The development of generative design technologies that solve the problems of structural optimization and digital twins, that is simulation models of devices with at least 95 % accuracy, is an urgent task. These tech-nologies are usually implemented on the basis of 3D models of physical fields, for example, using ANSYS Maxwell or COMSOL Multiphysics packages, which are demanding in terms of computer resources and de-signer skills. However, the sufficient accuracy for transformer digital twins can be achieved using chain and 2D field models. The article aims to develop the models to calculate the transformer with the accuracy and ability to take into account the design features of a particular device, which is characteristic of digital twins. This can be used in generative design of transformers and in the study of their operation modes. The finite element method implemented via the authoring EMLib library which allows calculating magnetic fields in a 2D formulation was used. The simulation methods using the MatLab Simulink SymPowerSystem package were also employed. The assumptions made during the power transformer simulation have been estimated. They include the possibility of using chain and 2D field models without taking into account the steel anisotropy with Dirichlet boundary conditions when calculating the scattering fluxes. 2D field models have been developed for calculating the main flux and scattering fluxes, which are able to form the basis for digital twin technology and generative design of transformers. A simulation model of a transformer implemented in MatLab Simulink has been provided. The possibility of using the models for diagnosing transformer faults has been demonstrated. The simulation results of a transformer with a defect have been presented. The results obtained can be used in the development of transformers to search for optimal designs and to study the results of design decisions without creating prototypes. The findings can also be applied while operating the transformers to assess the damage and failures without dismantling and according to the test results.
Development of the refined mathematical models of power transformers (digital twins), which make it possible to calculate arbitrary modes of operation of these devices with high accuracy and increased speed is an urgent task. Currently, such problems are solved using simulation packages such as MatLab Simulink. One of the disadvantages of the existing simulation models of the transformer is the assumption that own leakage inductance of the windings is used. This assumption is not always acceptable. Thus, the purpose of this article is to develop models of transformers using matrices of mutual inductance of the scattering field. The finite element method is used to calculate the magnetic field in a 2D formulation, implemented by means of the EMLib library, as well as simulation methods with the MatLab Simulink package are applied. The authors have estimated the features and basic assumptions while developing refined mathematical models of power transformers of various designs (two- and three-winding). It makes possible to ensure the required accuracy when simulating transient and emergency modes of transformer operation. Field models have been developed to determine the own and mutual scattering inductance matrices. Simulation models of transformers of various designs with the use of winding leakage inductance matrices have been developed. The results of simulation of dynamic processes in a transformer in various modes are presented. Comparison of the results of the operation of models with matrices of mutual inductances and without them is carried out. The results of the research can be used during the design of power transformers in design companies and in production environment. It is also possible to use the developed models during operation of power transformers for the analysis of static and dynamic modes of operation of sections of electrical networks.
Авторское резюме Состояние вопроса. При анализе симметричных трехфазных цепей синусоидального тока уравнение связи между комплексными фазными напряжением и током в обмотках трансформатора представляется в виде з акона Ома, при этом значение комплексного сопротивления всех фаз номинального режима можно определить по паспортным данным трансформатора. При нарушении симметрии напряжения и токи ветвей трансформ атора будут связаны матричными уравнениями. При этом определение элементов матрицы комплексны х сопротивлений ветвей трансформатора становится проблематичным и может быть произведено только с учетом параметров магнитной системы. Это является одной из причин применения метода симметричных составл яющих для расчета несимметричных режимов цепей с силовыми трансформаторами. Однако этот метод применим только для линейных систем. В связи с этим поиск теоретических подходов к определению элементов матрицы комплексных сопротивлений трансформаторов в любых несимметричных режимах с учетом насыщ ения магнитной цепи, потерь в стали на гистерезис и вихревые токи и несимметрии обмоток является актуал ьным направлением исследования. Материалы и методы. В основу исследований положен символический метод анализа разветвленных электрических и нелинейных магнитных цепей с использованием понятия комплексной магнитной проницаемости и матричных методов, основанных на полных трехфазных схемах замещения сетевых объектов. Результаты. Разработана математическая модель анализа нелинейных цепей, содержащих силовые трансформаторы, с учетом изменения их параметров в несимметричных режимах работы. Выводы. Предложенная модель позволяет рассчитывать несимметричные режимы работы трансформаторов с учетом дискретности и несимметрии структуры обмоток, насыщения магнитной цепи и потерь в стали на гистерезис и вихревые токи, а также с учетом влияния технологических факторов при симметричных и несимметричных режимах работы без использования метода симметричных составляющих. Предложенные алгоритмы могут применяться для моделирования несимметричных и аварийных режимов работы энергосистем, содержащих большое количество трансформаторов, что необходимо для разработки интеллектуальных электроэнергетических сетей с активно-адаптивными связями. Ключевые слова: символический метод, силовой трансформатор, несимметричный режим, анализ цепей, магнитная цепь, комплексная магнитная проницаемость
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.