Trasformatori di corrente
Dott. Stan Zurek, MSc, PhD, MIEEE - Design engineer
In un trasformatore ideale, senza perdite, le tensioni e le correnti in ingresso e in uscita sono collegate al numero di giri degli avvolgimenti primario (N1) e secondario (N2), in modo che: V2 = V1 · n e I2 = I1 / n, dove n = N2 / N1 è il rapporto del trasformatore.
Se è presente un singolo giro primario (N1 = 1) e più giri secondari (Fig. 1), allora I2 = I1 / N2. Pertanto, la corrente in uscita è direttamente proporzionale alla corrente in ingresso ma inversamente proporzionale al numero di giri della bobina secondaria.
Questa semplice equazione è la base per il funzionamento dei trasformatori di corrente (CT), utilizzati per una riduzione accurata della corrente. Ad esempio, se la corrente in ingresso è 1000 A e la bobina secondaria ha 1000 giri, la corrente in uscita sarà 1 A. Ciò può essere misurato in modo semplice e sicuro con un circuito elettronico, mentre la misurazione diretta di una corrente di 1000 A sarebbe molto più difficile e potenzialmente molto più pericolosa.
Principio di funzionamento
Nella maggior parte dei casi, i trasformatori utilizzati principalmente per aumentare o diminuire le tensioni (trasformatori di tensione) devono essere protetti dai cortocircuiti dell'uscita, poiché ciò potrebbe creare correnti pericolose nell'avvolgimento secondario. Tuttavia, i trasformatori di corrente sono diversi: funzionano continuamente in condizioni di cortocircuito.
La corrente nel singolo giro primario (Fig. 1) genera un flusso magnetico F1 nel nucleo. Questo flusso penetra nell'avvolgimento secondario e genera tensione e corrente secondarie. A questo punto, la corrente secondaria genera un flusso magnetico F2 con una direzione tale da opporsi al flusso primario, quindi il flusso magnetico risultante nel nucleo risulta molto basso. Questo equilibrio può essere mantenuto su un ampio intervallo operativo senza entrare in una regione non lineare di materiale magnetico.
ig. 1. Il concetto di un trasformatore di corrente
Tuttavia, se l'avvolgimento secondario dovesse rimanere aperto, senza la corrente secondaria nulla si opporrebbe al flusso magnetico primario. Ciò porterebbe alla saturazione del nucleo magnetico con valori relativamente bassi della corrente primaria. Inoltre, la saturazione darebbe luogo a una tensione molto alta generata nell'avvolgimento secondario. In effetti, la tensione potrebbe essere abbastanza alta da danneggiare l'isolamento elettrico dell'avvolgimento e diventare pericolosa per l'operatore. Si riscontrerebbero anche altri effetti dannosi della saturazione, come l'aumento delle perdite di potenza, il riscaldamento, la non linearità e così via.
Pertanto, l'avvolgimento secondario di un trasformatore di corrente deve essere sempre collegato a un carico a bassa impedenza, generalmente definito "carico", il cui valore massimo è stabilito dal progettista.
I trasformatori di corrente sono comunemente utilizzati insieme a un amperometro o a un voltmetro e a un resistore di shunt adeguato. Il misuratore è collegato direttamente all'avvolgimento secondario, come mostrato nella Fig. 1. Naturalmente, è necessario soddisfare sempre il requisito di un carico a bassa resistenza. Pertanto, nei casi in cui il misuratore viene collegato solo durante la misurazione, è normale fornire un interruttore normalmente chiuso, che si apre solo dopo aver collegato il misuratore al circuito. Quando si scollega il misuratore, le azioni vengono invertite: prima viene chiuso l'interruttore per cortocircuitare il trasformatore di corrente, poi viene scollegato il misuratore/carico.
Fig. 2. Trasformatore di corrente da 138 kV
Applicazioni ad alta tensione
Quando si utilizza un trasformatore di corrente, le misurazioni vengono eseguite senza collegamento galvanico al circuito primario. Ciò è particolarmente utile nelle applicazioni ad alta tensione ad alta potenza. I trasformatori di corrente ad alta tensione sono progettati per racchiudere il circuito primario ad alta tensione e per incorporare l'isolamento appropriato per il circuito secondario, come mostrato nella Fig. 2. La massa grigia nella parte superiore del dispositivo contiene il nucleo magnetico effettivo (notare il singolo conduttore che lo attraversa) mentre l'isolatore grande fornisce la protezione contro l'alta tensione del circuito primario.
I trasformatori di corrente ad alta tensione sono progettati per il funzionamento continuo. Essi rimangono collegati nel circuito primario anche se non utilizzati, perché il loro scollegamento comporta lo spegnimento della linea di trasmissione.
Applicazioni senza contatto
Se un trasformatore di corrente è progettato in modo da poter dividere il nucleo, la misurazione della corrente può essere eseguita senza scollegare il circuito primario. Uno degli esempi migliori di tale soluzione è il trasformatore di corrente a pinza (Fig. 3).
Il dispositivo passivo mostrato nella foto ha un rapporto di 1:1000 e il suo intervallo operativo si estende su 6 ordini di ampiezza: la corrente primaria può essere qualsiasi valore compreso tra 0,5 mA e 1 kA. Grazie a questo ampio intervallo, i trasformatori di corrente a pinza sono ampiamente utilizzati in applicazioni in cui il circuito primario non può essere scollegato, in genere per motivi di sicurezza. La precisione per correnti elevate può essere superiore allo 0,3% con un errore di fase inferiore a 0,5 gradi, pertanto possono essere utilizzati anche per una misurazione accurata del consumo energetico. Il circuito di misurazione esterno deve ovviamente fornire un carico a bassa impedenza, generalmente di circa 1 ohm.
D'altra parte, è possibile misurare anche le correnti nell'intervallo mA, come durante il test delle prestazioni di un sistema di messa a terra. L'elettrodo di terra può rimanere collegato e la corrente di dispersione può essere misurata senza perdere la protezione o far scattare un dispositivo di corrente residua (RCD).
Fig. 3. Il trasformatore di corrente a pinza (ICLAMP) mantiene la sua linearità per oltre 6 ordini di ampiezza da 1 mA a 1 kA
Per garantire un funzionamento sicuro, il trasformatore di corrente può essere montato internamente con una coppia di diodi Zener back-to-back o un circuito triac, che vengono attivati se il segnale di uscita supera i 30 V o più. Ciò è particolarmente importante nei dispositivi passivi come l'ICLAMP: il carico da 1 ohm deve essere fornito dal dispositivo esterno, ma il circuito di protezione è integrato nell'ICLAMP, in modo che rimanga sicuro anche se il carico non è presente.
I trasformatori di corrente a pinza spesso sono parte integrante di misuratori autonomi, insieme a un LCD e a un alimentatore a batteria. Le dimensioni, il design, l'intervallo di corrente e di frequenza dipendono dall'applicazione.
Applicazioni speciali
A volte, l'accesso al conduttore è difficile oppure il conduttore ha un diametro così grande che non può essere afferrato da trasformatori di corrente portatili. Se nel sistema fluiscono correnti relativamente alte, è possibile utilizzare una sonda flessibile, una bobina Rogowski. Le bobine Rogowski (Fig. 4) non sono tipici trasformatori di corrente e il loro funzionamento è leggermente diverso. La loro uscita deve essere elaborata elettronicamente (vedere la scatola di interfaccia nella Fig. 4) per ottenere informazioni sulla corrente primaria.
Tuttavia, per struttura e applicazione sono molto simili ai trasformatori di corrente tradizionali. Le differenze principali sono costituite dal fatto che sono flessibili e non contengono un nucleo magnetico. Quest'ultima caratteristica consente di ottenere un'eccellente linearità, ma a scapito della sensibilità, pertanto le bobine Rogowski vengono utilizzate solo per applicazioni a corrente relativamente alta (da 10 A a 10 kA).
Fig. 4. Trasformatore di corrente flessibile - Bobina Rogowski
I trasformatori di corrente rilevano la corrente risultante racchiusa dal nucleo. Ad esempio, se un trasformatore di corrente viene fissato attorno a un cavo trifase che fornisce un carico trifase bilanciato, l'azione delle correnti si equilibrerà nel nucleo magnetico. In tal caso, il trasformatore di corrente non rileverà alcuna corrente.
Questo è il principio utilizzato nei dispositivi RCD, che non vengono attivati se le correnti sono bilanciate. Le correnti di dispersione, tuttavia, causano uno squilibrio che il dispositivo RCD è in grado di rilevare agendo esattamente come un qualsiasi trasformatore di corrente: misurando la corrente primaria risultante dallo squilibrio. Se questo valore misurato è troppo grande, il dispositivo RCD scatta. Semplice ma ingegnoso!
