. '-- .--,) T R A S F O R MA T O R I D I M I S U R A - GENERALITA' strumenti di misura vengono generalmente allestiti per portate a~perometriche e vo1tmetriche, non eccessive, sia perch~ ne risulta più semp1ice 1~ costruzione, sia perch~, specialmente con le alte tensioni, vi. sarebbero pericoli per chi usasse gli strumenti stessi. Ebbene il prob1ema di ridurre le intensità e le tensioni modesti si risolve a valori be~c adoperando i cosiddetti Trasformatori di misura che, per le intensità di corrente prendono il nome di trasformatori di corrente (TA) e p~r le tensioni prendono il nome di trasformatori di tensione (TV). L'uso di questi trasformatori ~ molto esteso per i seguenti motivi: I) Economia: cio~ per impiegare strumenti di misura di modesta portata più facilmente costruibili, meno costosi e pia facilmente reperi bl1 i 2) Sicurezza: speci al mente -quando si tratta di effettuare misure su c~r~ cuiti a tensione superiore ai 400 V. possono usare strumenti con autoconsumo limitato e più 3) Precisione:si precisi, anche tenendo conto degli inevitabili errori c~e i TV ed i TA introducono nelle misure. Gli strumenti di grande portata hanno sempre limitata precisione. Gtl . TRASFO~MATORI DI CORRENTE I di corrente TA, dovendo misurare un'intensità di correnhanno 1 te. 'avvo1~imento primario collegato in serie sulla linea sulla quale si deve effettuare la misura. Il segno grafico del C.E.I. per rappresentare un trasformatore di corrente è in fig.! trasformatori F'6.~ Per i TA si definisce 11 RAPPORTONO~INALE di k"" ~ dove I""".(.I",~sono daria. E1 da dire corrente che laI!W\L ~ normal izzata, cio~ Ad esempio: kl\'\ ".' -- ~OOA- iA -> =- .400 ~ ..oL. corrente nominale primaria J: 1\'\.J. 4A °fP"'~ ~ e secon::o.SA -, " I TA, come si l'isolamento è già dalla accennato, vengono usati anche quando è richiesto rete. A tal proposito si supponga di avere misurare la corrente~ ebbene si agirA una linea come in monofase fig. 2 e di voler FIGrJ, Si agisce in questo modo, quando la linea è a media tensione (es:IOKV); infatti volendo applicare uno strumento su una tale linea, 10 strumento deve essere isolato per tale tensione {infatti gli strumenti presentano nei valori di targa anche la tensione di isolamento massima che può essere sopportata). Allora se 10 strumento non è isolato adeguatamente, si ricorre a111uso di un TA, adottando particolari accorgimenti, infatti alle alte tensioni il secondario può assumere tensioni pericolose a causa della capacita e1ettrostatica del trasformatore (i due avvo1gimenti in rame separati da111iso1ante costituiscono le due armature di un condensatore). [I da tenere presente anche la capacitA tra linea e terra, perciò è prudente a terra connettere un morsetto -L I del secondario, come in fig.3 fmu~ F16. ~ " IB , , , - - - - - I I I I - N.B. La messa a terra può avvenire anche in B (fig.3), ferenza è che in piO c'è la caduta ne11'amperometro. l'unica dif- Ino1 tre. và sempre II:pnnessa a terra la: carcassa metall ica del TA, in quanto la carcassa può avere un potenziale pericoloso perchè bisogna considerare le capacità tra avvo1gimento e carcassa e tra carcassa e terra. N. B. I TA vengono usati non solo per misure di ~orrente, misure di tipo wattmetrico. ma anche per _. ,. Si ti, PRINCIPIO D DI FUNZIONAMENTO (primario considerino o due due circuiti circuiti ebbene possiamo pos ebbene scrivere: possiamo scrivere: N~ ì~ Ora se agiamo sulti molto in ,. modo che minore di I~ . . I. i,. ++ N4, N",Ii, e da questa, questa, deriva deriva N~ i l la ~ e secondario) N~ fio corrente . del scrivere: trasformatore ~ I~ ri- .. ~ I ~ 1.~ sempre nell'ipot I tJ~ N.£ I IJ, J, -=-0 =o che ed Ì,t sussiste che per per i moduli moduli di i~ ed Ì, sussiste .I -\. -= !:!t.. ~ I"). = I 1 . th. =.> 'l. = '1 . W 1-:: tJj.. ~L acco~ accoppia- i ~ ::. tR, a vuoto è possibile mutuamente I sia trascurabile la re1azior relazione ~ risM:to i. a l"" e ciO si a la riluttanza e/o il flusso ottiene rendendo Si puO al può ridurre a minimo o la la ririluttanza magnetica del nucleo usando usando materiale di altissima permeab alt permeabilitA alle basse induzioni. Tali matedi ferro e nichel chiamate perria1i sono costituiti da leghe a leghe a base per riali sono costi ma110y,mumeta11, ect. che Rendere piccolo il flusso so lJ si significa che la la ttensione al secondario ,ndizione di corto sia piccola, al limite zero, corto circuito. zero, ee cio~ condizione A questo punto diciamo che: che: \(t = ~ ~ ~è ilil rapporto teorico cioè cioè il rapporto a cui si tende nella costruzione di un TA, al qualele perO, perO, come si è fatto notare, non si giunge si definisce ge mai. mai. quindi nisce il11 rapporto nominale (che è fornito dal costruttore) .~ItM I~~ \<'" corrente primaria corrente secondaria nominale nominale Esiste poi il rapporto effettivo K ~ J che non è neanche costante a tutti i carichi cioèK~ dipende dalle condizioni di funzionamento. E' da dire che il rapportoK.non si conosce in modo preciso, ed allora ci si riferisce al rapporto Kn, introducendo cos1 un errore, detto ERRORE DI RAPPORTO, definito come segue: "" -:n-v dove dove r~ A mentre I-i b a se a base a kKIfIIW\ -F..:a 1 n..n fra loro .l.1l~~"c..)-I~/t{"fI: -: I.1l~~"c..) -l../K... ; r.~ / t<,.. -: l'''/t<... la corrente I-\. che effettivamente è la corrente . I,.j("fI-I~= che si = t<,.,.-I~/rl. I circola ipot1zza che circol ::.K",-I<~ ~ 4b nel secondario, ~ /IJ. i nel primario in I no 1t r e i n un TA do v r e bbe e s s er e I~ e l J. e sa t t ament e a I a 1800 1~ 1:~ IJ in ef~etti è oppure :1:4 1.. Si ha perciO nei TA un errore di fase il quale è variabile col carico del TA. N.B. L'esistenza di tale angolo non provoca errori nella misura di correnti ma ne provoca nella misura di potenza ed en~rgia. Nel caso più Comune di carico induttivo, un Wattmetro alimentato attraverso TA segna in più se l'angolo E è positivo, e segna in meno se l'angolo è negativo. - PRESTAZIONE DEI TA. CLASSI DI PRECISIONE Un trasformatore di corTente glia di amperometri o circuiti caricato ed i suoi errori di TA non può alimentare un numero qua1sivoamperometrici, altrimenti resta sovracfase e di rapporto escono dai limiti di garanzia. Viene quindi definita una PRESTAZIONE (in vo1tampere VA), la poter potenVA) t cio~ cioé la voltampere za apparente che può erogare senza uscire dai limiti di Tale pl podi errore. errore. Tale tenza va riferita al valore nominalele della corrente secondaria ed al rl resecondaria ed al re1àtivo fattore di potenza, per cui si parlerà di prestazione nominale. par1era Si introduce pure una prestazione effettiva che ~ prodotto tra tenè il sione e corrente che in un certo momento TA eroga. Dal punto di viso omento il vista della precisione, i TA impiegati negli impianti elettrici a frequenza egli n negli industriale sono divisi in cui determinati limit' limiti cui corrispondono in classi, classi, limiti determinati massimi per gli errori di rapporto e di fase; le principali sono le se e di fase; le principali sono le sedi rapporto principali guent i : --- -- sopra riportati, in sono in generale: inn cui valgono i limiti per i TA: co corrente primaria fra ,il 50 e 11 120% della nominale carico, a co cos~= 0,8 induttivo, compreso fra il 100% e il 25% de 11 a Le condizioni a) b) . fJrél$tazione. o' -5I parametri caratterizzanti TENSIONE DI CLASSE. DI PRESTAZIONE FREQUENZADI RAPPORTO d1 un TA sono (dati ISOLAMENTO (per PRECISIONE NOMINALE ESERCIZIO targa): l'isolamento) NOMINALE N.B. Esistono TA che presentano rò corrispondono diverse classi ".. di più rapporti di precisione. e più prestazioni a cui pe- -6TRASFORMATORIDI TENSIONE Un trasformatore rivazione fra tensione ;ione (o voltmetrico, o TV) sarA collegato morsetti I di di cui si vuol misurare la d.d.p. (fig.4) " -4 .lo O di i tl2. . "Fr G, 4 definisce il in de- ~ V:J. V Analogamente ai TA, per ne i " - TV si rapporto nominale di tensio- \,tt\ VJ.rft. doveV~i e~~~ sono daria; si definisce rispettivamente la tensione poi il rapporto teorico , kt -~ ed ~, 11 -~ftftft_.ft rapporto che definito primaria e secon- ~NJ. _~~_..4~_. effettivo: v non ~ costante porto. :; nominale ,,~ Vi. r\~~ a tutti i carichi. introducendo come segue: ~ -- "1 ..1 '4 i -V "-\ K - ""- -L K"" - cos1 l'errore di rap- "" U!1 Ktl!: K", Inoltre poichè la tensione V~ ap~licata al primario non è esattamente a 1800 con la tensione Vt,come invece lo sono le f.e.m. -E-1, ed E,z"ribal-tando la v~ di 1800 risulta (fig.5) che la -V~ è sfasata di un certo an9010£ rispetto a V"detto angolo di errore. 7 ~ ~ FIG.5 Vediamo ora per i TV quali sono le condizioni circuitali e di funzionamento affinchè gli errori di fase e di rapporto siano ridotti. Facciamo riferimento allo schema di fig.4 Ebbene i n ta 1 caso possiamo scrivere: = (primario) (secondaria) Al primario + + + + spetto a E.i~risulta: . . V~ ~ E~ Analogo discorso secondario correnti, assorba solo . I i po t e 5 i c he R~I -i e X" I~ siano se facciamo al piccole . j Xi.I~ ..., . i ri- tJ} e con l'ipotesi risulta che 10 strumento (fig.4) El. (t) ( t) e (2) Facendo 11 rapporto tra trascurabil si ottiene: - ..., Sapendo che 11 modulo è = K N~ risulta quindi che è giusto - ... ... N,t tJ~ Nl scrivere \( hob&o e si tende a tale E..1 -:. rapporto PRESTAZIONE. CLASSI DI .s" N~ nella costruzione dei TV. PRECISIONE Un trasformatore di tensione non può alimentare un numero qua1sivog1ia di vo1tmetri o circuiti vo1tmetrici, perchè oltre un certo limite esso resta sovracc~ricato; quindi aumentano i suoi errori d'angolo e di porto e possono uscire dai limiti fissati dal CEI. Per prestazione s'i~tende la potenza apparente in (vo1tampere) dal complesso di strumenti alimentati dal secondario. Tale potenza (scritta sulla targa del trasformatore di misura) va riferita al re nominale della grandezza secondaria. l 1c3-5 1988 COMPORTAIIINTO1181 TRASFORIIATORI DI CauutNTI IN AllBIIJITK INQUINATO AUTOCOIIPINSAtt N. O'Apuuo (1), N. Savut8no (2) La diffusione dei trasformatori di corrente c~nsati elettronicaMente in differenti applicazioni s1a nei laboratori di .isura di precisione sia in re.po industriale cOMporta l'esigenza di verificare la loro i..unitl alle interferenze causate dall'inquinamento dell'ambiente in cui si trovano ad operare. In assenza di una specifica nonDItiva gli autori sulla base delle esperienze acquisite nella utilizzazione dei trasfonnator1 di corrente autocompensat1, e delle indicazioni fornite dalle ratcomandaz1oni nazionali ed internazionali per apparecchiature di tipo s11111are, suggeriscono alcune soluzioni che possono essere adottate nelle prove di illlll.miti per questi dispos1tiv1. Un'indagine sperf_ntale f stata condotta su trasformatori di corrente cOMpensati elettronicamente, di tipo c..-rciale caratterizzati da esteso ~ di funzionamento in corrente (100 JJA - lOOA) ed in frequenza (50 - 5000Hz). 1. INTRODUZIONE. Attualmente sono disponibili sul mercato trasfor_tori di corrente cOlipensati elettronicamente (TAC). le cui caratteristiche peculiari sono: (i) dimensioni particoll,.nte ridotte rispetto I r uel1e dei trasfol"llltori di corrente tradiziona11. 11) frequenze di illpiego cOliprese tra 50 e 1000 Hz iii) possibilita di avere uscite di tipo voltme- gruppi di conversione ed a quella di transitori di varia natura quali fluttuazioni. variazioni impulsive. sovracorrenti. variazioni di frequenza /2/. Nel caso specifico dei trasfonnatori di corrente compensati elettronicamente occorre inoltre tener presente i rumori generati internamente al dispositivo dai cOlllpOnenti Ittivi e passivi illlpiegati per rea11zzare 11 circuito di cOlipensazione. Evidente8ente l'..piezza del rumore intrinseco costi- trico. (iv) illipedenza prilllrii est nte blssa. (v) possib11iU di raggiungere precisioni estremamenteelevate con costi accettabili. Questi requisiti hanno reso possibile una notevole diffu- tuisce una caratteristica propri I del dispositivo ed 11 costruttore ne deve tenere conto nel1e specifiche. sione dei TAC sii nelle applicazioni industri,li a frequenza di rete ed al1e frequenze acustiche sia nelle misure di elevata precisione dove essi ven9Ono impiegati per il condiziona.ento dei segnali di corrente. LI possibile influenza sui TAC di sorgenti di interferenza irradiata e/o condotta. comporta due ordini di probl..i: il pri80 t quello di introdurre il concetto di immunita per questi dispositivi. il secondo t quello di definire un'adeguata metodologia di misura Il fine di verificare il livello di illlllUnita dei TAC nei riguardi dei diversi tipi d'interferenza. Nel1e differenti IIOda1tU di impiego. come hanno dilllOstrato recenti indagini /1/. i TAC sono sog- getti ad interferenze che ne possono ridurre l'accurltezzl Il di sotto dei limiti ottenibili teoricamente. Le sorgenti di disturbo possono classificarsi in quel1e che interferiscono in modo irradiato sul dispositivo ed in quelle di tipo condotto che alterino 11 segnale di corrente app11Cito Il pri_rio del TAC. Trl le prime le piO illlportanti sono: i callpi _,neUci in corrente continul o lentamente vlriabili. i campi magnetici in corrente alternata prodotti da correnti I frequenza uguale o piO elevata di quelli di funziona..nto. i c.., i elettrici prodotti da tensioni a frequenza uguale o superiore I que111 di funzionlmento. i campi elettromagnetici prodotti da sorgenti I rldiofrequenza. Trl le seconde sono rl1evanti i ritorni di terra e l'inquinamento del1a rete d'alimentazione dovuto essenzialmente 1111 presenza di armoniche di corrente generate da - (1) M. D'Apuzzo - Diparti..nto d'Ingegneria Elet- trica Universita de l'Aquila. (2) M. Sivasuno - Centro di Studi Ibridi. CNRNapoli. sui CIlcolltori E' noto che come i-.unita a un disturbo si definisce 11 capacita di un apparecchio di funzionare senza degrado di qua11U in presenza di una perturbazione elettromagneticI. Nel caso specifico dei trasfor'lllltori di corrente cOlllpensati elettronicI..nte l'individuazione di tale li_ite potrebbe non essere unico. 111funzione del1a classe di precisione richiesta e quindi del tipo di Ipplicazione che 11 TAC t chil...to a svolgere. SeIIbr. evidente che piO spinte sono le prestazioni desiderate. piO elevato sara il grido di immunita necessarto a110 scopo: cil> potrebbe comportare un increlllento dei costi di produzione con la conseguente lIinore incidenza di uno dei requisiti che 11scii preferire Auesti trlSfol'llltori di corrente a quelli di tipo tradizionale. Il secondo proble111. e ciot l'individulzione di adeguate metodolo- gie di misura. comporta sii Il scelta di Ipparetchiature e cO8pOnenticon specifiche definite sia la corretta individulzione dei para..tri 11 quali ad esenpio portata. cltllpo di impedenza del circuito d'uscita. funzionafrequenza. lc3-5 N.O'Apuz&o,I:.Sav.at8no: Comport_nto dei 14froflte dei n~nciiCiti probìetlli, Nrcò a1 ;lo state una ~rmetiva specifica: divie~ Quindi indispensabile trasferire al caso dei trasfonlltori di corrente cGlpensati elettronicamente le esperienze acquisite in altri settori. Nella presente IIIIIIIOrfa 91f autori riferiscono df un fndagfne svolta su alcuni TAC. attual8eflte presenti sul mereato .frata ad accertare 11 1fvell0 di f._mftl df tali dfsposftfvf nei riguardi df differenti sorgenti df disturbo. truforlllltor1 J. di corrente autocOtlpellaati 2 ESEMP! C: iMHl60 La naturadell' interferenzaed 11 11vellodi i. muniti richiesto per il TAC dipendono dal tipo di applicazione. Vengono pertanto riportati alcuni tipici esenpi di i.piego dei trasfol"'llllltori Calpensati elettronicamente secondo 10 sch... di fig. la. _ssi a punto presso 11 Dipartillento Elettrico per l'Energia dell'Universitl di Napoli. in collaborazione con 11 Dipartillento Elettronico ed 11 Centro di Studi sui Calcolatori Ibridi del CNR. a) TACcupione 161 2. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO. Mell1 fig. 1 sono riportati g11 sch.i del principio di funzionallento dei trasfol"'llllltori per corrente alternata cOlpensati elettronicaMente: II tecnica di cCllpenslzione consiste nel ridurre I zero 11 flusso IIIIgnetico nel nucleo 111l1entando opportunamente l'evvolgillento secondario trUlite un l.p1fficltore operazionale Il qulle . Ipp1fcato un segnale proporzionale Il flusso stesso ottenuto da un IVvo"gillento d'ingresso Ns. ~ N di gran lunga superiori a quelle d'impiego dei TAC R , . ) - R b) Trasfol"'llllltore di tensione cUlpione lutocompeniitO'iTift roni ca_nte7Tl b ) Fi,. 1 - ScheIai di principiodi trasfon81tori di corrente COIIIp8nsltielettronic...nte. la f1g.11 rlppresentl 11 soluzione che 1l1p1egl un terzo IvvoTg1Mf1to COlle sensore del flusso _gnet1co /3/. Nel TAC di fig. 1b. oltre Il terzo IVvol y1_nto. ne viene 1l11p1egato un quarto che e ut1 1zzlto co.e Ivvolg1mento secondlr10 di un trasfol"8tore di corrente di tipo trld1z1onale. In questo ClSO l'Ulpl1f1cltore deve fom1re solo la potenzi necessari I per annullare 11 flusso risultante pari 1111 differenzI trl le tensioni t1che pr1..r1a e secondar1I/4/. Nena presente nota, l'indagine 'non t stata estesa ai trufo tori di corrente autocQlpensaU che possono funzionare anche in corrente continua poicht le toro caratteristiche costruttive in genere non consentono di ottenere elevate precisioni /5/. Nel seguito verranno presi fn es.. TAC f1 cui principio df funzfona.."to t IK)strato fn ffg.la: essi hanno fl vantaggio df presentare l'uscfta fn tensione che pub essere utf1 fuata dfrettallente come ingresso di convertitori analogi co/nulleri ci per l'elaborazione numerica del segnale. ~:0 possono dar luogo ad inconvenienti se 11 circuito di c_pensazione non t sufficientemente schel"'lllllto. Occorre considerare anche 11 rumore intrinseco dei dispositivi riducendolo mediante un'adeguata scelta dei componenti attivi e passivi del circuito di c08pensazione elettronica. Nel caso specifico 11 trasfo...tore di misuri operi in regi... stazionario ed il rumore intrinseco del dispositivo viene mediato dalle apparecchiature nulleriche i.,iegate. : ":;' I trlsfol"'llllltori di corrente COIIIpenslti elettroniCUleflte sono stati ut11izzlti COIIIe callpioni per ca1fbrlre sii trasfol"8tori di tipo tradizionale sii piccoli trasfon81tori per strumentazione elettroni CI. I TAC ut11 izzlti. Il variare sia del carico Il secondario sii della frequenza tra 50 Hz e 1250 Hz hanno presentato errori di rapporto ed ango10 contenuti rispettivUlente entro 10 0.011 e 0.06 ctrld. In questo tipo di applicazione occorre considerare essenzillllente le interferenze dovute sia li c_i ugnetici che ai rldiodtsturbi. I primi danno luogo Id inconvenienti solo se interagiscono con gli Ivvolgillenti d'ingresso e di c-pensazione. I secondi contraddistinti da frequenze I TAC sono stati inseriti Il primario di trasformatori di tensione di tipo tradizionale come sensori dell1 corrente primaria: in questo 8Qdo. tralIite un circuito di ..,lificazione ed un Ivvolgi.nto ausiliario. pe...ttono di compensare le cadute di tensione Il prillllrio del trasformatore di tensione InnullaRdone praticUlente g1f errori di rapporto e di angolo nel funziona_nto I vuoto.ln questo tipo di appliclzione i TAC. alla frequenza di rete. devono rilevare correnti dell'ordine del- la decinadi fIA ed operino necesslri_nte in prossillitl di trasfonnatori di tensione. Possono pertanto essere rilevanti disturbi esterni ed interni che sovrlpponendosi .1 segnale d'ingresso riducono l'efficlci. della cCllpensazione. c) Mfsuratore ro di energia e di potenza elettricI Il TAC f stato illlpiegato sia COllI trasduttore di corrente sia per la COIIpensazionedegli errori di un trasformatore di tensione di tipo tradizionale. In tal 8Odof stato possibile ridurre drasticamente gH errori d'angolo dei due canili d'ingresso al contatore per il quale f stata ottenuta un accuratezza dello 0,11 con variazioni del carico tra il 100 e l'1S e con COI. -I e cos, - 0,5, grazie all'i.piego COie MOltiplicatore di un convertitore IlU8erico-analogico. In questo tipo di applicazione i TAC lono installati all'interno di un'apparecchiatura di .isura di tipo elettronico dotata di proprio a11l1entatore. Dovendo l'apparecchiatura operare su11a rete, occorre tener presente anche de11e interferenze di tipo condotto, dovute ad eventueU ennoniche o trensitori presenti sulle linea di alillentlzione.