TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 10, Octobe r 20 14, pp. 7114  ~ 712 2   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.642 1          7114     Re cei v ed  Jun e  25, 2014; Revi sed  Jul y  1 9 , 2014; Acce pted Jul y  28,  2014   Optimal Design of a 3-Phase Core Type Distribution  Transformer Using Modified Hooke and Jeeves Method      Raju Basak 1 ,  Arabinda  Das* 2 , Amar Nath San y al 1,2 Electrical En gin eeri ng D epa rtment, Jadavp u r Univ ersit y   188, Ra ja S.C. Mallick R o a d , Kolkata - 70 00 32, India   3 Calcutta Institute of Engi neer ing a nd Ma nag ement, Kolkat a  - 70004 0, Indi *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : basak.raj u@ ya ho o.com 1 , adas_ e e _ ju @ y a hoo.com 2 ansa n y al @ y a h oo.co.in 3       A b st r a ct  Hook e a nd J e eves  meth od  i s  de facto  a p a ttern se arch t e chn i qu e, w h ic h can  be  e m p l oyed for   getting  a n  o p ti ma l so luti on. I n  this  pa per th meth od, i n  a  modifi ed  for m , has  be en  ap pl ied f o r the  des i g n   opti m i z at ion  of a distrib u tio n  transformer. It is a c onstra i ned multi-var i a b le opti m i z at io pro b le m.  T h e   soluti on  is o b ta ine d  by  ch oosi ng  an  initi a l  po i n t in  the w o rl ma of the k e y  varia b l e s a n d   by  maki ng  a  lo cal   search  ( e xpl o r a tory  in all dir e ctions in  th e hyper  s u rfa c e   fo rm ed  b y  the va ri ab les. After recogni z i ng the  pattern, its adv antag e is taken  by movi ng tow a rds a low e co st point, using  an acce lerati on  factor for faster   conver genc e. T he step le ngt h is ad juste d  a s  w e  pr ocee d to exp edite  i m p r ove m e n t. T he meth od  has b e e n   app lie d to tw o  different cost functions: the  cost  of production a nd th e cost agai nst producti on pl u s   capita li z e d  ru n n in g loss es. In  both the  cases ,  the prob le h a s conv erge d t o  a so lutio n  a n d the res u lts ar both inter e stin g and i llu min a ti ng.      Ke y w ords : dis t ributio n transformer, cost function, des i gn v a ria b les, patter n  search, const r aints     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion    There are fo ur differe nt a ppro a che s  fo r so lvin g a d e sig n  proble m  [1] viz. analytical  desi gn, synth e tic  d e si gn, optimal de sig n   an stan da rd de sign. T here   i s  no loop or feedb a ck  from the  re sults obtai ned  in the an al ytic pro c ed ure. Hen c e th ere i s  n o  provision fo r a n c o ns traint satis f ac tion in this  method.   T he synth e tic  desi gn i s  bett e r tha n  the a nalytic de sig n  as  it provide s  for con s trai nt sa tisfaction.  Ho wever,  thi s  m e thod give s o n ly a feasi b le  solutio n  not t he  best po ssible  one. Techni cal pe rson aim at optim al desi g n -  it gives the b e s t possibl e o u t o f   different fea s i b le sol u tion s, satisfying gi ven  con s train t s. Standard  desi gn metho d s a r e follo wed  by the bul manufa c turers which a r e b a se d on  sel e ction  of stan d a rd stampi ng s,  stan da rd core  size etc. All these method s are a pplie d to transfo rme r  desi gn.       2.   The 3-p h as e Core -ty pe Oil-immersed Distribu tion  Trans f ormer     The 3 - limbe d core con s tru c tion is empl oyed fo r 3 - ph ase distri bution  transfo rme r as it is  more e c on om ic com pared to shell type [1, 2]. T hese are invari ably  of the oil-immersed type with  natural  o r  fo rce d   cooli n g  dep endin g   on the  si ze .  The  co re  is made  by  stacking  varni s hed   lamination s   of high g r ad e sili con  ste e l. Either co pper or  alu m inium i s  u s ed  as  co nd uctor  material. The  core -coil stru cture i s  pla c e d  on a  soft bed in the oil-filled tank havi ng a protrudi ng  con s e r vator along with  a breath e r.  Th con s e r va to r take care  of the expan sion of oil u n der  loadin g  and t he breathe r i s  u s ed to  sto p  the ing r e s s of moistu re i n to the oil ta nk. Coolin g tube or  radi ators a r e to  be  ad de d to  kee p  the  tempe r atu r rise  of  oil  within  statutory l i mits. Fo r la rge   rating, forced air or forced oil- cooli ng  has to be augmented.  Othe r auxiliaries f o protection  like   Buchh o ltz rel a y, indicato rs etc. are a dde d. The  const r uction, p r in ci ple and  de sig n  con s id erations  for dist ributio n and p o wer  transfo rme r have bee n el ucid ated in  several text-b o o ks on el ect r i c al  machi ne de si gn [2-4].         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Optim a l Desi gn of a 3-Pha s e Core T y p e  Distrib u tion  Tran sfo r m e r Usi ng… (Raj u Basa k)  7115 2.1. Design  Cons ideration s     The l oad  fa ctor of di stri bution t r an sf or me rs i s  m u ch  le ss th an that  of  a po we transfo rme r . So it is desi gned for ma ximum effici e n cy at its probabl e load  factor (0.4  - 0.6),  keeping iron loss relatively  less. So a lower flux -d en sity is used co mpared  to that for the power  transfo rme r CRS -type  co res a r e inva riably used fo r all  appli c ati ons. Alu m ini u m is u s ed  as  conductor i n   distribution t r ansformers up to a si ze of  about  500 KVA, for economic  reasons.  But  cop per i s  a  f a better mat e rial  for large r  rating,  parti cula rly if the r e be   con s trai nt on  the  bul k of  the transfo rm er as i s  usual  in densely populate d   urb an pla c e s . As the voltage regulatio n has to   be kept at a low value for  a distrib u tion transfo rme r , the gap bet we en L.T. and H.T. coils i s  kept  at its minim u m allo wable   value an d th e win d o w  hei ght: width  rat i o is  kept  at a rel a tively large  value co mpa r ed to the po wer t r an sformer to redu ce the lea k ag e rea c tan c e [ 3 , 4]. Admissible  values of de si gn variabl es  are obtai ned f r om data - bo o k  [5].       2.2. Optimal Design o f  Tr ansformers - v a r i ous Methods   The first foot-step s  to com puter-aid ed d e sig n   of ele c t r ical  ma chin e s  sta r ted l ong  before  in fifties. The con c e p t of optimization wa s esta b lish e d  long before in history but i t s appli c ation  to   machi ne de si gn cam e  in a much late r st age. The opti m izing p r o g ra ms develo p e d  much late on.  One su ch me thod has b e e n  repo rted by  O.W. Ander son [6] in 1967. Since the n  the work is in   prog re ss- se veral autho rs have propo sed new er an d newe r  tech nique s and a d vanced pap ers  towards reali z ation  of o p timal de sig n . J.C. Olivares  et a l  have  de scrib ed  a te ch nique  for  opti m al  desi gn of  she ll-type tran sfo r mers [7]. He  has al so hi g h lighted  on  core l a minatio n sel e ctio n a nd  choi ce  of  con ducto r m a teri als fo distri b u tion tran sformers [8,  9]. Pavlos  et al   have p r op ose d  a   heuri s tic  solu tion to cost-o ptimization p r oblem for transfo rme r  de sign [10]. Bre s lin and  Hu rl e y   have  propo sed  a web - ba sed de sign o f   transfo rme r  taking  help  from the inte rnet [11]. So me  authors have  used recent ly devel oped  soft-co mputi ng tech nique s for re achin g  the optima l   solutio n  [12].  He rma nde z and  Au rora  have  devel oped  an  inte lligent a s sist ant for de sig n ing  distrib u tion transfo rme r  [1 3]. Subrani an  and Pa dma  have propo se d a meth od f o r optimi z atio n of  transfo rme r  d e sig n  usi ng b a cteri a l fora gi ng algo rithm  [14]. A. K. Jadav has  adva n ce d a meth od  for optimi z in g  the d e si gn  of po wer tra n sf orme r u s in simulated  ann ealing  [15, 1 6 ]. R.A. Jab r  h a applie d geom etric p r og ram m ing to tran sforme r de sign  [17].         3. Procedure  for Optim i za tion   For re aching  an optimal so lution, one h a s to  formula t e the proble m  at first, choose the  desi gn varia b l es, fix up the con s traints and frame t he obje c tive function [18].  Maximum a n d   minimum bo und s are imp o se d on the desi gn vari a b l es by the experie nced de sign er an d the   optimal soluti on is  sou ght in the wo rld m ap of the  vari able s , either  by classi cal t e ch niqu es o r   by  recently dev elope d intelli gent techniq ues. T her e a r several te chni que s to reach an  opti m al  solutio n , for a  con s trai ned  or an  un con s trained  de sig n  pro b lem  by the cla s sical  method. Th e s are broadly classified into me thods based on:  i)  exhaustive search, ii)  random search,  iii)  pattern  se arch, iv) g r adie n t se arch [1 9, 20]. The   exhau stive search i s   sim p le b u t it is t i me- con s umi ng, p a rticul arly if there  be a la rge  num ber  o f  variable s  a nd ch osen  step length s  a r e   small. Th e random  search gives only  a qu asi - opt i m al solution,  not the o p tima. Gradient  or  pattern  sea r ch techni que are bette r ma thematical  to ols which ca n  be use d  efficiently to find  out  the glo bal  op tima in  a m u ch l e ss  no.  o f  step s. Th con s trai nts can b e  a c cou n ted fo r a nd  the  step-l ength  can be va ried  as the p r o b le m conve r g e to its final solution. The r e are  a variet y of  techni que b a se d o n  p a ttern  or gradie n t se arch Hooke a nd  Je eves m e thod  is  one  amo ngst   them [18-20] . It is a direct metho d   based on  p a ttern sea r ch, appli c able  to multivari able   probl em s.      3.1.   Hook an d Jeev es Method of Pa tte r n Search   The metho d  use s  a set of sea r ch direction s  which spa n s the  entire search spa c e   defined  by the bounds  of  the design v a riabl es [18],[20]. In an  n -dimensi onal problem,  the r e   must be  n  numbe r of lin early in depe ndent  sea r ch directio ns.  The s e di re ction s  an d t he  corre s p ondin g  ste p  le ngth s  a r e  to b e  j u dicio u sly  ch o s en  in  order t o  rea c h th solution  by sm aller   no. of iterati ons. In the  Hoo k e a nd  Jeeves  m e tho d , a com b ina t ion of exploratory move  and  heuri s tic p a ttern sea r ch is used. Firstly, an init ial point is ch ose n  in the sea r ch spa c e fro m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  711 4  – 7122   7116 desi gne r’s  experie nce or  b y  consulting  a desi gn d a ta-bo o k. Th en  a local  sea r ch is  made i n  all  the dire ction s  to find out th e best poi nt aroun d the ch o s en p o int.     3.2.   Algorith m     The al gorith m  [20, 21]  ha s b een f r ame d  with  s lig ht  modificatio n   over the  ori g i nal Hoo k   and  Jeeve s   method, in  order to  en su re  conve r g e n c e .  Let the b a se point  be 0 x , where   x  is a  n- vector; n i s   the num ber  of desi gn va riable s . Thi s  has to be j udici ou sly ch ose n  for fa st er  conve r ge nce. Let the va ria b le  i x  (for  ea ch  iteration )  b e   pertu rbe d  to (1 ) ii x , where   is the  step len g th. The step s to b e  followe d are as given b e l ow:   Step 1: read  n = numb e r of  desi gn varia b l es;  = convergen ce facto r  for the obje c ti ve function;   ma x k = maximum n u mbe r  of iterations;  ma x c = maximum numb e r of iterations f o   Cha nging ste p   length   Step 2:  for i  = 1  to n  Step 3:  read i x , i i  ‘ x  desig n varia b le,     s t ep length;   accel e ra tion factor    Step 4   end for  Step 5:  set  0 k  ‘ex p lorato ry  mov e   Step 6:  find  () k ii f fx   ‘obtaine d fro m  transfo rme r  desi gn sub r outine   Step 7:  if  k = 0 then go to step 16   Step 8:   If  1 0 kk ii ff   then step 1 5   Step 9:   for i = 1  to n  Step 10:  ii s ‘red uction of ste p  length   Step 11:  end  for  Step 12:   1 cc     Step 13; if  ma x cc then go to step  24   Step 14:   1 kk   : g o  to s t ep 6  Step 15:  if  1 kk ii ff  then go to step  22     Step 16:  For i=1 to n   Step 17:  Find  [( 1 ) ] ii i ff x     Step 18:  Find  () / kk ii i i Gf f f     Step 19:  end  for   Step 20:  set  ii i i i xx G   ‘pattern mov e   Step 21:   1 kk   : i f   ma x kk  then go to step 23 el se to step 6    Step 22:  prin t “Success- the solutio n  ha s co nverg ed.” print out re su lts: go to step  24  Step 23:  prin t “Failure, the  solution i s  no t obtained wit h in  ma x k no. of iterations.”  Step 24:  stop   Step 25:  end    Step 26: print  “Cha nge in  step length do es not ma ke  any improve m ent. Initialize once agai n”: go    to step 24       4.   The   De sign Variables    The sol u tion  of an optimization pro b le m starts  by identificatio n of design va ri able s  [18,  19]. The obj ective fun c tio n  may be hi ghly sen s itive to ce rtain  variable s . Th ese  are th key  variable s . For some othe r variabl es, the  sen s itivit y may be less. Th ey are given l e ss impo rtan ce.  The key varia b les to b e  ch ose n  to optim ize a d e si gn  probl em de p end on th e o b jective fun c tion-  wheth e r it is the co st of produ ction or a  wei ghted  co mbination of the co st of produ ction and  the  lost ene rgy u n its du ring it s op eratin g life or someth ing else. The  variable s  m a y be de cisi on   variable s  o r  continuo us variable s . For a tran sform e r, the variabl es  have bee n id entified:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Optim a l Desi gn of a 3-Pha s e Core T y p e  Distrib u tion  Tran sfo r m e r Usi ng… (Raj u Basa k)  7117 a. De cisi on  vari able s (1)  The choi ce of  core mate ria l - co stlie r CRGOS may be  more  econo mic than  ch e aper  CRNOS  con s iderin g the over-all co st incl uding that of cop per.   (2)  The choi ce of  con d u c tor m a terial s-  co stli er copp er m a y have to be  use d  con s ide r ing  over-all perfo rman ce a nd cost, parti cula rly if  there be  spa c con s traints.   b. Contin uou variabl es:   (1)  The emf co nstant  K (in eqn.  = t E KS , where t E  =  emf per turn,  S = KVA rating).   (2)  The ratio of windo w height  to windo w wi dth:    / ww w R HW    (3)  The maximu m flux-den sity  m B    (4)  The maximum current -density,     (5)  The ratio of iron loss to co pper lo ss:   / ic PP      4.1. The Bou nds on De sign Variables   From  de sign er’s expe rien ce  and  from  de sign  data  boo k [1 9] th e follo wing v a lue s  of   desi gn va ria b les have  be en  sugg este d for  a 3 - ph ase  core  type di stributio n  tran sform e with  cop per a s  co ndu ctor mate rial:    E.M.F.  const ant, K = 0.45 (somewhat sm aller for Alumi n ium)   Window  height/width,  w R :3.0-4.0 for dis t ribution trans f ormer      The followi ng  choi ce of ma terials h a s b e en re comm en ded:     Core material: CRNOS  for smalle r ratin g s , CR GOS  for larger ratings .     Con d u c tor m a terial s: Aluminium for sm a ller ratin g s, Coppe r for larg er ratin g After ch oo sin g  the  con d u c tor an d the  core  materi al j udici ou sly, our ta sk is to  cho o se  su ch v a lue s  of   ,, & wm KR B  which giv e s minimality  of the obj ective function without violating   the desi gn co nstrai nts. Parallelly, we ha ve  to check the iron lo ss: ohmic lo ss ra tio / ic PP .     4.2. Cons trai nts   The de sig n   con s trai nts a ppea r du e to st atuto r y rules im po se d by the re gulatory   authoritie s o r  by the custo m er.  Th e foll owin g co n s traints h a ve be en ide n tified for a  distri buti on  trans former [1-2], [4]:  (1)  The efficien cy should n o t fall belo w  the spe c ified limit    (2)  The voltage regulatio n sh o u ld be kept with in the sp ecified limit - so their lea k age  rea c tan c e sh ould be relati vely low.   (3)  The m a ximu m allo wabl temperature   rise  mu st n o t be  exce ede d- thi s   ha s t o  be   accompli sh ed  by using  co oling tube s/  radiators. Fo rced  co oling  may have to  be  adde d.   The de sign v a riabl es  sho u l d be ch osen  with a loo k  to these p o ints.     4.3. The Objectiv e Function    The n e xt step  is to  fram e t he o b je ctive functio n  [18,  1 9 ]   in terms of  the d e si gn v a riabl es  and othe r pa ramete rs. If the co st of produ ction of  the tran sform e r is taken a s  the obje c tive  function, th e i r on  loss and   cop per lo ss a r kept   at their maximum possible  values. Accordingl y,  the flux density and the current den sit y  are kept a t  their maximum po ssibl e  values  wit hout  violating the desi gn co nst r aint s. Only the emf con s ta nt  K  and windo w height: widt h ratio w R are  con s id ere d  to  be  key  varia b les. B u t if we take into   consi deration t he ove r -all e c on omy of th e   cu stome r  an d the ma nufa c ture r the n  th e ru nnin g  co st towa rd s lo st ene rgy u n i t s mu st also  be  inclu ded in th e objective fu nction. The r e f ore, the  flux  den sity and the cu rre nt de nsity are also   to   be ch osen a s  desig n varia b les to find th e minimalit y condition s for the ch osen ob jective functio n In this pap er,  we have ta ke n both types  of objecti ve f unctio n s a nd  made two ca se-studi es to  get  a clea r pictu r e.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  711 4  – 7122   7118 5.   Results a nd Discu ssi ons   The co st optimal desi gn o f  a 3-phase oil-f illed dist ri bution tran sf orme r ha s be en taken  up usi ng mod i fied Hoo k e a nd Je eves m e thod. Two  case -stu die s  h a ve been ma de viz.  a)  Optimizatio n  of the cost of  produ ction, based on the  current  market price of material s an d   labou r.   b)  Dual  optimi z ation  with a  look to the  inte re st of th e custom er  and th e ma n u facturer- th obje c tive fun c tion i s   weighted  com b ination   of t he  co st of p r odu ction  an d the  pri c e f o annu al ene rg y loss.     The co mmon  element s in the two case-studie s  are gi ven belo w   Specifications:   KVA-rating of  the machin e = 100 0   Nomin a l po wer facto r  = 0. 8; Nominal freque ncy = 5 0  Hz.   Rated lin e voltage in L.T. /  H.T.: 433 V/  1100 0 V  Con n e c tion: Delta/ Star; Condu ctor m a terial: Co ppe No. of taps =  5; % turns be tween tap s  =  2.5     Material s:   Conduc tor material: Copper    Heli cal win d in g has b een  chosen for L. T .  and cross-o v er windi ng for the H.T.   Core materi al :  Laser-Core;  Stacking fa ct or =0. 9 2   3-ste ppe d co re has b een u s ed.     Con s trai nts:          Ef fic i enc y  0.98          No-loa d current 1%   Voltage  re gul ation 4%   T e mp er a t ur e   r i s e 40   The sp ecifi c  cost of materia l s/BOT unit:   Co st of copp er =  Rs.  600/ - per Kg   Co st of iron = Rs. 150/ - per Kg  Co st of steel tank  = Rs. 90/- per Kg   Co st of oil = Rs. 80/ - per li ter  Co st of BOT unit = Rs. 4/-    Cas e -I :  I n  t h i s   ca se,  t h e  c o st  f u n c t i on  i s  t h e  s e lling  co st  w h ic h in clud es  t he di r e ct   co st   for mate rial s and  lab o u r   and th e in direct  co st to ward overh e a d s. T w o  key varia b les  which  affect the cost function h a ve bee n identi f ied. They are: i) the emf  con s tant,  K  ; ii) the wi ndo height: width  ratio, w R . The  minimality co ndition is  obt ained fo r the  following va lues of  key  variable s :    The EMF-  co nstant, K  = 0.49366 the  win dow h e ight:  width ratio,  w R  = 3.881 6. Th followin g  values have b een  cho s en for t w o othe r de si gn variabl es:     Maximum flux-den sity in the La ser-core = 1.55 Te sl a   Curre n t den si ty in the copp er co ndu cto r  = 3.0 A/mm     Higher the values  of these  tw o vari ables lower  will be  the co st of  production. Therefore,  maximum po ssi ble value s   have be en ch ose n  for the s e two vari abl es  without vio l ating the de sign  con s trai nts. Result s obtai n ed on convergen ce are:    Dim ensio ns:   Curre n t in Primary/ Secon dary, A:  30.303 / 1333.4    Cro s s se ction  of primary/ Seco nda ry, mm 2  :  10.101 / 444.46    Numb er of no minal turn s of  the primary  = 704   Numb er of ad ditional turn of the primary  for tapping = 36   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Optim a l Desi gn of a 3-Pha s e Core T y p e  Distrib u tion  Tran sfo r m e r Usi ng… (Raj u Basa k)  7119 Total numb e r of turns of the prima r y = 7 40   Numb er of no minal turn s of  the second ary = 16   Net are a  of core iron = 4.5 407E-02 m Gro s s are a  of core i r on  = 4 . 9355E-02 m 2   Diamete r  of the co re ci rcle  = 0.2734 6 m   Length of the  core sid e s in  mm: 247 / 193 / 116   Area of the wi ndo w = 0.11 6 63 m 2    Wind ow h e ig ht/width, m:   0.6728 3 / 0.17334    Dista n ce bet wee n  co re ce nters  = 0.420 82 m   Width/hei ght of yoke, m: 0.2474 8 / 0.199 43   Total length o f  core  = 1.14 11 m ;  Total  height of co re  = 1.0717 m   Mean len g th of turn of Primary/ se con d a ry, m:  0.96802 / 1.2403    Re sista n ce of Primary/ Seconda ry,  :  1.4168 / 9.376 3 E -04   The tan k  leng th * width * height: 0.561 *  1.414 * 1.22 2   The num ber  of tubes (50  mm dia.) re q u ired  = 186      Perform a n c e eval uation Iron loss  = 26 74 W / % Iron loss= 0.26 74    Cop per lo ss = 890 4 W ;    % Coppe r lo ss = 0.89 04   ;    Total % loss = 1.1578    Efficiency at full load & 0.8 laggin g  p.f = 0.9857 3   Maximum efficien cy of 0.99034 o c curs  at a load of 54.8 %  The mag netizing cu rrent =  0.5882 %;  Co re loss  curren t = 0.26739  No loa d  cu rre n t = 0.6461 4 %   Lea kag e  rea c tance  = 3.461 8 %  Voltage regul ation at rated  power & p.f.   = 2.7894 %    Cos t:  The wei ght/ cost of tank:  454.57 Kg / Rs. 40911/-  The volume/  co st of oil: 0 .9690 8 liter / Rs. 77 526/-  Volume of iro n  = 0.195 28  m 3 ; Weight of iron = 14 93. 9 Kg  Co st of iron = Rs. 224 083/-  Volume of co pper  = 4.816 734E-02 m 3 ; Weig ht of cop per  = 4 28.69  Kg  Co st of copp er =  Rs. 25 72 14/-  Dire ct co st all o win g  25 % labou r ch arge  = Rs. 74 966 7/-  Selling co st a llowing  35% overhe ad =  Rs. 1012 051/-    Average lo ad  is a s sumed  to be 100% f o r 6 h ours, 7 5 % for 12 h o u rs  and  50%  for 6  hours. Fo r a life-sp an of 7  years, the co st  of lost  units = Rs. 1952 61 3/-     The selli ng cost plu s  the cost of lost uni ts = Rs. 2964 664/-      Table 1. Step s in Pattern S earch (val ue s at every 10 th  step)  No Cost  Gr -K  Gr -R    Gr -   B m  Gr -B m   1 2769591/-   0.55  -7.375e -4   -2.757e -4   2.3  -3.102e -4   1.4  -5.291e -4   11  2758500/-   0.574   -3.369e -4   3.064  -2.016e -4   2.327   -2.866e -4   1.419  -2.974e -4   21  2754217/-   0.5864   -1.258e -4   3.123  -1.570e -4   2.356   -2.394e -4   1.431  -1.597e -4   31  2752643/-   0.5904      -5.204e -5   3.163   -1.369e -4   2.376   -2.002e -4   1.437   -1.040e -4   41  2751484/-   0.5921   -1.208e -5   3.206  -1.203e -4   2.396   -1.575e -4   1.442  -6.733e -5   51  2750777/-   0.5923   2.908e-6   3.240  -1.097e -4   2.410   -1.254e -4   1.445  -4.853e -5   61  2750305/-   0.5920   8.272e-6   3.269  -1.020e -4   2.421   -1.018e -4   1.447  -3.781e -5   71  2749937/-   0.5916   1.045e-5   3.296  -9.500e -5   2.429   -8.255e -5   1.448  -3.000e -5   81  2749613/-   0.591   1.164e-5   3.323  -8.819e -5   2.437   -6.519e -5   1.449  -2.328e -5   91  2749356/-   0.5904   1.146e-5   3.349  -8.822e -5   2.442   -5.147e -5   1.450  -1.855e -5   101  2749147/-   0.5899   1.109e-5   3.373  -7.648e -5   2.447   -4.056e -5   1.451  -1.464e -5   111  2748975/-   0.5893   1.037e-5   3.395  -7.148e -5   2.451   -3.210e -5   1.452  -1.173e -5   121  2748832/-   0.5889   9.822e-6   3.416  -6.657e -5   2.454   -2.537e -5   1.452  -9.095e -6   131  2748712/-   0.5884   9.095e-6   3.435  -6.239e -5   2.456   -2.001e -5   1.453  -7.276e -6   140  2748640/-   0.5881   8.823e-6   3.446  -5.930e -5   2.457   -1.692e -5   1.453  -6.185e -6   141  2748630/-   0.5880   8.459e-6   3.450  -5.921e -5   2.457   -1.674e -5   1.453  -6.003e -6     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  711 4  – 7122   7120 Cas e -II : In this ca se the co st function ha s been ta ken  as the selli ng co st plus capi talized   co st for the l o st BOT  unit s  fo r an  anti c ipated life   of  7 years. T he  key vari able s  whi c h  affect  the  co st function  have bee n id entified. They are:   i) emf co nsta nt, K    ii) windo w heig h t:widt h  ratio,  w R  iii) flux-density,  m B  iv)  c u rr e n t  de ns ity,  Re sults  of pattern sea r ch  at intermedi ate step s ha ve been  sho w n in T able  1 to sho w  th e   probl em conv erge s to a sol u tion (G r-  sta nds for  gra d ie nts).    The initial values for the d e sig n  variabl es have be e n  cho s en eith er from de sig ner’ s  experi e nce   or from  de sig n  data-boo k.  It may be noted that the  cost differe ntia l come s d o wn rapi dly at first  and then  slo w ly. The sam e  is true ab ou t the individual gradi ents.    After  140 th   step, ch ang es  have be co me  very sm all.  T he cost  differential ha co me do wn  belo w  Rs. 10 /-. So this point has be en take n as  the  point of conv erge nce.  At converg e n c e, we   get the followi ng variabl es f o r the de sign  variable s :     K  = 0.588;  w R = 3. 452;    = 2.45 8 A/mm 2 m B  = 1.453 Te sla     Based o n  the s e value s  of variabl es, the  desi gn  detail s  of the optimal machin e are  given belo w   Dim ensio ns:   Numb er of no minal turn s of  the primary  = 572   Numb er of ad ditional turn of the primary  for tapping = 28   Total numb e r of turns of the prima r y = 6 00   Numb er of no minal turn s of  the second ary = 13   Curre n t in Primary/ Secon dary:  30.303  / 1333.4 A   Cho s e n  cu rre n t density = 2 . 4575 A/mm 2    Cro s s se ction  of primary/ seco nda ry, mm 2 :  12.331 /  542.6   Net are a  of core iron = 5.9 6078 8E-0 2 m 2   Gro s s are a  of core i r on  = 6 . 47911 8E-0 2 m 2   Diamete r  of the co re ci rcle  = 0.3133 2 m   Length of the  core sid e s in  mm: 284;   222; 133   Area of the wi ndo w = 9.63 9 534E-02 m 2   Wind ow h e ig ht/width ratio  = 3.452    Wind ow h e ig ht/width, m:   0.5768 / 0.16 71   Dista n ce bet wee n  co re ce ntres  = 0.450 67 m   Width/hei ght of yoke, m:  0.28355 / 0.22 850    Total length/ height of co re , m:  1.2444 /  1.0338 m    Inside/o u tsid e diamete r  of L.T. winding,  m: 0.319 / 0.375   Inside/o u tsid e diamete r  of H.T. windin g , m:  0.405 / 0.455   Mean len g th of turn of pri m ary/ se con d a ry, m:  1.089324 1.35 183 2    Re sista n ce of Primary/ Seconda ry:  1.0611    ; 6.8015E-04    The tan k  leng th, width * height:  0.591 * 1.512 * 1.184    The num ber  of tubes (50  mm dia.) re q u ired  = 141      Perform a n c e eval uation:   Iron loss  = 28 54.4 W; % Iron loss = 0.28 54   Cop per lo ss = 655 0.4 W; % Coppe r lo ss = 0.65 51   ;  Total % loss  = 0.940 5   Efficiency at full load and  0.8 lagging p.f. = 0.9884    Maximum efficien cy of 0.9914 o c curs at a % load of 66.01   The mag netizing cu rrent =  0.5466 %; Th core loss current = 0.28 54 %;     The num ber l oad current = 0.6167 %  The % leakag e rea c tan c e = 2.886   The % voltage regul ation a t  rated power  & p.f = 2.2557     Cos t:  The wei ght / co st of tank:  360.6 / Rs.  3 2454/-  The volume / co st of oil:  1.0569 / Rs. 84 554/-  Volume of iro n  = 0.251 5 m 3;  Weight of iron = 19 24 Kg ; Cost of iron  = Rs.  25012 0 /-  Volume of co pper  = 5.278 595E-02 m 3;  Weig ht of cop per =  469.8 kg.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Optim a l Desi gn of a 3-Pha s e Core T y p e  Distrib u tion  Tran sfo r m e r Usi ng… (Raj u Basa k)  7121 Co st of copp er =  Rs. 28 18 77/-  Dire ct co st all o win g  25 % labou r ch arge  = Rs.  811 25 6/-  Selling co st a llowing  35 % overhe ad =  Rs. 1095 196/-    Average lo ad  is a s sumed  to be 100% f o r 6 h ours, 7 5 % for 12 h o u rs  and  50%  for 6  hours.   The lost BOT  units/ann um = 590 77    For a life-spa n  of 7 years, the co st of lost units = Rs. 1654 168/-    The co st fun c tion = Rs. 27 4936 4/-    A comparison of the cost functions of ca se-I and case-II, reveals  that dual opti m ization  is more gainf ul.       6.   Comparison  w i th other Methods   There a r e  se veral m e thod s fo r o p timizi ng a  d e si gn  probl em. T h e  ea sie s t met hod i s   based on ex hau stive sea r ch. It is simpl e  and st rai g h t -forward  but it takes la rge  comp uter ru n- time, particul a rly if the  steps  ch ose a r e sm all.  The r e are meth o d s b a sed  on  ran dom  se a r ch,  gradi ent  sea r ch  and  patte rn  sea r ch. T he rand om  search te ch ni que d o e s  n o t  give the ex ac s o lution; it gives  a  s o lution c l os e to it.  The  c l osene ss de pen ds  on  no of iteratio ns. Th e gradi ent  serach te chn i que s a r go od; they yiel d the  sol u tio n  in  small e r no  of ste p s. Ho wever with  gradi ent  sea r ch, the r e  is a  ch an ce  of b e ing t r app ed   in lo cal  mini ma, provided  the  hypersu rface  in the  serach  spa c e  is  no t con c ave. T he g r adi ent  serach meth ods  are effe ctive but a r e  not  comp utationa lly efficient. On the oth e r hand, t he di rect se ra ch method  u s e s   an  optimi z at ion  algorith m  ba sed on o n ly the functio n  values, not  the  gradi ents. T h e evol utiona ry method, the  simplex  sea r ch meth od, Hook a nd  Jeev es patte rn  se arch metho d , Powell’ s co n j ugate di re ction  method et c. falls in thi s   ca tegory. The s e method are co mputatio nally more ef ficient compa r ed   to the gradie n t -based meth ods.        7. Conclu sion   This p ape r h a s de alt with  desig n opti m ization  based on mo dified Ho ok a n d  Jeeve s   method.  T h is  metho d   i s  based on pa ttern sea r ch   appli ed  to  a  p r ope rly chosen obje c t i ve   function. It i s , in e s sen c e,  a combin atio n of an  explo r atory m o ve  and  a patte rn  move to  qui ckly  rea c t he o p timality  (in this ca se mi nimality) crit erion.   The   d e sig n   vari abl es are cho s en   according to t he obj ective f unctio n  an d b ound s a r e im posed o n  it to define the  se arch spa c e. A n   initial point i s  cho s e n  in t he sea r ch sp ace. In th e e x plorato r y m o ve, a lo cal  sea r ch i s  ma de   arou nd thi s  p o int to find o u t  the be st poi nt aro und th e  cu rre nt point . Two  su ch  p o ints a r use d  in   the pattern m o ve in the original wo rk of Ho o k  and  Je eves, but we  have use d  on ly one base d  on  gradi ent alo n g  with an a c cele ration fa ctor for fa ste r  conve r ge nce.  Prov ision  ha s bee n kept for  redu cin g  step -length fo r exactly rea c hin g  the minimal  point.   In this  work , two case-s tu dies  have be en mad e  on  the sam e  tra n sformer  de sign. The   machi ne i s  an oil-filled di stribution transform er of rating 11000/433 V,  50 Hz.,  1000 KVA, with   5% additio nal  turn s fo r ta p p ing’ s o n  the   H.V. sid e In  the first case, the o b je ctive functio n  i s  th co st of pro d u c tion a nd in t he second it i s  a wei ghte d   sum of the  cost of  produ ction and the l o st  energy unit s .  In the  first  case, th e mi ni mal  co st of  prod uctio n  h a bee n fou n d  out  to b e   Rs.  1012 051/-. It  is le ss th an  that for the  se con d   which is  Rs. 1 0 9 5196/-. But t he p r ice  for l o st  energy units for an estima ted life of 7  years i s   Rs. 1952 613/- for the first case. This is mu ch   more tha n  that in the second case whi c h is  Rs. 16 5 4168/-. Fo r a  saving of a small am ount  of  Rs. 83 145/-  i n  the co st of prod uctio n , the additional  cost of lost en ergy units i s  Rs. 29 844 5/-. So   the advantag e of lower  co st of prod ucti on is tota lly offset due to additional lo sses. Thi s  prov es  that the obje c tive function  sho u ld be fra m ed for d ual  optimizatio of cost of p r o ductio n  and l o s t   energy units.       Referen ces   [1]  AK Sha w n e y A course in e l e c trical machi n e  desig n. Dha n p a t Rai & Sons. 200 3.  [2]  I Dasgupta. D e sign of T r ansformers.  T M H, N e w   Del h i. 20 02 [3]  MG Sa y .  Perfo rmance a nd d e s ign of A.C.  machi nes. CBS Publ ishers & D i stributors.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  711 4  – 7122   7122 [4]  A Still. Princip l es of  T r ansformer De sig n . Jo hn Wile y a nd S ons Inc, 200 7.  [5]  Shanm ug asun daram, G Gangad hara n , R Pala ni.  Electrica l  mach in e desi gn data b ook.  Wile y   easte r n   Ltd. ISBN 0 85 226 8 13 0   [6]  OW  Anderson.  Optimum desi gn of electric al  machi nes.  IEEE Trans. (PAS).  1967; 86: 70 7 - 11.  [7]  JC Olivar es-Galva n, Pavl os   et al. Optim a l   desi gn  of si ngl e-ph ase s h e ll-t y p e   distrib u tio n  transformer s   base d  on a mu ltiple  desi gn m e t hod va li dated  b y  me asurem ents.  Electrical Engg.  20 11; 9 3 :  237-24 6.  [8]  JC Olivar es-Galva n et  al.  Co re lam i n a tion  s e lecti on for  d i s t ributio n transf o rmers b a se on s ensitiv it analy sis.  Electr ical En gg . 20 1 3 ; 95: 33-4 2 [9]  JC Olivar es -Galvá n .  Selectio n of co pper  ag ainst  a l umi n i u w i n d in gs for  distrib u tion  tra n sformers.  IET  Electrical P o w e r Appl icatio n . 201 0: 4: 474-4 85.   [10]  Pavlos  S Geor gilak i et al. A  he uristic s o lut i on t o  the  tran sformer man u f a cturin g cost  optimiz ati o n   prob lem . Journ a l of Materia l  Process T e chn o l ogy.  200 7; 181 : 260-26 6.  [11]  JG Breslin, W G  Hurle y . A web-bas ed system  for transfor m er design . KES  2003, L N AI. Sprin ger Berl in.   200 3; 277 3: 71 5-72 1.  [12]  H Omranpo ur, M Ebadzad e h , S Shir y ,  S  Barz egar. D y n a mic Partic l e  S w a rm Opti mizatio n  for  Multimod al F u nction.  Intern a t iona l Jour nal  of Artificial Int e lli ge nce (IJ-A I ). 2012; 1(1):  1~ 10, ISSN:   225 2-89 38.   [13]  C Hern and ez, MA Arora. An i n telli ge nt  assis t ant for desig ni ng distri buti on transformers.  E x pert System  Appl icatio n . 20 08; 34; 19 31-1 937.   [14]  S Subrama n ia n, S Padma. Optimizatio n  o f   transformer desi gn usi ng  bacteri al forag i ng al gorithm.   Internatio na l Journ a l of  Co mputer App lic ations . 201 1; 19( 3): 52-57.   [15]  Amit  Kumar  Yadav   et al. Optimizatio n   o f   po w e r tra n sformer  desi g n   usin g sim u lat e d a n n eal in g   techni qu e.  Internatio nal Jo urn a l of Electrica l  Engi neer in g.  ISSN 097 4-2 1 5 8 . 2011; 4( 2): 191-1 98.   [16]  Amit Kr Yadav,  OP Rahi, H a s m at Malik, Ab d u Aze e m. Desi gn Optimiz a tio n  of Hi gh-F r eq uenc y P o w e r   T r ansformer by  Genetic Algori thm an d Si mulate d Ann e a lin g.  Internati ona l Jour nal o f  Electrical an d   Co mp uter Engi neer ing (IJECE ).  2011; 1(2): 1 02~ 10 9, ISSN:  208 8-87 08.   [17]  RA Jabr. Appl i c ation of ge om et ric progr amming to transfor m er desig n.  IEEE Trans Magnetics . 200 5;   41: 426 1-4 269.   [18]  K Deb. Optimiz a tion for en gi n eeri ng des ig n. PHI. 2010. ISBN 978- 81-2 03- 094 3-2.   [19]  SS Rao. E ngi n eeri ng o p timiz a tion- th eor a nd pr actice. N e w  Ag e Intern ation a l. 2 011; I SBN 97 8-8 1 - 224- 272 3-3.   [20]  M Ram a moort y . C o mp uter-ai ded  d e sig n   of el ec trical  e qui pment. Affili ated E a st-W est  press. 1 9 8 7 .   ISBN: 81-850 9 5 -57- 4.  [21]  NS Kamb o. Ma thematica l  pr o g rammin g  tech niq ues . R e vise d ed itio n. Ne w   Delh i. 19 91, 1 9 84. 11 0 0 0 1 .   Affiliated East- W est Press Pv t. Ltd. ISBN 81 -853 36-4 7 -4.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.