Metodi di misurazione della corrente grazie ai quali si ottiene una analisi ad alta precisione dei parametri elettrico nel campo dell elettronica di potenza Hajime Yoda, Assistant Chief Engineer Hiroki Kobayashi, Assistant Chief Engineer Shinya Takiguchi, Senior Staff Hioki E.E. Corporation traduzione a cura di Carnevali Enrico Asita srl 1. INTRODUZIONE Svariati dispositivi elettronici di potenza richiedono la misurazione della potenza (corrente e tensione) ad alta precisione per caratteristiche quali l efficienza della conversione dei condizionatori di potenza, l efficienza degli inverter e dei motori, e le perdite dei reattori. Il presente documento si focalizza sui metodi di misurazione della corrente ed illustra una parte dell esperienza di Hioki in qualità di produttore di lunga data, sia di sensori di corrente, sia di analizzatori di potenza, basandosi sulle proprie tecnologie costruttive. 2. METODI DI MISURAZIONE DELLA CORRENTE Gli analizzatori di potenza generalmente misurano la corrente tramite il metodo di connessione diretta (Fig. 2.1[a]) o tramite sensori di corrente (Fig. 2.1[b]). Di seguito si forniscono le descrizioni dettagliate delle peculiarità di ciascun approccio. 2.1 Metodo di connessione diretta Con il metodo di connessione diretta, la corrente viene misurata utilizzando dei cavi di misura che collegano l oggetto in esame ai terminali di ingresso di corrente dello strumento. Il principio di misurazione in sé è estremamente semplice, con il vantaggio di abilitare la misurazione di corrente in maniera immediata, rendendo questo metodo quello di fatto utilizzato da molti anni. Tuttavia, siccome tali cavi di corrente possono avere lunghezza considerevole o comunque non trascurabile, e il circuito di ingresso dello strumento diventa parte attiva dell oggetto in misura, sono da considerare i seguenti svantaggi: i) Le reali condizioni di misura differiscono da quelle ideali che caratterizzano il principio di misura. ii) La resistenza dei cavi introduce perdite di segnali sui cavi stessi, causata dalla loro lunghezza. iii) Si verifica un accoppiamento capacitivo tra i singoli cavi di misura, e tra i cavi e la terra, che provoca l aumento della dispersione di corrente ad alta frequenza.
A titolo di esempio, riguardo all effetto descritto al punto ii), una distanza di 5 metri realizzata con un cavo AWG6 (circa 13mmq) introduce una resistenza di circa 6,5 m. Se la corrente in prova fosse 30 A, la perdita risultante da questa resistenza sarebbe di 5,85 W. Sebbene sia impossibile fare previsioni sulla quantità di perdite basandosi solamente su questo valore, essa potrebbe essere troppo grande e quindi non trascurabile, per alcuni valori di potenza misurati. Inoltre, quando si usa il metodo di connessione diretta, generalmente si misura la corrente tramite una resistenza di shunt. Il metodo con resistenza di shunt presenta i seguenti svantaggi: i) Quando la corrente circola sulla resistenza di shunt, su di essa si produce un surriscaldamento per effetto Joule, proporzionale al quadrato della corrente. Fino a quando l effetto Joule contribuisce alle perdite di misura sullo strumento, il surriscaldamento dello shunt produce una modifica del valore della resistenza e della stessa resistenza di shunt, che andrà a peggiorare ulteriormente la precisione della misurazione. ii) Per limitare questo surriscaldamento, si utilizzano resistenze di shunt di basso valore. Tuttavia, quando si usa una resistenza piccola per misurare una corrente di valore elevato, non si possono ignorare nemmeno i componenti induttivi di minore entità, che a loro volta degradano le caratteristiche di frequenza. Ciascuno di questi svantaggi contribuisce a peggiorare la precisione di misura della corrente e della potenza, obbligando a prestare particolare attenzione alla misura di correnti elevate. La Fig. 2.2 mostra il processo di surriscaldamento che avviene quando una corrente di 20A scorre attraverso una resistenza di shunt da 2m. A titolo comparativo, è stato connesso al circuito il sensore di corrente Hioki CT6862 con portata nominale 50A. Come si può vedere, la temperatura della resistenza di shunt aumenta fino a circa 50 C a causa del surriscaldamento provocato dall effetto Joule. Al contrario, il sensore di corrente rimane inalterato dall effetto Joule e relativo surriscaldamento, pertanto le perdite e gli effetti sulla precisione di misura delle variazioni di temperatura del sensore stesso risultano trascurabili. Come illustrato sopra, il metodo di connessione diretta è idoneo per la misurazione di correnti molto basse (fino a circa 1A) ove gli effetti del surriscaldamento della resistenza di shunt sono sostanzialmente ridotti, quali ad esempio la misura della potenza in stand-by di elettrodomestici e dispositivi elettronici, o per la misura del consumo di potenza di corpi illuminanti a LED. 2.2 Metodo del sensore di corrente Il metodo del sensore di corrente è il metodo per la misura di corrente dove il sensore stesso abbraccia (o avvolge) i cavi del dispositivo in prova (DUT) senza interromperli, e il segnale in uscita dal sensore stesso viene connesso sul wattmetro.
Si può usare il metodo del sensore di corrente per misurare la corrente/potenza assorbita da un determinato oggetto nel suo reale stato di funzionamento in quanto la quasi totale assenza di surriscaldamento non introduce alcun effetto sulla precisione della misura. Il metodo del sensore di corrente è migliore rispetto al metodo di connessione diretta per la misura di elevate correnti (da 5A in su) in quanto fornisce un elevato grado di precisione. Tale metodo è tipicamente utilizzato nel campo dell elettronica di potenza. La Fig. 2.3 mostra la gamma approssimativa di valori di corrente che si possono misurare con un alto grado di precisione e la relativa banda di frequenza generale sia per il metodo di connessione diretta sia per il metodo del sensore di corrente. Se il valore non rientra nella gamma mostrata nella figura, non significa necessariamente che non può essere misurato utilizzando il metodo in oggetto. 3. MISURA DI POTENZA AD ALTA PRECISIONE USANDO IL METODO DEL SENSORE DI CORRENTE Come descritto sopra, si usa comunemente il metodo del sensore di corrente quando si devono misurare correnti superiori a 5A. Sebbene il metodo del sensore di corrente non introduca i medesimi svantaggi del metodo di connessione diretta, ci sono comunque una serie di precauzioni che vanno tenute presente per misurare la corrente ad alti livelli di precisione. Questa sezione elenca le suddette precauzioni. 3.1 Selezionare un sensore di corrente adatto Per effettuare una misura ad alta precisione e ad alta riproducibilità, l utilizzo del metodo del sensore di corrente presuppone la scelta di un sensore di corrente adeguato. I criteri di scelta dovrebbero tener conto di: i) Il valore della corrente nominale del sensore deve essere adeguato al valore della corrente da misurare. ii) Tutte le componenti di frequenza della corrente da misurare devono rientrare nella banda di frequenza misurabile dal sensore di corrente. In aggiunta, occorre tenere in evidenza le seguenti considerazioni: iii) Il sensore di corrente deve fornire un livello di precisione di misurazione adeguato, definito e specificato per l intera banda di frequenza misurabile. iv) Tutti i fattori di errore, come ad esempio il rumore in uscita, le caratteristiche di temperatura, gli effetti della posizione del conduttore, gli effetti di campi magnetici esterni, gli effetti della magnetizzazione, e gli effetti della tensione di modo comune per il sensore di corrente, devono essere dichiarati nella documentazione tecnica, ed essere quanto più possibile di piccola entità.
É necessario prestare un certo livello di attenzione quando si seleziona un sensore di corrente. In particolare, riguardo alla considerazione iii), in molti sensori di corrente la precisione sull ampiezza e sulla fase è definita solo per segnali in CC e per frequenze di 50/60Hz, mentre per altre gamme di frequenza vengono fornite unicamente indicazioni di massima. É importante notare che una elevata precisione complessiva nella misura di corrente, utilizzando il metodo del sensore di corrente, dipende sia dalla precisione di misura dei sensori di corrente sia dal wattmetro ad essi associato che deve quindi disporre di un livello di precisione adeguato. 3.2 Ottimizzazione complessiva del sistema di misurazione della potenza, sensori di corrente compresi La semplice selezione del sensore di corrente non è la condizione sufficiente ad assicurare una misura ad alta precisione. E infatti opportuno ottimizzare l intero sistema di misurazione, naturalmente comprendendo anche i sensori di corrente. Ciò significa che seppur utilizzando sensori di corrente con un ottimo grado di precisione, sarebbe impossibile misurare la corrente con un altrettanto alto grado di precisione se il segnale in uscita dal sensore venisse degradato prima di raggiungere il wattmetro misuratore. La Fig. 3.1 mostra un tipico sistema di misurazione della potenza che comprende un sensore di corrente. Come descritto sopra, alcuni sensori di corrente generano una corrente in output, mentre altri generano una tensione in output. Dato che i sensori con output di corrente sono usati più comunemente rispetto a quelli con output di tensione, questa discussione presumerà l utilizzo di un sensore con output di corrente. Per assicurarsi che il segnale in uscita dal sensore di corrente venga trasmesso al wattmetro senza introdurre degradazioni, è necessario infine soddisfare le seguenti condizioni: i) utilizzare una alimentazione pulita e stabile per il sensore, con un adeguato riferimento a massa. ii) L accoppiamento capacitivo tra cavi multipolari e tra i cavi e la terra deve essere basso, mentre l immunità al rumore elettrico deve essere alto. iii) I terminali di ingresso di corrente del wattmetro devono avere buone caratteristiche di frequenza con un basso indice di surriscaldamento e una elevataa prestazione di isolamento (alto CMRR e bassa dispersione). Anche lo strumento deve avere un alta immunità al rumore e un adeguata connessione di messa a terra. Riassumendo, la misura di Potenza si misura utilizzando un wattmetro, dei sensori di corrente, dei sistemi di alimentazione adeguati (sia per lo strumento sia per i sensori), nonché cavi, conduttori e terminali di misura. Anche il circuito di misura ha un impatto importante sull esecuzione delle misure.
Alla luce di ciò è piuttosto complicato, per i costruttori dei sensori di corrente, dei wattmetri e dei sistemi di alimentazione, garantire che tutte le condizioni qui descritte siano sempre soddisfatte, soprattutto quando tali costruttori sono diversi tra loro e non conoscono il dettaglio tecnico dei prodotti con cui verrà abbinato il proprio dispositivo. Per questa ragione, dopo aver investito gran parte delle proprie conoscenze ed esperienze tecniche Hioki è diventato l unico produttore di strumentazione di misura al mondo che sviluppa e progetta indipendentemente sia i sensori di corrente sia i wattmetri, presentandosi ai clienti come fornitore unico di tutti i componenti necessari per costruire un sistema di misura della potenza completo, preciso ed affidabile. I complessi di misura Hioki incorporano le seguenti prestazioni: i) Sensori di corrente con tensione proporzionale d uscita la cui precisione è definita per l intera banda di frequenza misurabile. ii) Gli ingressi di corrente del wattmetro sono specificatamente progettati per l utilizzo in abbinamento a sensori di corrente con uscita in tensione, ed i livelli di tensione sono stati ottimizzati sia in uscita al sensore sia in ingresso al wattmetro. iii) I wattmetri includono il sistema di alimentazione per i sensori; in questo modo tutti i sensori di corrente connessi al wattmetro dispongono della adeguata potenza di alimentazione per garantire la precisione dichiarata. Anche l utilizzo di una unica e comune messa a terra per il wattmetro e per l alimentazione dei sensori migliora enormemente la precisione e la ripetibilità, eliminando l eventualità che la circolazione di corrente si richiuda a terra. iv) I sensori di corrente Hioki dispongono di un sistema di regolazione del guadagno del segnale in uscita che compensa le minuscole cadute di tensione causate dai cavi. Inoltre, l utilizzo di cavi schermati di uscita aiuta a contrastare gli effetti del rumore elettrico. Infine, Hioki sottopone i propri sensori e wattmetri ad una verifica delle precisioni dichiarate e di immunità al rumore, come controllo qualità interno e coinvolgendo un laboratorio di certificazione esterna. La Fig. 3.2 mostra un sistema di misurazione della potenza che include i sensori di corrente (CT6862, CT6863, 9709, CT6841, CT6843, e 3274) e un wattmetro (PW6001) durante i test affidati all autorità esterna. La progettazione sinergica di ciascun elemento del sistema di misura permette a Hioki di ottimizzare la produzione di ogni componente, con la capacità di fornire ai propri clienti un complesso di misura di primo ordine.