی روابط تحلیلی تلفات ترانسفورمر حلقوی قدرت تحت شرایط هارمونیکی
      • 5-1-1 محاسبه تلفات مسی تحت شرایط هارمونیکی
      • 5-1-2 محاسبه تلفات فوکو ترانسفورمر
      • 5-1-3 محاسبه تلفات هیسترزیس ترانسفورمر
      • 5-1-4 محاسبه تحلیلی تلفات ترانسفورمر حلقوی در فرکانس های مختلف
    • 5-2 تحلیل المان محدود ترانسفورمر حلقوی مورد استفاده
      • 5-2-1 مدل پیاده سازی شده ترانسفورمر حلقوی مورد استفاده
      • 5-2-2 بررسی صحت مدل با نتایج تحلیلی و عملی آزمایشهای بی باری و اتصال کوتاه
        • 5-2-2-1 شبیه سازی آزمایشهای بی باری و اتصال کوتاه
          • 4-2-2-1-1 آزمایش بی باری
          • 5-2-2-1-2 آزمایش اتصال کوتاه
        • 5-2-2-2 آزمایشهای بی باری و اتصال کوتاه
          • 5-2-2-2-1 آزمایش بی باری
          • 5-2-2-2-2 آزمایش اتصال کوتاه
        • 5-2-2-3 مقایسه نتایج
    • 5-3 محاسبه تلفات ترانسفورمر تحت شرایط هارمونیکی
      • 5-3-1 محاسبه تلفات ترانسفورمر تحت شرایط تغذیه هارمونیکی
      • 5-3-2 بررسی تلفات ترانسفورمر تحت شرایط بار غیر خطی
    • 5-4 به دست آوردن تلفات در بارهای مختلف برای معادل سازی تلفات هارمونیکی
  • 6 تحلیل حرارتی ترانسفورماتور حلقوی
    • 6-1 روشهای انتقال حرارت
      • 6-1-1 انتقال حرارت از طریق رسانش
        • 6-1-1-1 محاسبه مقاومت هدایت حرارتی
      • 6-1-2 انتقال حرارت از طریق همرفت
    • 6-2 مدل پارامتر فشرده حرارتی
      • 6-2-1 مدل مداری برای محاسبه دمای نقاط مختلف ترانسفورمر
        • 6-2-1-1 محاسبه ابعاد سیم پیچهای ترانسفورمر مورد آزمایش
        • 6-2-1-2 مدل حرارتی هسته
          • 6-2-1-2-1 منابع حرارتی هسته
          • 6-2-1-2-2 مقاومت های حرارتی هسته
        • 6-2-1-3 مدل حرارتی عایق بین هسته و سیم پیچ اولیه
        • 6-2-1-4 مدل حرارتی سیم پیچ اولیه
          • 6-2-1-4-1 منایع حرارتی سیم پیچ اولیه
          • 6-2-1-4-2 مقاومت حرارتی سیم پیچ اولیه
        • 6-2-1-5 مقاومت حرارتی بین سیم پیچ اولیه و ثانویه
        • 6-2-1-6 مدل حرارتی سیم پیچ ثانویه
          • 6-2-1-6-1 منابع حرارتی سیم پیچ ثانویه
          • 6-2-1-6-2 مقاومت حرارتی سیم پیچ ثانویه
        • 6-2-1-7 مدل حرارتی عایق روی سیم پیچ ثانویه
      • 6-2-2 شبیه سازی مدل پارامتر فشرده حرارتی به دست آمده
      • 6-2-3 بررسی نتایج به دست آمده از مدل حرارتی فشرده
    • 6-3 تحلیل المان محدود حرارتی برای تایید مدل حرارتی فشرده و شناسایی نقطه داغ
    • 6-4 آزمایشهای عملی برای تایید مدل حرارتی فشرده و شناسایی نقطه داغ
      • 6-4-1 ساخت ترمومتر 6 کاناله برای مشاهده لحظه ای دما در نقاط مختلف
      • 6-4-2 دوربین حرارتی
      • 6-4-3 نتایج آزمایشهای عملی
      • 6-4-4 مقایسه نتایج روشهای مختلف
    • 6-5 قرار دادن سنسور در داخل ترانسفورمرها
  • 7 تستهای پیری تسریع شده و ساخت دستگاه پیش بینی کننده عمر
    • 7-1 تئوری عمر عایقی
      • 7-1-1 ايده اصلي کاهش عمر
      • 7-1-2 کاهش عمر حرارتي عايق
      • 7-1-3 کلاس عايقي استاندارد مورد بررسي
      • 7-1-4 سرعت واکنش
      • 7-1-5 عوامل مؤثر بر سرعت واکنش- نظريه برخورد
    • 7-2 معادله آرهنيوس
      • 7-2-1 تخمين طول عمر با استفاده از معادله آرنيوس
      • 7-2-2 به دست آوردن میزان عمر در هر دما با داشتن میزان عمر در یک دما
    • 7-3 مدلهای عمر موجود برای بررسی اثر تنشهای ولتاژ بر عمر عایقی
      • 7-3-1 مدل نمایی
      • 7-3-2 مدل توان معکوس
    • 7-4 ترکیب مدلهای استرس الکتریکی با مدل آرهنیوس
    • 7-5 آزمایش های پیری تسریع شده
      • 7-5-1 دستگاه ثبت زمان و دمای نقطه داغ ترانسفورمر در هنگام سوختن
      • 7-5-2 تجهیزات جانبی
      • 7-5-3 نحوه انجام آزمایشهای پیری تسریع شده
      • 7-5-4 نحوه سوختن ترانسفورمرها
      • 7-5-5 نتایج آزمایش های پیری تسریع شده
    • 7-6 بررسی کاهش عمر دستگاه تحت شرایط هارمونیکی
    • 7-7 طراحی و ساخت دستگاه پیش بینی کننده عمر
      • 7-7-1 تست دستگاه پیش بینی کننده عمر
  • 8 بهینه سازی ترانسفورمر حلقوی با رویکرد طراحی حرارتی و طول عمر
    • 8-1 بهینه سازی ترانسفورمر حلقوی مورد استفاده
      • 8-1-1 بهینه سازی ترانسفورمر حلقوی با تغییر کلاس عایقی
      • 8-1-2 بهینه سازی ترانسفورمر حلقوی با افزایش توان نامی آن
    • 8-2 بهینه سازی ترانسفورمر حلقوی با تحلیل مغناطیسی-حرارتی
      • 8-2-1 بهینه سازی ترانسفورمر حلقوی مورد استفاده با تحلیل مغناطیسی- حرارتی
      • 8-2-2 مقایسه نتایج سه روش بهینه سازی
  • مراجع
  • [1] Ewald F. Fuchs, Mohammad A. S. Masoum, “Power quality in power systems and electrical machines”, Elsevier, 2008, ISBN-10: 0123695368
  • پیوست1- مشخصات ترانسفورمر حلقوی مورد استفاده
  • پیوست2- مدار شبیه سازی شده مدل حرارتی فشرده
  • پیوست3- مدار طراحی شده برای ترمومتر شش کاناله و برد مدار چاپی آن
  • پیوست4- مشخصات دوربین حرارتی IRTECH-E
  • پیوست5- عکس های گرفته شده با دوربین حرارتی و مشخصات دوربین حرارتی
  • پیوست6- مدار طراحی شده برای آزمایشات پیری تسریع شده و برد چاپی آن
  • پیوست7- مدار طراحی شده برای دستگاه پیش بینی کننده عمر
...see more