Dispositivi per le misure su sistemi elettrici

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1 Convertitori di corrente e di tensione Dispositivi per le misure su sistemi elettrici Trasformatori di misura Scopo dei trasformatori di misura I trasformatori di misura sono dispositivi impiegati negli impianti di produzione, trasmissione e distribuzione dell energia elettrica in associazione agli strumenti per la misura delle tensioni e delle correnti e delle quantità correlate (ad esempio la potenza e l energia). Esistono trasformatori di corrente (TA) e trasformatori di tensione (TV). Ai fini della misura, il loro scopo è di ridurre il valore delle correnti e delle tensioni a livelli applicabili alla strumentazione. In Fig. 1.1 è riportato un esempio di inserzione su una linea alla tensione V 1 che porta la corrente I 1 : il TV è collegato con il primario in derivazione sulla linea, mentre il TA è collegato con il primario in serie; gli strumenti di misura (voltmetro e amperometro) sono inseriti al secondario e misurano le quantità V 2 e I 2. Poiché i sistemi per l energia presentano di solito livelli di tensione pericolosi per l uomo, un altra importante funzione dei trasformatori di misura è quella di stabilire il dovuto isolamento per la sicurezza dell operatore. A tale scopo un punto del circuito secondario deve essere collegato all impianto di protezione contro i contatti indiretti, come evidenziato dal collegamento di messa a terra in Fig.1.1. In tal modo si evitano i rischi dovuti a eventuali difetti di isolamento interno, nonchè quelli originati dalle tensioni di induzione elettrostatica fra primario e secondario. Le Norme di riferimento per i trasformatori di corrente (TA) sono le EN (CEI 38-1). pag. 1

2 Convertitori di corrente e di tensione Le Norme di riferimento per i trasformatori di tensione (TV) sono le EN (CEI 38-2). Caratteristiche dei trasformatori di misura I trasformatori di misura sono caratterizzati innanzitutto dal rapporto fra le grandezze al primario e al secondario, in condizioni nominali, detto rapporto di riduzione nominale: Esempio: per un TA: K In = 200/5 (A/A); per un TV: K Vn = /100 (V/V). Un valore tipico per la corrente secondaria dei TA è 5A. Un valore tipico per la tensione secondaria dei TV è 100V. Un trasformatore di misura ideale dovrebbe ridurre le ampiezze delle quantità al primario secondo il rapporto nominale K n, lasciando inalterate le fasi. In realtà ciò non avviene per diverse ragioni. Con riferimento alla Fig.1.2, indicando con N 1 ed N 2 rispettivamente il numero di spire dell avvolgimento primario e secondario e osservando che i TV e i TA sono sempre dispositivi riduttori delle grandezze primarie, risulta: Tali relazioni mostrano che si può ottenere un valore approssimato per le ampiezze delle quantità primarie (I 1 o V 1 ) misurando le grandezze secondarie (I 2 o V 2 ) e moltiplicandole per il rapporto fra le spire (K Is o K Vs ). Si può osservare che per un TA caratterizzato da un assegnato rapporto spire K Is =N 2 /N 1, la differenza vettoriale fra la corrente primaria I 1 e quella secondaria riportata al primario I 21 è pari alla corrente magnetizzante I 0 (vedi Fig.1.2A). Analogamente per un TV caratterizzato dal rapporto spire K Vs =N 1 /N 2, la differenza vettoriale fra la tensione primaria V 1 e quella secondaria riportata al primario V 21 è pari alla caduta ΔV nei rami serie del circuito equivalente (vedi Fig.1.2B). pag. 2

3 Convertitori di corrente e di tensione Per i TA, al fine di ridurre la corrente magnetizzante I 0 rispetto a quella primaria, occorre operare in condizioni prossime a quella di corto circuito e curare il dimensionamento del circuito magnetico. Saranno quindi impiegati materiali magnetici ad elevata permeabilità, con nuclei di sezione elevata e piccola lunghezza. Per i TV bisogna invece limitare le cadute di tensione ΔV nei rami serie rispetto alla tensione primaria. Ciò si ottiene facendo in modo di operare in condizioni prossime a quella a vuoto e curando il dimensionamento degli avvolgimenti, per ottenere bassi valori delle resistenze e delle reattanze di dispersione. Compensazione del rapporto spire Se per un TA oppure un TV assumessimo come rapporti nominali (K In o K Vn ) i rapporti fra lespire (K Is o K Vs ) commetteremmo, come riportato nei diagrammi vettoriali di Fig.1.2, i seguenti errori fra i moduli: (I 1 -I 21 = I 1 -K Is I 2 ) oppure (V 1 -V 21 = V 1 - K Vs V 2 ). Per cercare di ridurre questi errori, nella pratica, il rapporto nominale (K In o K Vn ), dichiarato dal costruttore, non viene fatto coincidere con il rapporto spire (K Is o K Vs ). Infatti, per limitare in un TA l errore sulla differenza fra i moduli delle correnti, il costruttore dichiara un rapporto nominale K In maggiore del rapporto spire K Is =N 2 /N 1. In tal modo, misurata la corrente secondaria I 2, moltiplicandola per una costante K In >N 2 /N 1, si ottiene un valore che meglio approssima l ampiezza della corrente primaria I 1. Qualora viceversa sia assegnato un rapporto nominale K In, si costruisce il TA con un rapporto spire N 2 /N 1 <K In. Analogamente, per limitare in un TV l errore sulla differenza fra i moduli delle tensioni il costruttore dichiara un rapporto nominale K Vn maggiore del rapporto spire K Vs =N 1 /N 2, ovvero costruisce il TV con un rapporto spire N 1 /N 2 <K Vn. pag. 3

4 Convertitori di corrente e di tensione Il frazionamento del rapporto spire per la compensazione dell errore di rapporto nei TA e TV si presenta agevole solo quando si lavora con un numero elevato di spire N 1 ed N 2. Infine, queste compensazioni possono essere fatte solo entro certi limiti e per una particolare condizione di funzionamento, di norma quella nominale, e non valgono per le fasi. Errori Per i TA e i TV si definiscono gli errori di rapporto e d angolo, con riferimento ai rapporti nominali K In e K Vn. Si definisce errore di rapporto: si definisce errore d angolo Gli errori di rapporto e d angolo nei trasformatori di misura variano sia con il valore effettivo delle grandezze applicate al primario che con il carico strumentale applicato al circuito secondario. A tale scopo viene assegnata la prestazione del trasformatore di misura. Questa rappresenta il valore della potenza apparente (espressa in voltampere) che può essere richiesta al circuito secondario, quando al primario vengono applicate le grandezze nominali (la corrente I n per il TA o la tensione V n per il TV). Valori tipici per la prestazione dei TV sono: VA. Valori tipici per la prestazione dei TA sono: 2, VA. Per esempio un TA 200/5 (A/A) con prestazione di 30 VA, ammette una caduta di tensione massima sul carico al secondario di ΔV = 30/5 = 6 V sull impedenza Z = 6/5 = 1,2 Ω. Le caratteristiche di errore dei trasformatori di misura vengono assegnate mediante la classe di precisione. La classe di precisione rappresenta il valore limite dell errore di rapporto (in % del valore misurato). Per ciascuna classe di precisione, le Norme stabiliscono inoltre, anche i limiti per l errore d angolo (dato in centiradianti). Ad esempio, per i trasformatori di tensione, le Norme forniscono la seguente tabella: pag. 4

5 Convertitori di corrente e di tensione I valori della tabella devono essere garantiti dal costruttore per qualunque valore della tensione compreso fra l 80% e il 120% del valore nominale V n, con prestazione compresa fra il 25% e il 100% di quella nominale, con fattore di potenza di 0,8 induttivo. Analoghe specifiche valgono per i trasformatori di corrente, per i quali sono previste le classi: 0,1-0,2-0, Per i TA tuttavia i limiti degli errori ammessi vengono assegnati per campi più ampi delle correnti di esercizio. Ad esempio, per un TA in classe 0,1 vengono considerate diverse fasce che ricoprono il campo delle correnti di esercizio comprese fra il 5% e il 120% del valore nominale: Modalità di impiego dei TA e TV Trasformatori di corrente Il secondario di un trasformatore di corrente deve essere sempre chiuso in corto circuito su dispositivi amperometrici. Quando il secondario viene aperto mentre nel primario circola la corrente di linea, la tensione presente fra i terminali secondari aperti può raggiungere valori elevati. Questi possono costituire una condizione di pericolo per l operatore; inoltre possono danneggiare la tenuta dell isolamento fra le spire del secondario. La sovratensione secondaria è dovuta al ruolo di piena corrente magnetizzante assunto dalla corrente primaria (non più bilanciata dalle amperspire secondarie) e viene limitata solo dalla saturazione del nucleo. Per tali motivi il secondario può essere protetto con dispositivi contro le sovratensioni, che chiudono i terminali secondari in cortocircuito, in caso di intervento. Talvolta i trasformatori di corrente presentano il primario costituito direttamente dal conduttore di linea o da una sbarra passante entro il nucleo magnetico di tipo toroidale, mentre il secondario è costituito da un elevato numero di spire. Trasformatori di tensione Il secondario di un trasformatore di tensione deve essere chiuso su dispositivi voltmetrici con alta impedenza d ingresso. Pertanto, per motivi duali di quelli visti per i pag. 5

6 Convertitori di corrente e di tensione TA, il trasformatore di tensione sarà protetto contro le sovracorrenti (per esempio, tramite fusibili). Misure di potenza con TA e TV Si consideri la linea monofase di Fig.1.3, alla tensione V 1 e interessata dalla corrente I 1. La potenza attiva in transito è P 1 = V 1 I 1 cosφ 1. Per la corretta misura della potenza, attraverso l impiego di TA e TV, occorre innanzitutto precisare il significato dei contrassegni (i puntini) normalmente presenti sui morsetti primari e secondari dei trasformatori di misura. I contrassegni indicano che, in ogni istante del periodo, detti terminali hanno la stessa polarità e pertanto ai morsetti contrassegnati del secondario vanno collegati i morsetti contrassegnati (±) del wattmetro W. V 1 e I 1 rappresentano i fasori della tensione e della corrente di linea; V 2 e I 2 sono i fasori delle grandezze ai secondari dei trasformatori di misura. Queste grandezze secondarie, moltiplicate rispettivamente per i rapporti nominali K Vn e K In del TV e del TA, sono una stima delle grandezze primarie di interesse. Il TV introduce un errore assoluto d ampiezza E V = η V V 1 e un errore di fase ε V. Il TA introduce un errore assoluto d ampiezza E I = η I I 1 e un errore di fase ε I. In particolare, l errore commesso nel riprodurre lo sfasamento fra la tensione V 1 e la corrente I 1 risulta dai contributi degli errori di fase (ε V e ε I ) del TV e del TA. Della potenza in transito P 1 = V 1 I 1 cosφ 1 si ottiene la stima P 1 K Vn V 2 K In I 2 cosφ 2. L errore di trasduzione E p, nel caso peggiore, si ottiene con la nota regola In tale ipotesi, l errore assoluto sulla potenza per effetto dei TA e TV risulta allora: pag. 6

7 Convertitori di corrente e di tensione Non essendo noto a priori il segno degli errori, il caso peggiore porta a sommarli in valore assoluto. Una stima meno penalizzante dell incertezza potrebbe essere ottenuta ricorrendo a una combinazione quadratica delle incertezze. Infine, per ottenere l errore totale della misura della potenza, bisogna sommare l errore introdotto dal wattmetro. Si nota che l errore è critico per misure con basso cosφ, dove pesano molto gli errori d angolo. Per completezza riportiamo anche, in Fig.1.4, lo schema d inserzione, tramite trasformatori di misura TA e TV, per il caso di un sistema trifase a tre fili. Nel realizzare lo schema è bene porre attenzione alle connessioni, rispettando i morsetti contrassegnati. In alternativa alle misure con strumenti dedicati (voltmetri, amperometri, wattmetri) sono ormai ampiamente diffusi, anche negli impianti di potenza, sistemi di misura basati su schede di acquisizione dati ed elaborazione numerica tramite PC dei segnali acquisiti. Queste tecniche richiedono comunque l impiego di dispositivi di isolamento dalla rete e di condizionamento del segnale. In Fig. 1.5 è rappresentato un possibile schema di inserzione, dove CT e VT indicano genericamente Current Transducers o Voltage Transducers. In molti casi questi trasduttori possono essere ancora TA e TV oppure sistemi di separazione galvanica basati su altre tecnologie (per esempio basati sull effetto Hall). pag. 7

8 Convertitori di corrente e di tensione Convertitori di corrente e tensione diversi da TA e TV Proprietà I convertitori di corrente e di tensione sono dispositivi in grado di convertire una corrente o una tensione elettrica (A.C., D.C., Pulsante, ecc.), in un grande range di ampiezze e frequenze, in una altra corrente o tensione di valore inferiore compatibile con gli strumenti disponibili di misura, di visualizzazione, di acquisizione dati, ecc. Sono disponibili diversi modelli per la misura di correnti e di tensioni che possono essere classificati come segue: Convertitori ad effetto hall ad anello aperto (open-loop Hall effect transducer). Convertitori ad effetto hall ad anello chiuso (closed-loop Hall effect transducer). Convertitori ad anello chiuso tipo C (C- type closed-loop transducer). Convertitori ad anello chiuso tipo IT (IT-type closed-loop transducer). Convertitori a cordoncino flessibile ( flexible transducer for AC current). La tabella seguente riporta le caratteristiche principali tipiche di detti convertitori : pag. 8

9 Convertitori di corrente e di tensione Convertitori ad effetto hall I convertitori ad effetto Hall realizzano isolamento galvanico tra circuito primario, interessato dalla grandezza elettrica da misurare, ed il circuito secondario, dove è inserito lo strumento misura. Principali vantaggi È possibile misurare qualsiasi corrente anche transitoria. Consentono di effettuare misure con incertezze inferiori a 1%. Linearità migliore dello 0,1%. Risposta estremamente veloce (delay time inferiore a 1 s). Elevata larghezza di banda (fino a 100 khz per alcuni modelli) e capacità di riprodurre correnti con fronti di salita sino a 50 A/s. Ampia scala di misura nonché elevata capacità di sovraccarico. L effetto Hall L effetto Hall è stato scoperto nel 1879 dal fisico americano Edwin Herbert Hall della John Hopkins University of Baltimora. pag. 9

10 Convertitori di corrente e di tensione Se una piastrina di materiale semiconduttore, attraversata da una corrente IC (corrente di controllo), è immersa in un campo di induzione magnetica B, l interazione tra flusso e corrente genera sui portatori di carica una forza di Lorentz perpendicolare al piano contenente i vettori IC e B che produce la variazione del numero di portatori di carica ad entrambi i bordi della piastrina e quindi una tensione VH (detta tensione di Hall) VH = (K/d) Ic B Dove K/d è la costante di Hall che dipende dal materiale semiconduttore e dalle dimensioni della piastrina. Se IC = cost. La tensione di Hall è proporzionale solo all induzione magnetica B. Convertitori di corrente ad effetto hall in anello aperto L induzione magnetica B viene generata dalla corrente primaria Ip, mentre la corrente Ic viene fornita da un generatore di corrente continua. Dato che il dispositivo lavora nella zona lineare della curva di magnetizzazione del nucleo ferromagnetico, B risulta proporzionale a Ip (B=costante Ip). Quindi la tensione di Hall VH può essere espressa dalla seguente relazione: VH=(K/d) Ic costante Ip Eccetto per Ip tutti i termini della relazione sono costanti: VH=costante(a) Ip dove costante(a)= (K/d) Ic costante. La tensione VH misurata viene amplificata e mandata in uscita come segnale di tensione o di corrente a seconda dell utilizzo. pag. 10

11 Convertitori di corrente e di tensione VANTAGGI - sono capaci di misurare correnti di qualsiasi forma d onda da pochi Ampere a qualche decina di ka con un metodo non invasivo; - peso e dimensioni ridotte; - assorbono poca energia; - sono poco costosi; - resistono ad alte correnti di sovraccarico. Incertezza di misura Dipende da parametri elettrici, dalla temperatura ambiente e da quella operativa del dispositivo. I fattori da considerare nella determinazione dell incertezza, legati alla variazione della temperatura ambiente sono: - tensione di offset: la tensione d uscita dello strumento è uguale a zero anche per Ip=0; - guadagno d anello; - linearità dello strumento. I fattori da considerare nella determinazione dell incertezza dipendenti dalla temperatura operativa del dispositivo sono: - variazione dell offset; - variazione del guadagno. pag. 11

12 Convertitori di corrente e di tensione Aspetti dinamici Risposta in frequenza Le limitazioni sono principalmente dovute a due fattori: 1. l ampiezza di banda del circuito elettronico che dipende dal tipo di amplificatore; 2. il riscaldamento del nucleo ferromagnetico che viene causato dalle correnti parassite e dalle perdite per isteresi soprattutto alle alte frequenze. Le perdite per correnti parassite dipendono: dal quadrato dello spessore del sensore di Hall, dal quadrato di Bmax e dal quadrato della frequenza. Invece le perdite per isteresi sono proporzionali alla frequenza e al quadrato di Bmax e corrispondono all area del ciclo d isteresi. Un problema dei convertitori ad effetto Hall in anello aperto è il surriscaldamento dei componenti, Infatti per definire il limiti operativi viene considerato il prodotto della corrente per la frequenza: Np Ip f In genere Np=1 quindi si considera Ip f. Le case costruttrici forniscono i valori Ip f, Ip e f per le varie temperature ed è proprio in base a tali valori che si deve effettuare la misura in modo da evitare di surriscaldare lo strumento e quindi il suo danneggiamento. Tempo di risposta t r Il tempo di risposta t r è inteso come l intervallo di tempo compreso fra il raggiungimento del 90% del valore finale della corrente primaria Ip e il raggiungimento del 90% del valore finale del segnale di output del convertitore Il tempo di risposta ed il rapporto di/dt dipendono dallo slew rate dell amplificatore usato. Generalmente il tempo di risposta è inferiore ai 3 µs. pag. 12

13 Convertitori di corrente e di tensione Applicazioni tipiche I convertitori ad effetto Hall ad anello aperto vengono usati in numerose applicazioni industriali per monitorare e regolare le correnti. Fra le principali applicazioni troviamo: - UPS e altre attrezzature che utilizzano batterie; - veicoli elettrici; - convertitori di frequenza e comandi trifase; - sistemi di trazione elettrica; - altre applicazioni che includono sistemi di gestione dell energia; - attrezzature per l elettrolisi. Convertitori di corrente ad effetto Hall ad anello chiuso La corrente da misurare Ip, qualsiasi sia la sua forma d onda, da origine ad una f.m.m. che genera il campo Hp. Nel caso specifico evidenziato nella figura precedente, essendo il numero di spire del primario pari ad 1 si avrà Np Ip = Ip. Grazie all alimentazione del dispositivo, si impone il passaggio della corrente di controllo Ic, nel sensore di Hall posto nel traferro. L interazione fra la corrente Ic ed il campo magnetico Hp, da origine alla tensione di Hall, la quale è portata all ingresso dell amplificatore operazionale. La tensione VH condiziona l uscita dell amplificatore operazionale, affinché l amplificatore in classe B a simmetria complementare posto in pag. 13

14 Convertitori di corrente e di tensione cascata generi una corrente Is. Il transistore NPN viene posto in conduzione dalla semionda positiva del segnale alla base (segnale in uscita dall amplificatore operazionale) ed è interdetto da quella negativa, al contrario il transistore PNP viene posto in conduzione dalla semionda negativa ed è interdetto da quella positiva. In questo modo durante la semionda positiva l avvolgimento secondario viene percorso dalla corrente di segnale del transistore NPN, mentre durante la semionda negativa viene percorso dalla corrente di segnale del transistore PNP, quindi l avvolgimento secondario sarà percorso da una corrente che ha lo stesso andamento nel tempo della corrente primaria. L utilizzo dell amplificatore in classe B a simmetria complementare risulta vantaggioso perché, in assenza del segnale in uscita dall amplificatore operazionale cioè in assenza della corrente primaria Ip, non si abbia circolazione di corrente nell avvolgimento secondario dovuta all alimentazione esterna del dispositivo. La corrente Is scorrendo nelle Ns spire dell avvolgimento, da luogo ad una f.m.m. che genera un campo magnetico Hs che si oppone al campo Hp. In ogni istante di tempo, si tende così ad ottenere la situazione per la quale: Np Ip = Ns Is alla quale corrisponde un flusso nullo nel traferro. La corrente nel secondario Is avendo lo stesso andamento nel tempo della Ip, è ridotta rispetto alla stessa di una quantità proporzionale al rapporto spire. Ad esempio per Np=1 ed Ns=1000, si ha Is = 1/1000 Ip. Il segnale in corrente Is potrà essere allora misurato con un amperometro, oppure con un voltmetro come c.d.t su una resistenza nota RM. Il campo magnetico risultante nel toro oscillerà nell intorno dello zero, come conseguenza di un equilibrio dinamico fra la variazione Np Ip e la conseguente Ns Is che tenderà a controbilanciare la stessa. Questo è importante perché così vengono ridotte al minimo le perdite per isteresi e correnti parassite. Range di misura Dipende dalla capacità del circuito elettronico a fornire la richiesta corrente Is. Il circuito elettronico può essere semplificato come mostrato in figura. pag. 14

15 Convertitori di corrente e di tensione Is massima dipende dai seguenti fattori: - V; - Vi = Ri *Is con Ri resistenza dell avvolgimento secondario; - VM = RM*Is; - Vce sat tensione di saturazione dei transistor; I S massima V V R R i ce sat M Comportamento dinamico 1. TEMPO DI RITARDO E RISPOSTA di/dt Generalmente l alta sensibilità di questi dispositivi produce un tempo di ritardo dell ordine del micro secondo. Generalmente di/dt è dell ordine di 50 A/s, per alcuni modelli persino sopra i 100 A/s. Queste due caratteristiche dipendono principalmente dalla bontà dell accoppiamento fra primario e secondario. 2. CAMPO DI FUNZIONAMENTO IN FREQUENZA Il circuito elettronico bilancia bene per frequenze fino a 3-5 khz. Per alte frequenze quota parte della corrente Is è dovuta all accoppiamento magnetico: il dispositivo si comporta come un trasformatore amperometrico. Si ha una buona compensazione totale per frequenze di lavoro fino a 100 khz. Affidabilità Uno studio dell affidabilità fatto su sensori ad effetto Hall in anello chiuso impiegati nelle locomotive elettriche francesi, ha dato il seguente risultato: MTBF (tempo medio tra i guasti) = 2, h λ (tasso di guasto) = 0, guasti/h pag. 15

16 Convertitori di corrente e di tensione Incertezza di misura L incertezza di misura dipende da diversi fattori, quali i parametri elettrici, parametri legati alle condizioni ambientali e dalla temperatura operativa del dispositivo. I parametri, legati alla temperatura ambiente, che determinano l incertezza sono: - offset di corrente ( IS 0 quando IP = 0) dovuto all amplificatore operazionale e al sensore di Hall; - non linearità; - incertezza della resistenza di misura RM; quelli legati alla temperatura di funzionamento del dispositivo sono: - variazione dell offset di corrente; - variazione della resistenza RM. Un altro fattore da portare in conto nella determinazione dell incertezza di misura è l offset magnetico. Questo è dovuto al magnetismo residuo e il suo valore dipende dallo stato di magnetizzazione del circuito magnetico. Il magnetismo residuo induce una corrente continua che si va ad aggiungere alla corrente secondaria. L errore è massimo quando il circuito magnetico viene saturato e questo può accadere in presenza di correnti di sovraccarico. È possibile smagnetizzare il circuito magnetico decrementando la corrente primaria quando il dispositivo non è alimentato ossia sottoponendo il primario a cicli di isteresi di ampiezza via via decrescente. pag. 16

17 Convertitori di corrente e di tensione VANTAGGI - possono misurare correnti continue e di qualsiasi forma d onda da pochi Ampere a qualche decina di ka; - sono molto accurati; - eccellente linearità; - tempo di risposta molto breve ed estesa ampiezza di banda; - sopportano correnti di sovraccarico senza danneggiarsi. LIMITAZIONI - considerevole consumo di energia legato alla fornitura della corrente di compensazione; - sono molto costosi. APLLICAZIONI TIPICHE - convertitori di frequenza ed in circuiti trifase per il controllo delle correnti; - convertitori per motori usati in robotica; - UPS e dispositivi che usano batterie per il controllo delle correnti; - sistemi di trazione elettrica; - altre applicazioni industriali. Convertitori di tensione ad effetto Hall in anello chiuso Il principio di funzionamento è lo stesso dei convertitori di corrente, la differenza è presente solo nel circuito primario che è un avvolgimento con un elevato numero di spire. Questa caratteristica permette di avere un induzione magnetica primaria che riduce al minimo i consumi nel circuito primario. A Per misurare la tensione è sufficiente derivare dalla tensione da misurare la corrente primaria equivalente. Questa derivazione viene effettuata ponendo in serie all avvolgimento primario Lp una resistenza Rp che può essere esterna o interna al convertitore. Nella figura la tensione tra i morsetti A e B è la tensione che si vuole B misurare. Applicazioni tipiche I convertitori di tensione ad effetto Hall in anello chiuso vengono usati in molteplici applicazioni industriali per distinguere, monitorare e regolare tensioni. Convertitori in anello chiuso di tipo C I convertitori di tipo C possono misurare correnti, tensioni e correnti differenziali. pag. 17

18 Convertitori di corrente e di tensione Hanno un estesa ampiezza di banda e una ridotta variazione delle prestazioni al variare della temperatura di funzionamento. Discrizione e principio di funzionamento Sono costituiti da due nuclei T1 e T2 di materiale ferromagnetico, su ciascuno dei quali c è un avvolgimento secondario composto da Ns spire, i due avvolgimenti sono collegati in serie, mentre l avvolgimento primario di Np spire è comune ai due nuclei. Un generatore di onda quadra fornisce la corrente Is+Iµ, dove Iµ è la corrente di magnetizzazione e Is è la corrente di compensazione. Il punto B, comune ai due secondari, è connesso all ingresso di un filtro attivo che assorbe la corrente di magnetizzazione Iµ la quale viene usata per cambiare la polarità della tensione del generatore ad onda quadra appena viene rilevato un principio di saturazione dei nuclei ferromagnetici. Si ottiene una curva d isteresi simmetrica e le ampere-spire del secondario sul nucleo T1 sono uguali alle ampere-spire del primario: (Is+Iµ)Ns=IpNp pag. 18

19 Convertitori di corrente e di tensione Non appena la corrente Iµ viene assorbita dal filtro, la corrente secondaria Is che percorre l avvolgimento secondario posto sul nucleo T2 risulta: Is=(IpNp)/Ns tale corrente viene convertita in tensione e mandata in output. Caratteristiche e aspetti I convertitori in anello chiuso di tipo c si dividono in tre categorie: 1. tipo CT:misurano correnti fino a 150A,sono molto accurati e hanno un ampiezza di banda da 0 a 500kHz; 2. tipo CD:misurano correnti differenziali che possono essere circa mille volte più piccole del valore della corrente primaria; 3. tipo CV:misurano tensioni fino ai 7000V,sono molto accurati e hanno un ampiezza di banda da 0 a 700kHz. Per tutte le categorie dei convertitori di tipo C l uscita è una tensione che può assumere un valore non superiore ai 10V. Principali vantaggi dei convertitori di tipo CT - ottima immunità da campi magnetici circostanti; - tempo di risposta estremamente veloce; - sopportano elevate correnti di sovraccarico; - l uscita è protetta contro i cortocircuiti; - grazie alle intrinseche caratteristiche di costruzione hanno un ottimo livello di isolamento elettrico. Limitazioni dei convertitori di tipo CT Nel circuito primario viene indotto un ripple di tensione,che dipende dal rapporto spire, influenzando cosi la misura. Tale effetto è più significativo quanto più piccola è l impedenza del circuito primario. Tipiche applicazioni dei convertitori di tipo CT - misure di correnti nei trasmettitori; - misura di correnti di magnetizzazione in trasformatori di potenza o rilevamento di componenti continue che possono saturare il nucleo ferromagnetico; - misure di correnti nella distribuzione dell energia elettrica e in sottostazioni Principali vantaggi dei convertitori di tipo CD - possibilità di regolare esternamente i livelli di correnti differenziali da misurare; - protetti contro le correnti di sovraccarico. pag. 19

20 Convertitori di corrente e di tensione Limitazioni dei convertitori di tipo CD - ampiezza di banda ridotta; - a causa della loro struttura (dimensioni,grandezza del circuito magnetico) la corrente primaria non deve superare il valore massimo consentito per evitare la saturazione del nucleo ferromagnetico la quale influenzerebbe la misura. Applicazioni tipiche dei convertitori di tipo CD - misura e rilevamento di correnti di dispersione a terra; - misura di correnti differenziali in sistemi di sicurezza per la trazione elettrica. Principali vantaggi dei convertitori di tipo CV - ottima immunità da campi magnetici circostanti; - tempo di risposta estremamente veloce; - ottima immunità contro le variazioni di tensione di modo comune. Limitazioni dei convertitori di tipo CV L involucro che contiene i componenti di tali convertitori non permette un buon isolamento elettrico. Applicazioni tipiche dei convertitori di tipo CV Misura di tensioni in invertitori di potenza usati in molteplici applicazioni industriali. CONVERTITORI IN ANELLO CHIUSO DI TIPO IT Vengono usati per misurare correnti con una bassa incertezza di misura. DESCRIZIONE Sono costituiti da una testina di misura (transducer head) nel quale sono presenti i circuiti magnetici e nel quale viene fatto passare il conduttore primario che viene percorso dalla corrente da misurare, da un rilevatore di flusso magnetico nullo (zero flux detector) e da un modulo elettronico. PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO I convertitori di tipo IT funzionano a flusso magnetico nullo. Per correnti fino alle basse frequenze il flusso nullo si ottiene dal rilevatore di flusso nullo che fornisce all amplificatore un segnale correttivo, mentre per correnti dalle basse alle alte frequenze l amplificatore porta il segnale indotto sull avvolgimento di feedback vicino allo zero ottenendo cosi un flusso nullo. Il rilevatore di flusso nullo è costituito da due nuclei ferromagnetici, su uno dei quali pag. 20

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