Come Funziona il Trasformatore di Tensione (VT)? Analisi e Applicazioni

Il trasformatore di tensione (VT) è un dispositivo fondamentale per la misurazione e la protezione nei sistemi elettrici, che permette di ridurre la tensione a valori sicuri per l'analisi e la gestione dei circuiti. Un trasformatore di tensione standard possiede un rapporto di trasformazione e degli errori di fase molto ridotti, il che lo rende ideale per applicazioni di precisione. I trasformatori di tensione passivi, progettati per minimizzare gli errori di rapporto e di fase, sono comunemente utilizzati in molteplici ambiti. Ad esempio, un VT standard può presentare un errore di rapporto dell'ordine di ±0,01% e un errore di fase di ±1 minuto, come illustrato in Figura 6.42.

Un altro approccio utilizzato per ridurre ulteriormente gli errori è il trasformatore di tensione a due stadi, mostrato in Figura 6.43. In questo caso, vengono utilizzati due nuclei magnetici con avvolgimenti primari identici, e l'induzione elettromagnetica tra i nuclei A e B deve essere tale che la forza elettromotrice indotta sia equivalente, minimizzando così gli errori di fase e di rapporto. Sebbene in teoria questa configurazione dovrebbe ridurre gli errori, nella pratica è difficile ottenere una perfetta simmetria tra gli avvolgimenti, il che rende il flusso ridotto nel nucleo A non particolarmente significativo.

Nel processo di testing di un trasformatore di tensione, viene impiegato il metodo di confronto con un VT di riferimento. Il test si esegue confrontando il valore della tensione secondaria del VT in prova con quello di un VT standard, permettendo di determinare gli errori di rapporto e di fase. Questi errori possono essere calcolati utilizzando l'equazione della differenza di fase e la differenza di tensione tra il trasformatore in prova e quello di riferimento. Questo processo è analogo al test dei trasformatori di corrente, e le stesse metodologie di misurazione possono essere applicate.

Nel test, si utilizza spesso un trasformatore di isolamento 1:1 per garantire che la misurazione della differenza di tensione sia correttamente riferita a terra. Sebbene in alcune configurazioni sia possibile evitare l'uso del trasformatore di isolamento, è sempre preferibile adottare questa soluzione per motivi di sicurezza, soprattutto nei sistemi ad alta tensione.

È fondamentale comprendere che l'accuratezza dei trasformatori di tensione non dipende solo dalla qualità del trasformatore stesso, ma anche dalla configurazione del circuito di misura, dalle condizioni di test e dalle apparecchiature utilizzate. Anche i più piccoli errori possono compromettere la precisione della misurazione, influenzando quindi l'affidabilità del sistema di protezione e controllo.

Quali sono le differenze tra il misuratore PMMC e il DVM a rettifica con conversione RMS-DC?

Nel mondo degli strumenti di misura elettrica, esistono vari metodi per ottenere letture precise dei valori di tensione, corrente e resistenza. I misuratori di tensione a magnete permanente e bobina mobile (PMMC) e i voltmetri digitali (DVM) con rettifica, sebbene simili nel loro scopo, si differenziano sostanzialmente nella tecnologia che utilizzano per ottenere le letture, in particolare quando si tratta di tensioni e correnti in corrente alternata (AC).

Il misuratore PMMC, grazie alla sua bobina mobile, è in grado di filtrare le armoniche prodotte dalla rettifica del segnale in corrente alternata, fornendo una lettura più precisa in assenza di distorsioni. Tuttavia, un DVM a rettifica (normale o di precisione), pur eseguendo una rettifica, deve essere dotato di un filtro passa basso R-C per ottenere lo stesso effetto, separando le componenti in alta frequenza che potrebbero alterare la misura.

Nel caso di un DVM a rettifica con conversione RMS-DC, si utilizza un moltiplicatore analogico e un integratore (un filtro passa basso, nella pratica) per estrarre una tensione continua proporzionale al valore della radice quadrata media (RMS) di una tensione AC. Il moltiplicatore, che può essere di tipo transconduttanza o log-antilogaritmico, è alimentato dal segnale AC e il suo output viene inviato all'integratore. L’output finale, quindi, è la lettura di un valore che rappresenta il valore RMS della tensione AC in ingresso.

La precisione del DVM RMS-DC è una delle caratteristiche principali quando si misurano tensioni o correnti non sinusoidali, poiché è in grado di leggere correttamente anche le forme d'onda più complesse, a differenza dei dispositivi che si limitano a misurare solo segnali sinusoidali. Questo tipo di misuratore è particolarmente utile per applicazioni in cui le forme d'onda AC non sono ideali, come nelle reti elettriche industriali o nei segnali distorti.

In pratica, la conversione della corrente AC in una tensione proporzionale e la successiva misurazione di questa tensione tramite un DVM non è sempre la soluzione migliore in termini di precisione. Infatti, un misuratore RMS vero e proprio non utilizza questa conversione per la misurazione di correnti o tensioni DC, poiché potrebbe ridurre l'accuratezza. Quando si seleziona una funzione di misurazione DC, il convertitore RMS-DC viene automaticamente disabilitato.

Un altro aspetto fondamentale riguarda la misurazione della resistenza con un DVM. Aggiungendo una fonte di corrente, è possibile misurare resistenze sconosciute sotto eccitazione DC. La resistenza misurata può essere determinata dalla tensione sviluppata sulla resistenza stessa in base al valore della corrente, utilizzando il DVM come voltmetro. Con una corrente di 1 mA, per esempio, una resistenza di 1 Ω sviluppa una tensione di 1 mV, che sarà letta come 1.0 dal DVM, e una resistenza di 100 Ω svilupperà 100 mV, letta come 100.0.

L'aggiunta di una fonte di corrente come quella di Howland consente di realizzare misurazioni di resistenza molto precise, permettendo di utilizzare il DVM come un ohmmetro multi-intervallo, con valori di pieno scorrimento che vanno da 200 Ω fino a 2 MΩ.

Molti DVM oggi in commercio sono dotati anche di funzioni come il test di continuità, che consente di verificare rapidamente se un filo o un circuito stampato (PCB) è integro, senza dover guardare il display. In modalità ohmmetro a 200 Ω, se si collega un filo semplice tra i terminali del DVM, il dispositivo mostrerà una lettura prossima a zero. Questa funzione è particolarmente utile per diagnostica rapida in laboratorio o sul campo.

Un altro strumento integrato nei DVM è il test del diodo. Utilizzando una fonte di corrente e un DVM impostato su una scala di tensione adatta (ad esempio 2 V o 20 V), è possibile testare il funzionamento del diodo. In condizioni normali, il diodo avrà una caduta di tensione direzionale (tipicamente tra 1,8 e 3,3 V per i LED), mentre un diodo difettoso o aperto mostrerà un errore di "overload". Inoltre, un diodo in corto circuito mostrerà valori prossimi a zero in entrambe le polarità.

Per concludere, è fondamentale per un lettore comprendere che le misurazioni accurate delle grandezze elettriche non si limitano alla lettura di valori di tensione o corrente. L’uso di tecnologie come la conversione RMS-DC e le funzioni avanzate come il test di continuità o diodi è essenziale per ottenere letture precise e affidabili in una vasta gamma di applicazioni elettriche e elettroniche.