Calculation of No-Load Losses in Traction Transformers with Finite Element Method

Öz

Traction transformers used in electric locomotives perform the voltage conversion required for traction power in the train system. Some parameters need to be considered during the design phase of these elements, which are critical in trains and need to be calculated before production. These parameters can be listed as short circuit impedance of the transformer, losses due to direct current resistance of the windings, eddy current losses in the windings, losses occurring when the transformer is loaded with harmonic currents, inrush current, tank losses, no-load losses, short circuit forces, and capacitance values. Calculating these parameters at the design stage is critical for sustainability and reliability. In this study, no-load losses in a sample traction transformer calculated with the finite element method. While performing the calculations, the maximum and nominal voltage levels allowed in the traction system were considered. After, the analysis results were confirmed with the test results performed on the produced traction transformer. In this context, information was given, and calculations were made about the no-load current and no-load loss, which are one of the parameters that need to be calculated in the design of traction transformers. The importance of performing these calculations at the design stage is emphasized.

Anahtar Kelimeler

• Traction transformer
• Finite element analysis
• No-load loss
• No-load current
• Maxwell

Cer Transformatörlerinde Boşta Çalışma Kayıplarının Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Hesaplanması

Öz

Elektrikli lokomotiflerde kullanılmakta olan cer transformatörleri tren sisteminde hareket gücü için gerekli olan gerilim dönüşümünü gerçekleştirmektedir. Trenlerde kritik öneme sahip olan bu elemanların tasarımı aşamasında dikkat edilmesi ve üretimden önce hesaplanması gerekli olan parametreler bulunmaktadır. Bu parametreler transformatörün kısa devre empedansı, sargıların doğru akım direncine bağlı olarak oluşan kayıplar, sargılarda oluşan girdap akımı kayıpları, transformatörün harmonikli akımlar ile yüklenmesi durumunda oluşan kayıplar, inrush akımı, kazan kayıpları, boşta çalışma kayıpları, kısa devre kuvvetleri, kapasitans değerleri, elektrik alan dağılımları olarak sıralanabilir. Bu parametrelerin tasarım aşamasında hesaplanması sürdürülebilirlik ve güvenilirlik için kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada örnek bir cer transformatöründe boşta çalışma kayıpları sonlu elemanlar yöntemi ile hesaplanmıştır. Hesaplamalar gerçekleştirilirken cer sisteminde izin verilen maksimum ve nominal gerilim seviyeleri değerlendirilmeye alınmıştır. Daha sonra analiz sonuçları, üretilen cer transformatörü üzerinde gerçekleştirilen test çalışmaları ile doğrulanmıştır. Bu kapsamda, cer transformatörlerinin tasarımında hesaplanması gerekli olan parametrelerden biri olan boşta çalışma akımı ve boşta çalışma kaybı hakkında bilgi verilip hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Bu hesaplamaları tasarım aşamasında gerçekleştirilmesinin önemi vurgulanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• : Cer transformatörü
• Sonlu elemanlar analizi
• Boşta çalışma kaybı
• Boşta çalışma akımı
• Maxwell denklemleri

Kaynakça

1. [1] N. Polater and P. Tricoli, “Technical review of traction drive systems for light railways,” Energies, vol. 15, no. 9, 2022, doi: 10.3390/en15093187
2. [2] M. Ö. Baştürk, V. Yüksel, Y. E. Tetik, M. Yılmaz, M. Güner, ve T. Kaya, “Pantograf boynuz hatalarının derin öğrenme ve görüntü işleme teknikleri ile tespiti,” Demiryolu Mühendisliği, vol. 0, no. 16, 2022, doi: 10.47072/demiryolu.1132123
3. [3] B. Alboyacı, M. A. Çınar, Y. B. Demirol, and A. Ince, “Evaluation of the effect of structural defects in the heat-shrink cable terminal on electric field distribution,” Eng. Fail. Anal., vol. 132, no. 105920, pp. 1–15, 2022, doi: 10.1016/j.engfailanal.2021.105920
4. [4] S. Çürükova, Y. B. Demirol, O. Sönmez, M. A. Çınar, ve B. Alboyacı, “Cer transformatörlerinde elektriksel parametrelerin sonlu elemanlar yöntemi ile analizi,” Demiryolu Mühendisliği, no. 16, pp. 66–78, 2022, doi: 10.47072/demiryolu.1110515
5. [5] S. Çürükova Kale, Y. B. Demirol, O. Sönmez, M. A. Çınar, ve B. Alboyacı, “Elektrikli lokomotif sistemlerinde cer transformatörü ve baraların oluşturduğu manyetik alanların sonlu elemanlar yöntemi ile hesaplanması,” Demiryolu Mühendisliği, vol. 17, pp. 54–65, 2023, [Online]. Available: 10.47072/demiryolu.1175771
6. [6] T. Ölmez ve B. Kilic, “Metro AC cer güç dağıtım sistemlerinde yük paylaşımının modellenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, no. 12, 2020, doi: 10.47072/demiryolu.680510
7. [7] Ş. Kuşdoğan ve Ö. Doğruer, “Demiryolu elektrifikasyonunda katener sistem tasarımı,” Demiryolu Mühendisliği, no. 14, 2021, doi: 10.47072/demiryolu.871106
8. [8] N. Güzel ve M. Tutucu, “Demiryolu elektrifikasyon sistemlerinde topraklama ve temas gerilimi,” Demiryolu Mühendisliği, no. 14, pp. 122–129, 2021, doi: 10.47072/demiryolu.936613

9. [9] Z. Yener ve Ö. Kalenderli, “Bir metro hattında araç kapasitesinin artırılmasının orta gerilim ve cer sistemleri üzerine etkileri,” Demiryolu Mühendisliği, no. 18, 2023, doi: 10.47072/demiryolu.1296406
10. [10] U. E. Doğru ve Ö. Kalenderli, “Raylı ulaşım sistemlerinde tahrik amaçlı katı hal transformatörü kullanımı,” Demiryolu Mühendisliği, no. 10, pp. 63–74, 2019
11. [11] Ö. Doğruer, Ş. Kuşdoğan, ve N. Yörükören, “Elektrikli demiryolu hatlarında kompanzasyon sistemi,” Demiryolu Mühendisliği, no. 9, pp. 28–37, 2019
12. [12] H. Deveci, “Dizel elektrikli lokomotiflerde cer sistemlerinin gelişimi üzerine bir inceleme,” Demiryolu Mühendisliği, no. 11, pp. 52–59, 2020
13. [13] Y. Liu et al., “A novel harmonic suppression traction transformer with integrated filtering inductors for railway systems,” Energies, vol. 13, no. 2, 2020, doi: 10.3390/en13020473
14. [14] J. Xiang, J. Xu, Q. Wu, Z. Shuai, N. Tong, and Y. Liu, “Traction transformer integrated LCL filtering method for high-frequency harmonic and resonance suppression in AC train,” Int. J. Electr. Power Energy Syst., vol. 148, 2023, doi: 10.1016/j.ijepes.2022.108922
15. [15] J. El Hayek and T. J. Sobczyk, “Analytic one-dimensional design method for railways traction transformers,” in IEMDC 2003 - IEEE International Electric Machines and Drives Conference, 2003, vol. 3, doi: 10.1109/IEMDC.2003.1210690
16. [16] I. Sitar, Z. Janic, and B. Cucic, “External magnetic field density of main traction transformer for EMU,” COMPEL - Int. J. Comput. Math. Electr. Electron. Eng., vol. 31, no. 2, pp. 716–725, 2012, doi: 10.1108/03321641211200680
17. [17] Z. Fei, T. Konefal, and R. Armstrong, “AC railway electrification systems-An EMC perspective,” IEEE Electromagn. Compat. Mag., vol. 8, no. 4, pp. 62–69, 2019, doi: 10.1109/MEMC.2019.8985603.
18. [18] Railway applications - Supply voltages of traction system, BS EN 50163-2004+A2:2020
19. [19] Railway applications - Traction transformers and inductors on board rolling Stock, IEC 60310:2016
20. [20]M. A. Cinar, “Investigation of the economical and technical design feasibility of Si-Fe graded distribution transformers according to EN50588-1,” Pamukkale Univ. J. Eng. Sci., vol. 26, no. 2, pp. 295–300, 2020
21. [21] M. A. Çınar, B. Alboyaci, and M. Sengul, “Comparison of power loss and magnetic flux distribution in octagonal wound transformer core configurations,” J. Electr. Eng. Technol., vol. 9, no. 4, pp. 1290–1295, 2014
22. [22] S. V. Kulkarni and S. A. Khaparde, Transformer engineering design, technology, and diagnostics. CRC Press, 2004
23. [23] C. Gürer, T. Akıllı Törer, ve K. Aslantaş, “Yüksek hızlı hatlarda granüler alt balast yerine asfalt tabaka kullanımının sonlu elemanlarla modellenmesi,” Demiryolu Mühendisliği, no. 14, 2021, doi: 10.47072/demiryolu.867120
24. [24] Y. Sarıkavak, “Tekerlek ray etkileşimi, perlitik ve beynitik çeliklerin yorulma hasar direnci üzerine bir sonlu elemanlar analizi,” Demiryolu Mühendisliği, no. 14, 2021, doi: 10.47072/demiryolu.934471
25. [25] M. E. Arı and İ. Esen, “Design of a metro train and structural analysis of the metro vehicle body by finite element method,” Railw. Eng., vol. 1, no. 15, pp. 30–45, 2022, doi: 10.47072/demiryolu.1018663
26. [26] A. Ünal, N. Akkuş, and S. T. Kandil, “Demiryolu aracı disk balatalarının tasarımında yüksek sıcaklığın neden olduğu fren zayıflama probleminin belirlenmesi için sonlu elemanlar yöntemi yaklaşımı,” Demiryolu Mühendisliği, no. 15, 2022, doi: 10.47072/demiryolu.1027982
27. [27] B. Alboyacı, M. A. Çınar, Y. B. Demirol, and M. Uzar, “Reducing the failures with adding glass insulators to composite insulators of 400 kV transmission line at high altitude,” Eng. Fail. Anal., p. 106678, 2022, doi: 10.1016/j.engfailanal.2022.106678
28. [28] M. Uzar, Y. B. Demirol, M. A. Çınar, and B. Alboyacı, “Investigation of the Effect of Corona Ring Design Parameters on Electric Field Distribution by Finite Element Method,” Turk J Electr Power Energy Syst., vol. 3, no. 1, pp. 1–8, 2023, [Online]. Available: https://tepesjournal.org/en/investigation-of-the-effect-of-corona-ring-design-parameters-on-electric-field-distribution-by-finite-element-method-1679
29. [29] Y. B. Demirol and Ö. Kalenderli, “Investigation of effect of laying and bonding parameters of high-voltage underground cables on thermal and electrical performances by multiphysics FEM analysis,” Electr. Power Syst. Res., vol. 227, p. 109987, 2024, [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.epsr.2023.109987
30. [30] Y. B. Demirol, M. A. Çınar, and B. Alboyacı, “Evaluation of cable and busbar system in multiconductor distribution systems in terms of current and magnetic field distributions,” Turkish J. Electr. Eng. Comput. Sci., vol. 29, no. 7, pp. 3119–3132, 2021, doi: 10.3906/ELK-2103-108
31. [31] B. Alboyacı, M. A. Çınar, and Y. B. Demirol, “Influence of busbar trunking system design on thermal performance operating with non-sinusoidal currents,” Electr. Power Syst. Res., vol. 214, no. 108815, pp. 1–9, 2023
32. [32] Y. Özüpak ve M. S. Mamiş, “Dağıtım Transformatörlerinin Nüvesinde Kullanılan Farklı Materyallerin Sac Kombinasyonlarının Sonlu Elemanlar Yöntemi ile Elektromanyetik Alan Analizi”, Harran Üniversitesi Mühendislik Dergisi, no. 4(1), 2019
33. [33] Y. Özüpak, “Elektrikli araçların kablosuz güç aktarım sistemi ile şarj edilmesi için kullanılan farklı transformatör modellerinin sonlu elemanlar yöntemi ile tasarımı ve analizi”, GUMMFD, c. 39, sy. 2, ss. 1113–1122, 2023, doi: 10.17341/gazimmfd.1202033
34. [34] Y. Özüpak ve M. Çınar, “Design Of The Permanent Magnet Synchronous Motor Used In Electric Vehicles With The Help Of The Particle Swarm Algorithm and Ansys-Maxwell”, Adıyaman Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 10, sy. 20, ss. 141–155, 2023, doi: 10.54365/adyumbd.1315079