Tehomuuntajan yksinkertainen simulointimalli ja sen soveltaminen esimagnetointipiiriin

Abstract

Tämän diplomityön tavoitteena oli luoda kohdeyritykselle tehomuuntajien suunnittelun tueksi esimagnetointijärjestelmän yksinkertainen simulointimalli. Simulointimallin avulla voidaan tarkastella esimagnetointimuuntajan ensiökäämissä esiintyvää kytkentävirtasysäysilmiötä kytkentähetkellä ja etuvastuksen ohitushetkellä. Tavoitteena oli myös mallintaa esimagnetointijärjestelmä sekä yksi- että kolmivaiheisena. Työssä keskityttiin myös tarkastelemaan simulointimallien luotettavuutta vertaamalla niitä PSCAD-simulointiohjelmalla luotuihin malleihin.

Työn teoreettinen osuus käsitteli tehomuuntajan rakennetta sekä sen magneettista toimintaperiaatetta. Tehomuuntajan magneettisen toimintaperiaatteen ymmärtämisen kautta johdettiin kytkentävirtasysäykseen vaikuttavat tekijät yleisellä tasolla ja rakenteellisesti. Lopuksi tutkittiin kytkentävirtasysäyksen hallintaan kehitettyjä ratkaisuja, joita hyödynnettiin diplomityön käytännön tarkasteluissa.

Työn soveltava käytännöllinen osuus aloitettiin esimagnetointijärjestelmän mittauksella laboratorio-olosuhteissa. Simulointimallin kehittäminen aloitettiin kartoittamalla erilaisia sekä ilmaisia että kaupallisia simulointiohjelmia. Simulointiohjelmien kartoituksen jälkeen rakennettiin yksinkertaiset simulointimallit yksi- ja kolmivaiheisena sekä ilmaisella LTspice-ohjelmalla että kaupallisella PSCAD-ohjelmalla. Tämän jälkeen eri ohjelmilla tehtyjä simulointimalleja vertailtiin niiden käytettävyyden ja luotettavuuden osalta.

Tulosten perusteella havaittiin, että esimagnetointijärjestelmällä ja sen oikealla mitoittamisella on selkeä vaikutus kytkentävirtasysäyksen suuruuteen. Tulokset myös toivat ilmi pientä eroavaisuutta simulointiohjelmien välillä, mutta nämä havaitut erot on mahdollista selittää ohjelmien erilaisella parametrisoinnilla.

Diplomityössä tehtyä LTspice-mallia on tulevaisuudessa tarkoitus käyttää kohdeyrityksen suunnittelun tukena ja kehittää sitä myös edelleen siten, että muuntajan sydämen kyllästyminen (saturaatio) voidaan huomioida.

The aim of this thesis is to produce a simple simulation model of a pre-magnetization system for the needs of the target company, which will be used by the electrical design and product development departments to support design. The main task of the simple simulation model is to measure and model the switching current inrush phenomenon occurring in the primary windings of the pre-magnetization transformer right after switching and right after bypassing the front resistor. In addition, the aim is to model the simulation model of the biasing system in single-phase and three-phase. The object of the study is the reliability of the simulation models, which are verified with a reference model built using a commercial simulation program.

The theoretical part of the thesis deals with the structure of a power transformer and its magnetic operating principle. Through understanding the magnetic operating principle of a power transformer, the factors affecting the switching inrush current have been derived at a general level and structurally. Finally, solutions developed for filtering the switching inrush current are examined, based on which practical research will be carried out for the thesis.

The practical part of the work began with the measurement of the pre-magnetization system in laboratory conditions, which produced measured results that supported the research. The study of the simulation model began by surveying various simulation programs, the delimitation of which had been carried out into free and commercial simulation programs. After surveying the simulation programs, simple simulation models were built with a single-phase and three-phase free simulation program, LTspice, and a commercial simulation program, PSCAD. The object of the study was to examine different simulation models from the perspective of usability and the reality of the results.

Based on the results, it can be observed that the pre-magnetization system and its dimensioning have a clear effect on the magnitude of the switching current surge. The results show a small difference between the simulation programs, but they can be explained by the parameterization of the simulation programs. The phenomenon itself can be simulated with both simulation programs.

The simulation model of the free simulation program built in the master's thesis will be used in the target company's electrical design and product development departments. The simulation model will also be developed for core saturation in the future.