Un trasformatore di corrente consente la conversione di correnti elevate in un intervallo di corrente misurabile. I relè incorporati in diversi sistemi di protezione sono implementati in modo tale che la corrente fornita da un trasformatore di corrente possa essere utilizzata per azionarli. Si ritiene inoltre difficile misurare correnti alternate di grande ampiezza utilizzando normali amperometri a bassa portata e quindi i trasformatori di corrente vengono utilizzati come stadio intermedio per scopi di misurazione e isolamento.
Figura 1. Vari trasformatori di corrente. Immagine per gentile concessione di Talema Group.
Magnetica componenti, in generale, sono stati utilizzati per decenni in diversi dispositivi elettronici di potenza. Sono utilizzati per il controllo, il trasferimento e il condizionamento dell'energia elettrica in diversi stadi e in molteplici forme.
I progettisti sono sempre alla ricerca di nuovi materiali, topologie e processi per migliorare le prestazioni. C'è stato un tempo nella storia in cui il design del magnetismo era considerato più un'arte che una scienza. Questo perché il progetto dipendeva principalmente da tecniche di tentativi ed errori, formule empiriche e considerazioni pratiche. Inoltre, ci sono stati diversi tentativi di standardizzare il processo di progettazione per renderlo più affidabile e ripetibile.
Continua a leggere per saperne di più sul principio di funzionamento di un trasformatore di corrente e sui concetti chiave coinvolti.
Trasformatori di corrente e panoramica dei circuiti
I trasformatori di corrente vengono utilizzati per misurare la corrente che scorre nei circuiti ad alta potenza, tipicamente per i circuiti di misura o di feedback. L'uso di trasformatori di corrente è preferito rispetto alla misurazione delle correnti utilizzando shunt di corrente in serie con il percorso di corrente, a causa dei vantaggi di un trasformatore di corrente come fornire isolamento tra il circuito di potenza e il circuito di misurazione, un minor contributo alle perdite di potenza e una buona reiezione di modo comune [1]. In generale, un trasformatore supporta l'accoppiamento CA, voltaggio e trasformazione del livello di corrente insieme all'isolamento CC [2].
Figura 2. L'uso di un trasformatore di corrente per misurare una corrente elevata. [3]
Le considerazioni pratiche di progettazione per i trasformatori di corrente sono regolate dalla capacità di condurre efficacemente i valori necessari delle correnti degli avvolgimenti primari e secondari. Ciò si traduce nella giusta scelta dei conduttori insieme alla capacità di ottenere un adeguato accoppiamento di potenza. Idealmente, si desidera una regolazione della tensione rigorosa senza perdite e perdite di corrente - isteresi o vortici - nonché una bassa distorsione della corrente di eccitazione complessiva.
Se tutti questi obiettivi di progettazione devono essere raggiunti completamente, il prodotto risultante potrebbe essere ingombrante, cosa che ancora una volta non è prevista. Pertanto, è un equilibrio estremamente difficile da raggiungere in termini di raggiungimento del miglior design possibile sulla base di queste considerazioni.
Principio di funzionamento
I trasformatori di corrente appartengono alla famiglia dei trasduttori di corrente che genera una corrente secondaria proporzionale alla corrente che fluisce in ampiezza sul lato primario.
L'avvolgimento primario è progettato in modo tale da essere costituito da una o più spire con un'ampia area di sezione trasversale ed è tipicamente collegato in serie con il circuito che deve essere rilevato per il flusso di corrente [4].
L'avvolgimento secondario ha un numero di spire maggiore ed è costituito da un filo con un'area di sezione trasversale più piccola. L'avvolgimento secondario è collegato alla bobina di manovra del relè o allo strumento di misura della corrente.
Figura 3. Rappresentazione di un trasformatore di corrente [4]
L'area di applicazione per un tipo specifico di trasformatore di corrente è regolata dalla sua precisione, dal rapporto tra le correnti primarie e secondarie, dal tipo di isolamento impiegato, dalla costruzione meccanica e dalle condizioni operative esterne.
Il funzionamento del trasformatore di corrente è simile a quello dei trasformatori di potenza convenzionali in quanto funzionano fondamentalmente come trasformatori di tensione elevatori. Tipicamente, il valore della corrente sarà inferiore sul lato dell'alta tensione e viceversa. Pertanto, quando il lato primario è eccitato, gli ampere-giri sul lato primario produrranno un campo magnetico nel nucleo.
Una forza elettromotrice è indotta nel lato secondario a causa del flusso magnetico generato che a sua volta guida la corrente secondaria. Gli ampere-giri sono bilanciati nel primario e nel secondario e anche la caduta di tensione sul primario è molto inferiore, rendendo la corrente primaria indipendente dalla corrente secondaria.
Approfondimenti di progettazione per trasformatori di corrente
Il design del trasformatore di corrente è un compromesso in termini di costo, peso, numero di spire dell'avvolgimento e prestazioni complessive [1]. L'aumento dell'area centrale migliora le prestazioni, ma influisce negativamente sul costo e sulle dimensioni complessive. Vengono impiegati nuclei di ferrite o acciaio e si preferisce un numero maggiore di spire secondarie. In genere, un buon design del trasformatore di corrente si concentra sulla tensione inferiore sul lato secondario, sull'uso di materiale ad alta permeabilità, su un'area del nucleo alta e su grandi spire secondarie.
Le consuete considerazioni per la scelta dei materiali del nucleo includono una bassa perdita del nucleo, un basso valore di riluttanza e una bassa densità di flusso. Carta, vernice, materiali per nastri e le loro varianti vengono utilizzati per scopi di isolamento.
Un trasformatore di corrente può essere del tipo avvolto o del tipo a barra. Nel caso di applicazioni a bassa tensione di tipo avvolto, le spire secondarie sono avvolte su una bachelite seguite da spire primarie con un isolamento adeguato tra gli strati. Nel tipo a barra, una singola barra forma l'avvolgimento primario e passa attraverso il centro del nucleo.
Figura 4. I trasformatori di corrente possono essere del tipo a barra o del tipo avvolto.
Riferimenti chiave:
- L. Umanand, SR Bhat, “Design of Magnetic componenti per convertitori di potenza in modalità commutata ", Wiley Eastern Limited.
- Marian K. Kazimierczuk, "High-Frequency Magnetic Components", John Wiley and Sons, Ltd.
- Marcel Dekkar, "Transformer and Inductor Design Handbook", 2004.
- Trasformatore di corrente