Introduzione ai trasformatori di corrente (TA)

A trasformatore di corrente è un trasformatore per strumenti in cui la corrente secondaria, in condizioni normali di utilizzo, è sostanzialmente proporzionale alla corrente primaria e differisce in fase da essa di un angolo approssimativamente pari a zero.

La progettazione e il collaudo dei trasformatori di corrente sono regolati dalla norma IEC 61869-2:2012 (sostituisce la IEC 60044-1:1996).

Il principio di funzionamento di un trasformatore di corrente è lo stesso del trasformatore di potenza. Il trasformatore di corrente ha un avvolgimento primario e uno secondario. Una corrente alternata che scorre nell'avvolgimento primario induce una corrente alternata nell'avvolgimento secondario.

L'avvolgimento primario può essere costituito da una sola spira o da un numero ridotto di spire, mentre l'avvolgimento secondario avrà molte più spire a seconda del rapporto di trasformazione. La trasformazione nominale è il rapporto tra la corrente primaria nominale e la corrente secondaria nominale.

Di seguito è riportato un semplice circuito che mostra un avvolgimento primario a singolo giro da 10 A e un TA da 1000 T con carico nominale R 100 Ω.

I_p = 10 
I_s = 10/1000 = 10 mA
V_b = 10 mA × 100 = 1 V

L'avvolgimento secondario è terminato sulla resistenza di carico nominale, valore su cui si basano i requisiti di precisione del trasformatore di corrente.

In un trasformatore di corrente ideale, la corrente nell'avvolgimento secondario rifletterà la corrente primaria effettiva senza errori nel rapporto di corrente o sfasamenti. Tuttavia, in condizioni normali, si verifica un errore nel rapporto di corrente e uno sfasamento tra le correnti primarie e secondarie.

Errore nel rapporto di corrente

L'errore del Current Ratio espresso in percentuale è dato dalla formula:

Dove:

K_n = Rapporto di trasformazione nominale
I_p = Corrente primaria effettiva
I_s = Corrente secondaria effettiva quando scorre Ip, nelle condizioni di misurazione

Spostamento di fase

Lo spostamento di fase è la differenza di fase tra i vettori di corrente primario e secondario: θ=errore dell'angolo di fase pari a zero per un trasformatore di corrente ideale.

Dove:     

I₁ = Corrente primaria
I₂ = Corrente secondaria
N = Spire secondarie
I_m = Corrente di eccitazione
I_r = Componente reattiva di I_m
I_w = componente di perdita in Watt di I_m
V = Tensione secondaria
R₂ = Onere Ω
θ = errore dell'angolo di fase
e = errore del rapporto di corrente

Dal diagramma, la corrente primaria I₁ differisce dal secondario I₂ in magnitudine e angolo di fase.

L'errore angolare θ è Sin-1 I_r/I₁ e la grandezza di I₁ = √{ (I₂N₂ + I_w)² + I_r² }

In pratica, l'angolo è così piccolo da consentire approssimazioni:

θ = I_r/I₁ radianti e I₁ = I₂N₂ + I_w

Cioè l'errore di corrente è dovuto alla componente di perdita di watt e l'angolo di fase è proporzionale alla componente reattiva I_r.

L'errore di rapporto può essere corretto modificando il rapporto delle spire, ossia ± spire secondarie.

PL'angolo di hase non può essere corretto in curva poiché è funzione della componente reattiva delle caratteristiche di eccitazione del nucleo.

Classe di precisione

La classe di precisione è una designazione assegnata a un trasformatore di corrente in cui gli errori rimangono entro i limiti specificati nelle condizioni d'uso prescritte.

Ad esempio, se la classe di precisione di un trasformatore di corrente è 1, l'errore di rapporto sarà di ±1% al valore primario nominale.

Nel caso dei TA di misura, la classe di accuratezza è tipicamente 0,1, 0,2, 0,5 e 1

Per le classi 0,1, 0,2, 0,5 e 1, l'errore di corrente e lo sfasamento non devono superare i valori indicati nella tabella 201 quando l'onere secondario è qualsiasi valore compreso tra 25% e 100% dell'onere nominale.

Conclusione

I trasformatori di corrente sono adatti a diverse applicazioni ed esistono molti modelli di TA che li soddisfano. Discuteremo questi diversi tipi di TA in Parte 2 di questa serie.