Análise de perdas e aquecimento em enrolamentos de transformadores para sistemas fotovoltaicos sob ação de harmônicas: uma abordagem numérica axissimétrica e experimental

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Perin, João Pedro Pranke
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria
Brasil
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/36720
Resumo: Power transformers connected to photovoltaic power plants operate as step-up devices, enabling the dispatch of the generated energy to the transmission system. However, the presence of inverters in these systems can introduce high-order harmonics, whose interaction with the grid may result in resonances that affect transformer performance, especially in terms of losses and heating. This work presents a numerical and experimental investigation on the impact of current harmonics on power losses and temperature rise in windings of transformers subjected to a typical harmonic spectrum found in photovoltaic plants. The numerical analysis is conducted through coupled Finite Element Method simulations, considering both magnetic and thermal effects, with a focus on the windings and the electrostatic shield of a 9.1 MVA transformer applied to photovoltaic systems. In parallel, an experimental study was carried out using a 10 kVA single-phase distribution transformer subjected to the same harmonic spectrum. The results show that winding losses increase approximately quadratically with the harmonic order, highlighting the impact of harmonic distortion on the magnetic performance of the equipment. However, the resulting temperature rises, under typical operating conditions, were not significant enough to individually represent a direct threat to the service life of the analyzed transformers. Therefore, this study suggests that the impact of harmonics on temperature may not be the main factor associated with the observed reduction in service life of transformers connected to photovoltaic inverter systems. The adopted methodology, which combines numerical analysis with experimental validation, proved effective and can be applied to different transformer configurations and harmonic spectra, contributing to a deeper understanding of the behavior of these devices in harmonic-distorted environments.
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This work presents a numerical and experimental investigation on the impact of current harmonics on power losses and temperature rise in windings of transformers subjected to a typical harmonic spectrum found in photovoltaic plants. The numerical analysis is conducted through coupled Finite Element Method simulations, considering both magnetic and thermal effects, with a focus on the windings and the electrostatic shield of a 9.1 MVA transformer applied to photovoltaic systems. In parallel, an experimental study was carried out using a 10 kVA single-phase distribution transformer subjected to the same harmonic spectrum. The results show that winding losses increase approximately quadratically with the harmonic order, highlighting the impact of harmonic distortion on the magnetic performance of the equipment. However, the resulting temperature rises, under typical operating conditions, were not significant enough to individually represent a direct threat to the service life of the analyzed transformers. Therefore, this study suggests that the impact of harmonics on temperature may not be the main factor associated with the observed reduction in service life of transformers connected to photovoltaic inverter systems. The adopted methodology, which combines numerical analysis with experimental validation, proved effective and can be applied to different transformer configurations and harmonic spectra, contributing to a deeper understanding of the behavior of these devices in harmonic-distorted environments.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESTransformadores de potência conectados a usinas fotovoltaicas atuam como elevadores de tensão, viabilizando o despacho da energia gerada para o sistema de transmissão. Entretanto, a presença de inversores nesses sistemas pode introduzir harmônicas de ordem elevada, cuja interação com o sistema pode resultar em ressonâncias que afetam o desempenho dos transformadores, especialmente em relação às perdas e ao aquecimento. Este trabalho apresenta uma investigação numérica e experimental sobre o impacto das harmônicas de corrente nas perdas e na elevação de temperatura em enrolamentos de transformadores submetidos a um espectro harmônico típico de usinas fotovoltaicas. A análise numérica é conduzida por meio de simulações acopladas utilizando o Método dos Elementos Finitos, considerando os efeitos magnéticos e térmicos, com foco nas bobinas e na blindagem eletrostática de um transformador de 9,1 MVA aplicado a usinas fotovoltaicas. Em paralelo, um estudo experimental fora conduzido utilizando um transformador de distribuição monofásico de 10 kVA, submetido ao mesmo espectro harmônico. Os resultados obtidos indicam que as perdas nas bobinas aumentam de forma aproximadamente quadrática com a ordem harmônica, evidenciando o impacto da distorção harmônica sobre o desempenho magnético do equipamento. No entanto, as elevações de temperatura resultantes, em um cenário usual de operação, não foram suficientemente significativas para representar, de forma isolada, uma ameaça direta à vida útil dos transformadores analisados. Diante disso, este estudo sugere que o impacto das harmônicas sobre a temperatura pode não ser o principal fator associado à redução da vida útil observada em transformadores conectados a sistemas com inversores fotovoltaicos. A metodologia adotada, que combina análise numérica com validação experimental, mostrou-se eficaz e pode ser aplicada em diferentes configurações de transformadores e espectros harmônicos, contribuindo para o entendimento mais aprofundado do comportamento desses equipamentos em ambientes com distorção harmônica.Universidade Federal de Santa MariaBrasilUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaMarchesan, Tiago Bandeirahttp://lattes.cnpq.br/2318413245910780Bender, Vitor CristianoMassing, Jorge RodrigoLuz, Mauricio Valencia Ferreira daPerin, João Pedro Pranke2025-10-24T13:44:29Z2025-10-24T13:44:29Z2025-08-04info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/36720porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2025-10-24T13:44:29Zoai:repositorio.ufsm.br:1/36720Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2025-10-24T13:44:29Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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