L’isolamento nei contatori elettrici trifase

CONTATORI INTELLIGENTI –

Con circa 500 milioni di chip per metrologia elettrica sul campo, con l’introduzione di nuovi dispositivi che coniugano l’esperienza nell’energy metering con tecnologie innovative di isolamento, Analog Devices afferma la propria tradizione di società leader nell’elaborazione del segnale.

Da alcuni anni è in corso la sostituzione progressiva dei contatori meccanici ed elettromeccanici delle utenze luce, gas e acqua, con contatori elettronici caratterizzati da funzionalità avanzate. Grazie a queste caratteristiche anche la funzione dell'utente evolve, passando da una condizione prettamente passiva a una più attiva, in cui può decidere le proprie strategie di consumo avendo a disposizione gli strumenti che consentono di metterle in atto. I vantaggi del contatore intelligente sono molteplici. Dal punto di vista degli operatori si rende più efficiente la raccolta dei dati di consumo, sostituendo le letture manuali con l'acquisizione automatica. È possibile inoltre l'acquisizione e l'organizzazione di dati statistici che consentono il dimensionamento e l'utilizzo ottimale della rete di distribuzione. La diagnostica e il rilevamento immediato dei guasti permettono un utilizzo più efficiente della rete e ne aumentano l'affidabilità grazie agli interventi tempestivi di riparazione. L'operatore è in grado inoltre di fornire servizi aggiuntivi; ad esempio diventa possibile un sistema di tariffazione in tempo reale, basato su fasce orarie a costo differenziato, di cui l'utente può beneficiare. Operazioni non urgenti possono essere quindi effettuate in periodi in cui il costo sarà inferiore. Ne consegue un risparmio economico e, dal lato dell'operatore, la capacità di gestire dinamicamente i picchi di richiesta.

Contatori elettrici intelligenti
Lo schema a blocchi di un contatore elettrico intelligente, monofase e trifase, si compone principalmente di un front-end analogico, un microcontrollore di sistema, un'unità di alimentazione e di un nodo di comunicazione. Mediante la misura di tensione e di corrente il contatore è in grado di fornire tutte le grandezze rilevanti relative al consumo di energia e alla qualità della tensione di rete. A seconda delle specifiche di progettazione sarà possibile accedere a grandezze come l'energia attiva (energia consumata), reattiva e apparente, valori rms della corrente e della tensione, e gestire altre grandezze relative alla qualità della tensione di alimentazione, come i buchi di tensione, le sovratensioni, il sovraccarico. Alcuni dispositivi avanzati sono in grado di fornire oltre alla potenza complessiva anche la potenza fondamentale (potenza associata all'armonica fondamentale a 50/60 Hz), rendendo così accessibili informazioni quantitative sul fattore di cresta e la distorsione armonica. Con l'evoluzione della rete di distribuzione, a cui è ora possibile connettere generatori da fonti di energia rinnovabile (solare, eolico), il controllo della qualità della tensione di rete diventa sempre più importante, e per questo motivo alcuni dispositivi sono in grado di effettuare un'analisi armonica (fino alla 32a armonica) per una valutazione più accurata della distorsione da un lato, e l'individuazione del sistema che genera il rumore dall'altro (si veda ad esempio l'ADE7880). Ricordiamo che una tensione di rete pulita vuol dire maggiore sicurezza e compatibilità dei carichi dalla parte dell'utente, riduzione delle perdite dalla parte del gestore.
 
La misura della corrente
Uno degli aspetti critici di un contatore elettrico è la misura della corrente. A differenza della tensione, che può presentare solo piccoli scostamenti dal valore nominale, la corrente ha un range dinamico molto ampio, da pochi milliAmpere fino a centinaia di Ampere, e deve essere misurata con la massima precisione su tutto il range. Mentre per la tensione si utilizza un semplice partitore resistivo, e più raramente un trasformatore, i sensori utilizzati per leggere la corrente possono essere di tipo diverso e generalmente si ricorre alle seguenti quattro tipologie: lo Shunt, il Trasformatore di Corrente, la Bobina di Rogowsky e il Sensore ad Effetto Hall. Ognuno di questi sensori ha pregi e difetti. Molto usato nei contatori per utenze domestiche lo Shunt è sicuramente una scelta economicamente vantaggiosa e tecnicamente semplice da utilizzare. Tra i suoi difetti c'è il fatto che ad esso è associato un'induttanza serie che, se pur di piccolo valore, introduce uno sfasamento che causa un errore nel calcolo della potenza attiva; questo errore è tanto più importante quanto più è alta la frequenza, ma in determinate condizioni (basso fattore di cresta) il suo effetto potrebbe non essere trascurabile alla frequenza di rete. L'altro e più importante problema dello shunt è il riscaldamento per effetto Joule che ne limita l'impiego ad elevate correnti. Il Trasformatore di Corrente supera le limitazioni dello shunt in termini di corrente massima e presenta anche il grosso vantaggio di essere intrinsecamente isolato. Si presenta sotto forma di toroide e l'avvolgimento primario è rappresentato dal conduttore in cui fluisce la corrente che si vuole misurare fatto passare attraverso l'anello. Il secondario è avvolto su un materiale ferromagnetico e il numero di spire stabilisce il rapporto di trasformazione. Rispetto allo shunt ha un costo più elevato e un ingombro maggiore. Inoltre introduce un piccolo sfasamento che necessita una compensazione per evitare errori nel computo dell'energia. La grossa limitazione del trasformatore di corrente è rappresentata dal nucleo ferromagnetico che, se portato a saturazione, compromette seriamente il funzionamento del dispositivo. La saturazione si può raggiungere per effetto di una componente Dc nella corrente, di un elevato picco di corrente, oppure per effetto di un campo magnetico esterno come quello generato da un magnete permanente. A causa di questa limitazione i sistemi che utilizzano il trasformatore di corrente devono prevedere schermature o altri meccanismi di protezione al fine di evitare frodi. I sensori ad effetto Hall utilizzati per misure di corrente sono di due tipi, ad anello aperto e ad anello chiuso. Per i contatori si tende a utilizzare configurazioni ad anello aperto per abbattere i costi. I vantaggi del sensore ad effetto Hall sono l'ottima risposta in frequenza e la capacità di misurare correnti di elevata intensità; tuttavia questi vantaggi sono attenuati dall'elevata deriva in temperatura che richiede una calibrazione su più punti al fine di ottenere la precisione richiesta. La bobina di Rogowsky è fondamentalmente un induttore mutuamente accoppiato con il conduttore in cui fluisce la corrente da misurare. L'accoppiamento avviene in aria e pertanto non presenta i problemi di saturazione tipici dei materiali ferromagnetici. La particolarità della bobina di Rogowsky è che il segnale generato dal sensore è proporzionale alla derivata della corrente e pertanto necessita di un integratore per poter ricostruire il segnale originario. A fronte di un range dinamico molto esteso, un'elevata linearità e la capacità di misurare correnti molto alte, la bobina di Rogosky risulta particolarmente suscettibile ai campi magnetici esterni e richiede l'uso di un integratore stabile. Al pari del trasformatore di corrente e del sensore ad effetto Hall la Bobina di Rogowsky è intrinsecamente isolata.

I contatori trifase isolati
Mentre il contatore monofase si presta in maniera semplice all'utilizzo dello Shunt per la misura di corrente, il contatore trifase richiede una misura isolata, rendendo necessario l'impiego di Trasformatori di Corrente. L'uso degli shunt, posti in serie alle tre fasi, richiede in questo caso l'introduzione dell'isolamento elettrico, sia per il segnale, sia per l'alimentazione del front-end analogico; la complessità circuitale che si viene ad introdurre consente ad ogni modo di ovviare a tutte le problematiche legate all'uso dei Trasformatori di Corrente, non ultimo quello di evitare le frodi indotte con la saturazione del nucleo ferromagnetico mediante l'uso di magneti esterni al contatore. Per venire incontro alle esigenze dei progettisti Analog Devices ha recentemente introdotto un chipset, ADE7978 e ADE7933/ADE7932, totalmente isolato, che consente la misura dell'energia nei sistemi trifase con l'impiego di shunt per la misura di corrente. L'isolamento è reso possibile grazie alle tecnologie
iCoupler e isoPower che, mediante l'uso di microtrasformatori realizzati su silicio, consentono l'isolamento di segnali digitali e la realizzazione di Dc/Dc converter su scala micrometrica. I dispositivi hanno un rating di isolamento di 5kV, possono tollerare surge voltage di 10kV ed il tempo di vita è di oltre 50 anni a 400 Vrms. Hanno Creepage e Clearance di 8.3mm, e sono certificati UL, Csa e Vde. L'ADE7933 è un front-end analogico a tre canali che incorpora tre convertitori A/D a 24 bit. Un canale è dedicato alla misura della tensione ai capi di uno shunt (misura di corrente) mentre gli altri due vengono usati per la misura di tensione, tipicamente mediante partitore di tensione resistivo. Il sistema fornisce anche la temperatura del dispositivo. L'ADE7932 svolge la medesima funzione dell'ADE7933 ma ha un solo canale per la misura di tensione. Il dispositivo integra un Dc/Dc Converter che fornisce l'alimentazione per lo stadio di ingresso, eliminando così la necessità di un'alimentazione esterna. L'isolamento del segnale avviene a livello di Adc ed è fatto sui segnali digitali, aumentando così l'immunità al rumore e la robustezza del sistema. L'ADE7933/ADE7932 è provvisto di un'interfaccia digitale progettata per consentire all'ADE7978 di accedere facilmente ai dati forniti dagli Adc e alle altre impostazioni di configurazione. L'ADE7978 è un dispositivo per la misura dell'energia dei sistemi trifase molto accurato. È provvisto delle interfacce seriali che gli consentono di comunicare con un massimo di quattro ADE7933/ADE7932 e ha tre uscite a impulsi molto flessibili che forniscono informazioni precise relative ai consumi. Il dispositivo incorpora i circuiti di elaborazione (di fatto un vero e proprio Dsp) necessari per effettuare i calcoli dell'energia totale attiva, reattiva, apparente, e valori rms, così come i valori di energia attiva e reattiva relativi all'armonica fondamentale (50/60Hz). Le misure di energia vengono fornite nelle diverse configurazioni, a tre e quattro fili. Il dispositivo consente varie calibrazioni per singola fase, la calibrazione del guadagno, dell'offset (se richiesto) e la compensazione di fase (teoricamente non necessaria con l'impiego di shunt). Le uscite a impulsi possono fornire un'ampia gamma di informazioni: potenza totale attiva, reattiva e apparente, o la somma delle correnti rms più la potenza fondamentale attiva e reattiva. L'ADE7978 include misure di qualità della potenza come condizioni temporanee di overvoltage, overcurrent, undervoltage, oltre alla misura del periodo della tensione di rete e dello sfasamento tra tensioni e correnti. È possibile comunicare col micro di sistema tramite Spi o I2C, e mediante l'interfaccia Hsdc (High Speed Data Capture) si può accedere direttamente ai dati forniti dagli Adc. Per segnalare eventi particolari il dispositivo è anche provvisto di due pin di interrupt. Il chipset appena presentato è ideale per coloro che vogliono affidarsi a dispositivi integrati che già implementano tutte le funzioni per l'estrazione dei dati di metrologia. Per coloro che preferiscono utilizzare gli algoritmi già in loro possesso Analog Devices ha introdotto l'ADE7913, un dispositivo simile all'ADE7933, ma con la possibilità di connettersi con un microcontrollore tramite Spi, senza dover necessariamente interfacciarsi all'ADE7978. Questo dispositivo integra tre canali analogici, uno dedicato alla lettura dello shunt e due per la lettura di tensioni, tre Adc a 24 bit, un Dc/Dc converter isolato e l'isolamento dei segnali digitali. Un ingresso speciale è dedicato al clock per sincronizzare fino a un massimo di 4 dispositivi, in modo che, grazie al campionamento simultaneo, i dati misurati risultino coerenti. Al fine di minimizzare il numero di componenti nel sistema, uno dei dispositivi può essere configurato come master e provvedere il clock agli altri disposititvi. L'ADE7912, a differenza dell'ADE7913, ha un solo due canali, uno dedicato alla lettura della tensione e l'altro alla corrente. A supporto dell'attività di valutazione e progettazione Analog Devices mette a disposizione dei progettisti schede di valutazione, schemi di riferimento e supporto per lo sviluppo del layout, al fine di minimizzare i tempi di sviluppo e disporre nel più breve tempo possibile di un prodotto pronto per il mercato.

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