Desarrollo de una herramienta computacional para el análisis dinámico de bobinas de transformadores ante solicitación de alta frecuencia utilizando elementos finitos

Abstract

El presente trabajo aborda la simulación dinámica de bobinas transformadores ante una solicitación de tipo impulso. Se utiliza un modelo en variables de estado que se obtiene con una red de parámetros concentrados. Cada vuelta se representa como una rama resistivo-inductiva con acoplamientos inductivos y capacitivos. Para obtener los valores de los parámetros concentrados se implementan dos alternativas: una basada en el uso exclusivo de fórmulas analíticas, y otro que obtiene los valores capacitivos e inductivos mediante el uso del método de elementos finitos. Una vez obtenidos los parámetros concentrados de la red, se obtiene la respuesta dinámica mediante integración numérica. La solución de tensión es utilizada como condición de borde en una simulación electrostática de elementos finitos para obtener el potencial eléctrico en el dominio no conductor y posteriormente calcular el campo eléctrico. El campo eléctrico se compara con las curvas de materiales, permitiendo obtener factores de seguridad asociados a cada medio material. Se desarrolló una herramienta encargada de automatizar el proceso de cálculo para que el usuario solo ingrese valores de diseño, específicamente aspectos geométricos, de materiales y de interconexión de las vueltas. El resultado de cada ejecución es un reporte que informa los factores de seguridad de los materiales. El proceso de ensamble y obtención de respuesta dinámica se validó con los datos geométricos y oscilogramas de mediciones reales obtenidos de una memoria anterior [1]. This work addresses the dynamic simulation of transformer coils under a fast-front voltage impulse waveform. A state-variable model is used, wich is obtained from a lumped parameter network. Each turn is represented as a resistive-inductive branch with inductive and capacitive couplings. To obtain the values of the lumped parameters, two alternatives are implemented: one based on the exclusive use of analytical formulas, and another that obtains the capacitive and inductive values by using the finite element method. Once the lumped parameters of the network are obtained, the dynamic response is obtained by numerical integration. The voltage solution is used as a boundary condition in an electrostatic finite element simulation to obtain the electric potential in the non-conducting domain and subsequently calculate the electric field. The electric field is compared with material curves, allowing safety factors associated with each material medium to be obtained. A tool was developed to automate the calculation process so that the user only enters design values, specifically geometric, material, and turn interconnection aspects. The result of each simulation is a report that informs the safety factors of the materials. The assembly process and the dynamic response calculation, was validated with the geometric data and oscillograms of actual measurements obtained from a previous work [1].