Modelagem caixa preta de transformadores de potência em amplo espectro de frequências

• Main Author: Junio Cesar Souza da Silva
• Other Authors: Alberto Resende de Conti
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Minas Gerais 2014
• Online Access: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-9PRGWQ

=== This dissertation focuses on the construction of linear wideband black box models for single-phase and three-phase transformers that are able to reproduce the behavior of such equipment in a frequency range of 10 Hz to 2 MHz. Three different transformers are considered, namely a 75 MVA and 240/ 3 ±2x2,5% / 13,8 kV single-phase power transformer, a 12 VA and 127/12 V single-phase transformer, and a 3 kVA and 220/110 V three-phase transformer with Dyn5 connection. In order to characterize these transformers terminal behavior, their admittance matrices are used and obtained in one of the following conditions: (a) inversion of the impedance matrix that is measured with the transformers terminals open; (b) direct measurement in tests with the transformers terminals short-circuited; or (c) modification of the measured admittance matrix by the inclusion of the transformer voltage ratios or, in the particular case of the three-phase transformer, by the correction of the zero sequence components. In all cases, for the purpose of mathematically representing the input/output behavior of the evaluated transformers, the procedure of systems identification known as vector fitting is employed in which each element of the measured admittance matrix is approximated by a series of partial fractions. The developed models based on this technique are implemented in a computing platform by means of two distinct approaches, depending on the situation assessed. In the first approach, the resulting model is represented as a RLGC equivalent circuit. In the second approach, the resulting model is represented as state equation matrices. In order to validate the implemented models, three comparative studies on theoretical and measured results are presented both in frequency domain and in time domain. In frequency domain, the ability of the implemented models to reproduce the frequency responses of the real transformers is evaluated. In time domain, a practical study of transferred voltages is presented, where resistive loads are connected to the low voltage (LV) terminals and impulsive voltage waves of distinct time characteristics are applied to the high voltage (HV) terminals of the transformers. The obtained results show that the proposed models are able to accurately represent the behavior of the evaluated transformers in different conditions. They also show that the adopted technique of system identification can be readily extended to transformers of any size and rating, as long as proper attention is given to the frequency response measurements. === Esta dissertação dedica-se à implementação de modelos caixa preta lineares de transformadores monofásicos e trifásicos que sejam capazes de reproduzir o comportamento desses equipamentos em uma faixa de frequências de 10 Hz a 2 MHz. São considerados um transformador de potência monofásico de 75 MVA e 240/ 3 ±2x2,5% / 13,8 kV, um transformador monofásico de 12 VA e 127/12 V e um transformador trifásico de 3 kVA e 220/110 V com conexão Dyn5. Para caracterizar o comportamento terminal desses transformadores utilizam-se matrizes de admitâncias obtidas em uma das seguintes condições: (a) inversão da matriz de impedâncias medida com os terminais do transformador em aberto; (b) medições diretas em testes com os terminais do transformador em curto-circuito; ou (c) modificação da matriz de admitâncias medida por meio da inclusão de relações de tensões transferidas medidas ou, no caso particular do transformador trifásico avaliado, da correção de componentes de sequência zero. Em todos os casos, para representar matematicamente o comportamento entrada/saída dos transformadores avaliados, emprega-se o procedimento de identificação de sistemas conhecido como vector fitting, no qual cada elemento da matriz de admitâncias medida é aproximado por uma série de frações parciais. Os modelos elaborados a partir da aplicação dessa técnica são implementados em plataformas computacionais por meio de duas abordagens distintas, dependendo da situação avaliada. Na primeira abordagem, o modelo resultante é representado como um circuito RLCG equivalente. Na segunda abordagem, o modelo resultante é representado na forma de equações de estado. Para validar os modelos elaborados, são apresentados estudos comparativos entre resultados teóricos e experimentais tanto no domínio da frequência quanto no domínio do tempo. No domínio da frequência, avalia-se a capacidade de os modelos implementados reproduzirem as respostas em frequência dos transformadores avaliados. No domínio do tempo, é apresentado um estudo de tensões transferidas entre enrolamentos em que cargas resistivas de diferentes valores ôhmicos são conectadas aos terminais de baixa tensão (BT) e ondas de tensão impulsivas com tempos característicos distintos são aplicadas nos terminais de alta tensão (AT) dos transformadores. Os resultados obtidos demonstram que os modelos propostos são capazes de representar com suficiente precisão o comportamento dos transformadores avaliados em diferentes situações de aplicação. Sugerem também que a técnica de identificação de sistemas adotada pode ser prontamente estendida a transformadores de qualquer dimensão e potência, desde que os devidos cuidados sejam tomados durante as medições de resposta em frequência.