Contribuição à análise da influência do conteúdo harmônico na operação de transformadores trifásicos

Abstract

Neste trabalho é apresentada uma modelagem elétrica, magnética e térmica para transformadores trifásicos com potências de até 50 kVA, com ênfase na análise das harmônicas. São abordadas as principais técnicas de modelagem aplicáveis a transforma- dores, assim como a modelagem de seus componentes. As perdas nos enrolamentos e no núcleo são calculadas considerando a presença de harmônicas, destacando a importância da representação dos laços menores de histerese magnética. Além disso, discutem-se as limitações do modelo de Jiles-Atherton na representação dos laços menores de histerese, sendo proposta a implementação do modelo G de histerese como solução. Uma metodo- logia não invasiva é proposta e validada para a caracterização magnética do núcleo de transformadores trifásicos. São apresentados os mapeamentos das perdas nos enrolamentos e no núcleo do transformador para diferentes condições harmônicas e são discutidas as influências das amplitudes e fases das componentes harmônicas nessas perdas. Ensaios no transformador são conduzidos, obtendo as respostas elétricas e térmicas que validam a modelagem térmica proposta. Finalmente, simulações no modelo elétrico, magnético e térmico do transformador foram realizadas, permitindo a obtenção do perfil térmico do equipamento sob diferentes condições de operação.

Abstract: This study presents an electrical, magnetic, and thermal modeling approach for three- phase transformers with a nominal power of up to 50 kVA, with a focus on harmonic analysis. The main applicable modeling techniques for transformers are addressed, as well as the modeling of their components. Winding and core losses are calculated considering the presence of harmonics, highlighting the importance of representing the minor hysteresis loops. Furthermore, the Jiles-Atherton model?s limitations in representing minor hysteresis loops are addressed, and the proposed solution is the implementation of the G-model of hysteresis. A non-invasive methodology for magnetic characterization of three-phase transformers is proposed and validated. The mappings of losses in the windings and core of the transformer for different harmonic conditions are presented, and the influences of the amplitudes and phases of the harmonic components on these losses are discussed. Transformer tests are conducted, obtaining electrical and thermal responses that validate the proposed thermal modeling. To conclude, simulations on the electrical, magnetic, and thermal models of the transformer were carried out, allowing for the obtainment of the equipment?s thermal profiling under different operating conditions.