Modelo detallado de un transformador de potencia: análisis del desequilibrio de tensión

Abstract

El objetivo de este estudio consiste en analizar un transformador en condiciones desequilibradas de funcionamiento tanto en tensión como en carga. Para alcanzar este propósito, se comienza presentando un modelo simple pero preciso de un transformador trifásico de dos devanados para condiciones de desequilibrio en estado estacionario. Este modelo es válido para diseños de núcleo de tres columnas, cinco columnas o banco de transformadores. El caso en el que se basa este estudio se centrará en el primero al ser la estructura del transformador ensayado en el laboratorio. Se han empleado circuitos eléctricos y magnéticos para desarrollar el modelo, el cual quedará completamente definido a partir de cinco valores: las impedancias de primario y secundario, las reluctancias magnéticas del núcleo y del aire o cuba, y la resistencia del hierro. Seguidamente se expondrán los ensayos del transformador (vacío, cortocircuito y homopolar), explicando cada uno de ellos, mostrando los circuitos y conexiones propios de cada uno y realizando los cálculos necesarios para obtener los datos mencionados a partir de ellos. Posteriormente se tratará de validar el modelo. Para ello se desarrollará una simulación en Simulink a partir de los circuitos propios del modelo y de los datos característicos del transformador, con la cual se estudiarán los ensayos para comprobar si los resultados obtenidos son los mismos que se habían calculado a partir de los datos aportados por el fabricante. También se realizarán los ensayos en el laboratorio para observar la desviación de los valores teóricos y reales. Por último, se introducirán tomas al modelo y, tras comprobar su correcto funcionamiento, se someterá a la simulación a condiciones desequilibradas con distintos tipos de cargas (impedancia o potencia constante), tratando de corregir las diferencias entre los niveles de tensión de las fases manipulando individualmente las tomas de cada una de ellas, con el objetivo de analizar si esta corrección es beneficiosa, comprobando si permite minimizar pérdidas respecto a la situación inicial con igual número de espiras en cada una de las fases.

The objective of this study is to analyze a transformer in unbalanced operating conditions in both voltage and load. To achieve this purpose, we begin by presenting a simple but precise model of a two-winding three-phase transformer for steady-state unbalance conditions. This model is valid for three-column, five-column, or transformer bank core designs. The case on which this study is based will focus on the first as it is the structure of the transformer tested in the laboratory. Electrical and magnetic circuits have been used to develop the model, which will be completely defined based on five values: the primary and secondary impedances, the magnetic reluctances of the core and the air or tank, and the resistance of the iron. Next, the transformer tests (open circuit, short circuit and homopolar) will be explained, explaining each one of them, showing the circuits and connections of each one and carrying out the necessary calculations to obtain the mentioned data from them. Later we will try to validate the model. To do this, a simulation will be developed in Simulink based on the model's own circuits and the characteristic data of the transformer, with which the tests will be studied to check if the results obtained are the same as those calculated from the data provided by the manufacturer. Tests will also be carried out in the laboratory to observe the deviation of the theoretical and real values. Finally, taps will be introduced to the model and, after checking their correct operation, the simulation will be subjected to unbalanced conditions with different types of loads (impedance or constant power), trying to correct the differences between the voltage levels of the phases by manipulating individually the taps of each of them, with the aim of analyzing if this correction is beneficial, checking if it allows minimizing losses with respect to the initial situation with the same number of turns in each of the phases.