Modeling of power transformers for frequency studies

Power transformers are fundamental to the operation of electric power systems, especially in power transmission and distribution. As they are located between the sources of energy and the final consumption, all the current demanded goes through this component. Thus, together with the lines / cables, the power transformers represent a significant portion of the power losses in this path. The mathematical models currently used in the load flow and harmonic flow studies use single-phase equivalents and don’t consider the contribution of the magnetization branch. This characteristic impairs the loss studies; makes unbalanced studies unfeasible, and also doesn’t allow flow analysis of zero sequence harmonic components. At first, this work presents a three-phase transformer model incorporating the neutral in admittance matrices; grounding impedance; different tapes and the magnetizing branch, without considering the non-linearity of the magnetization current. After this analysis, and in order to contribute to the determination of a mathematical process for the determination of nonlinear magnetization current, for different magnetic materials, a study was conducted to obtain the hysteresis loop using the Jiles-Atherton theory, considering the steel grain oriented silicon and non-oriented grain as magnetic materials. Dissertação (Mestrado)Transformadores de potência são fundamentais para a operação dos sistemas de energia elétrica, especialmente na transmissão e distribuição energética. Como estão localizados entre as fontes de energia e o consumo final, toda a corrente demandada passa por esse componente. Assim, em conjunto com as linhas/cabos, os transformadores de potência representam parcela significativa das perdas de energia neste caminho. Os modelos matemáticos atualmente utilizados nos estudos de fluxo de carga e fluxo harmônico utilizam equivalentes monofásicos e não consideram a contribuição do ramo de magnetização. Esta característica prejudica os estudos de perdas; estudos de sistemas desequilibrados e, também, não permite análises do fluxo das componentes harmônicas de sequência zero. Em um primeiro momento este trabalho apresenta um modelo transformador trifásico incorporando o neutro nas matrizes de admitância; a impedância de aterramento; diferentes tapes e o ramo magnetizante, sem considerar a não linearidade da corrente de magnetização. Após esta análise, e visando contribuir na determinação de um processo matemático para a determinação da corrente não linear de magnetização, para diferentes materiais magnéticos, foi realizado um estudo direcionado à obtenção do laço de histerese utilizando a teoria de Jiles–Atherton, considerando o aço silício de grão orientado e grão não-orientado como materiais magnéticos