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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 신판석(申判錫)
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 홍익대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수5
이 논문의 연구 히스토리 (7)
2015
2014
2012
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전력용 변압기의 손실을 최소화하기 위한 노력은 1980년대부터 진행되었으며, 코아 손실을 최소화하기 위하여 ‘미세자구강판’이나 ‘비정질 코아’ 등의 재질을 사용한 변압기들이 개발되었다. 부하손실은 권선 저항에 의한 저항손이 대부분이나 부하가 증가할수록 구조적인 문제에 의해서 누설자속이 증가하여 발생하게 된다. 이러한 변압기의 구조적인 문제에서 발생하는 표유부하손(Stray loss)을 최소화하기 위하여 많은 분야의 연구가 수행되고 있다. 이 손실은 변압기의 용량이 커질수록 증가하기 때문에 누설자속의 계산, 누설자속 저감을 위한 구조적인 설계, Tie-Plate의 최적 형상설계 등의 연구가 필요하다.
본 논문에서는 전력용 변압기의 표유부하손을 최소화하기 위하여 FEM과 최적화기법인 PSO(Particle Swarm Method) 및 RSM(Response Surface Method)의 알고리즘을 이용하였다. 산업계에서 제시된 실제 변압기의 모델(22.9 [kV], 3-20 MVA)을 이용하여 각종 변압기의 특성계산, 자속밀도 해석을 통해 전자력과 누설 자속의 계산을 하였으며, 특히 변압기의 표유부하손을 줄이기 위해 코아의 적층을 구조적으로 지탱해주는 Tie-Plate의 손실을 감소시키는 방법을 연구하였다. 다중목적함수와 세 가지 변수를 가지는 최적화 알고리즘을 적용하는 기술을 개발하고, 3차원 유한요소법을 이용하여 와전류손과 누설자속 손실을 최소화하는 Tie-Plate의 최적 형상을 제안하였다.
개발된 알고리즘을 검증하기 위하여 24 MVA 몰드변압기의 손실계산을 모의하고, Tie-Plate의 형상을 최적화하기 위하여 세 가지의 설계변수와 두 가지의 목적함수를 설정하여 프로그램에 적용하였다. 그 결과 최적화된 Tie-Plate슬롯의 형상은 3×3의 9개의 홈으로 슬롯의 폭은 10 [mm], Tie-Plate의 두께는 15 [mm], 슬롯간의 간격은 25 [mm]로 기존의 슬롯이 없는 모델과 비교하여 약 22 %의 표유부하손 감소 효과를 보았다. 또한 슬롯이 두 개인 plate와 슬롯이 없는 plate를 조합하여 적층한 새로운 Tie-Plate 형상 모델을 제시하여 코아 손실과 누설자속이 감소하는 효과를 보았다.
본 해석기법으로 최적화 이론을 도입한 손실 최적 모델의 제시와 3D FEM 해석을 통해 자속밀도, 누설자속, 전자력, 온도분포, 구조물에 의한 손실 계산(Stray loss) 등의 정확도를 높일 수 있으므로 향후 대용량 전력용 변압기의 설계와 특성분석에 큰 도움이 될 것이다.
본 논문에서는 전력용 변압기의 표유부하손을 최소화하기 위하여 FEM과 최적화기법인 PSO(Particle Swarm Method) 및 RSM(Response Surface Method)의 알고리즘을 이용하였다. 산업계에서 제시된 실제 변압기의 모델(22.9 [kV], 3-20 MVA)을 이용하여 각종 변압기의 특성계산, 자속밀도 해석을 통해 전자력과 누설 자속의 계산을 하였으며, 특히 변압기의 표유부하손을 줄이기 위해 코아의 적층을 구조적으로 지탱해주는 Tie-Plate의 손실을 감소시키는 방법을 연구하였다. 다중목적함수와 세 가지 변수를 가지는 최적화 알고리즘을 적용하는 기술을 개발하고, 3차원 유한요소법을 이용하여 와전류손과 누설자속 손실을 최소화하는 Tie-Plate의 최적 형상을 제안하였다.
개발된 알고리즘을 검증하기 위하여 24 MVA 몰드변압기의 손실계산을 모의하고, Tie-Plate의 형상을 최적화하기 위하여 세 가지의 설계변수와 두 가지의 목적함수를 설정하여 프로그램에 적용하였다. 그 결과 최적화된 Tie-Plate슬롯의 형상은 3×3의 9개의 홈으로 슬롯의 폭은 10 [mm], Tie-Plate의 두께는 15 [mm], 슬롯간의 간격은 25 [mm]로 기존의 슬롯이 없는 모델과 비교하여 약 22 %의 표유부하손 감소 효과를 보았다. 또한 슬롯이 두 개인 plate와 슬롯이 없는 plate를 조합하여 적층한 새로운 Tie-Plate 형상 모델을 제시하여 코아 손실과 누설자속이 감소하는 효과를 보았다.
본 해석기법으로 최적화 이론을 도입한 손실 최적 모델의 제시와 3D FEM 해석을 통해 자속밀도, 누설자속, 전자력, 온도분포, 구조물에 의한 손실 계산(Stray loss) 등의 정확도를 높일 수 있으므로 향후 대용량 전력용 변압기의 설계와 특성분석에 큰 도움이 될 것이다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구배경 및 목적 11.2 국내 연구 개발의 필요성 31.3 Tie-Plate의 관련 연구 현황 41.4 연구 내용 71.5 연구 논문의 구성 8제 2 장 배전용 몰드변압기의 기본 특성 102.1 몰드 변압기의 구조 102.2 몰드 변압기의 특징 142.3 몰드 변압기 해석을 위한 특성회로분석 15제 3 장 몰드변압기의 누설자속 및 전자력 계산 183.1 3 MVA 몰드변압기의 누설자속 계산 183.2 3 MVA 몰드변압기의 코아 손실 계산 263.3 변압기 권선의 전자력 계산 273.4 누설자속에 의한 표유부하손(Stray loss) 계산 383.5 손실에 의한 열 해석 413.5.1 열계 지배 방정식 453.5.2 손실의 온도보정 463.5.3 열 해석 결과 47제 4 장 손실 저감 방법 504.1 몰드변압기의 손실과 표유부하손(Stray loss) 504.2 몰드 변압기 표유부하손 저감 대책 534.3 일반적인 표유부하손 저감 대책 554.4 Tie-Plate에서의 표유부하손 저감 대책 56제 5 장 최적화 이론 595.1 최적화 알고리즘의 적용기술 개발(FEM + LHS/PSO) 595.1.1 LHS(Latin Hypercube Sampling Strategy) 605.1.2 RSM(Response Surface Method) 615.1.3 PSO(Particle Swarm Optimization) 625.2 다중목적함수 적용 기술의 연구 635.2.1 차분진화 (DE:Differential Evolution) 645.2.2 다중목적 PSO(Multi-Objective PSO) 65제 6 장 표유부하손 최소화를 위한 Tie-Plate의 최적 설계 686.1 누설 자속 최소화 기술 개발 686.1.1 24 MVA 몰드 변압기의 누설 자속 해석 686.1.2 24 MVA 몰드 변압기의 손실 해석 716.2 다중목적함수를 이용한 Tie-Plate의 최적화 설계 746.2.1 24 MVA 몰드 변압기의 Tie-Plate 설계 756.2.2 Tie-Plate의 최적 형상 설계(FEM+ RSM/PSO 기법 적용) 776.2.3 최적 모델 제시안 806.3 최적화 알고리즘의 검증 846.3.1 Tie-Plate의 손실 검증 846.3.2 다중목적함수 최적화 기법을 적용한 FEM 해석 85제 7 장 결 론 887.1 변압기 특성 해석기술 개발 887.2 다중목적함수를 이용한 최적화 기법 적용기술 개발 907.3 24 MVA 몰드변압기의 Tie-Plate 최적 모델 설계 917.4 향후 연구 92참 고 문 헌 93Abstract 96
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