Oggi le fonti di energia rinnovabile, come l'eolico e il solare, stanno diventando sempre più importanti, lo stesso Global Wind Energy Council (GWEC) sostiene che sia necessario accelerare il processo per evitare ulteriori peggiori impatti dei cambiamenti climatici.

Ciò sta determinando enormi cambiamenti in tutti gli aspetti del settore dell'energia elettrica, compresi i metodi utilizzati per misurare le grandi correnti.

Il grande vantaggio dei sistemi di produzione dell’energia tradizionali è la loro stabilità e la possibilità di controllo. Le fonti di energia elettrica rinnovabili sono invece estremamente variabili: l'energia eolica non viene generata a meno che non soffi il vento.

Le correnti DC provenienti dagli impianti fotovoltaici o dai convertitori di potenza utilizzati in altre fonti rinnovabili possono essere immesse nella rete AC tradizionale, pertanto le tecniche convenzionali di misura di grandi correnti non sono appropriate.

Un'altra tendenza associata alle rinnovabili riguarda la necessità di disporre di batterie di grandi dimensioni, per immagazzinare l'energia in eccesso quando i pannelli solari e i parchi eolici producono elettricità e poterla reimmetterla nella rete al bisogno.

Esistono ormai delle Energy Storage Facility con capacità di 400 MWh / 1.600 MWh; tali enormi installazioni richiedono anche misure di correnti elevate molto accurate. Anche in questo caso i metodi convenzionali non sono adeguati per il compito.

Le applicazioni che richiedono la misura di correnti superiori a 5 kA richiedono sempre più a tecniche a flusso zero, che utilizzano il campo magnetico generato dalla circolazione della corrente, come la tecnologia Fluxgate di Danisense.

Tecnologia Zero-Flux

Fig. 1: Principio di funzionamento del trasduttore a flusso zeroPer spiegare il funzionamento della tecnologia a flusso zero, è opportuno considerare prima alcuni principi di base. Nella Figura 1, in alto a sinistra è mostrata una bobina di raccolta costruita attorno ad una barra magnetica; in alto a destra è mostrato il circuito elettrico equivalente con una resistenza e un'induttanza.

Quando viene applicata una tensione, la corrente nel circuito assume l’andamento mostrato nella curva rossa. La corrente cresce progressivamente, seguendo la pendenza in funzione del valore dell'induttanza, fino al punto in cui l'induttanza si satura. In questa condizione il circuito elettrico equivalente può considerarsi solo resistivo.

Quando si crea un trasduttore di corrente a flusso zero, il materiale utilizzato per la barra ha proprietà magnetiche specifiche che fanno sì che la corrente segua la curva blu. Inizialmente, la corrente cresce lentamente a causa di un elevato valore di impedenza. Quindi, bruscamente, l'induttanza si satura e la corrente aumenta molto rapidamente per raggiungere il punto finale come in precedenza.

Fig. 2a: Spostamento del punto zeroSe ora viene applicato un segnale quadrato di tensione, il profilo della corrente diventa una successione di cicli di saturazione e de-saturazione positivi e negativi.

Se un conduttore viene posizionato vicino all'elemento Fluxgate, la circolazione della corrente creerà un campo magnetico aggiuntivo che influenzerà il segnale spostando la posizione zero (Figura 2a – curva blu).

Infine, l'elaborazione del segnale eseguita sulla seconda armonica rivela dettagli sulla corrente primaria (Figura 2a – curva viola).

Fig. 2b: Principio dell'anello chiusoPer migliorare ulteriormente le prestazioni del sensore di corrente, i produttori spesso combinano la tecnologia a flusso zero con il principio dell'anello chiuso, mostrato nella Figura 2b.

Qui l'elemento Fluxgate viene posizionato nel traferro e durante la misura del campo magnetico, la corrente in uscita viene re-iniettata attraverso l'avvolgimento secondario che genera poi un campo magnetico nella direzione opposta. Usando questo metodo, il campo magnetico sperimentato dal Fluxgate è sempre zero, eliminando i problemi di offset e linearità.

Attualmente sono disponibili quattro principali topologie di misura a flusso zero (Figura 3).

Fig. 3: Le quattro principali topologie a flusso zero

Il primo (3a) si basa su un nucleo magnetico con un traferro, più l'avvolgimento secondario. Assomiglia a un trasduttore di corrente ad effetto Hall ad anello chiuso, in cui l'elemento Hall nel traferro è stato sostituito dal Fluxgate. Il vantaggio principale è una buona deriva di offset.

La seconda topologia (3b) è un singolo core che assume il ruolo dell'elemento Fluxgate. Poiché non c'è traferro, uno dei vantaggi chiave è la sua robustezza EMC e anche la sua alta risoluzione. Ma poiché la saturazione del core si verifica rapidamente, la larghezza di banda è limitata a pochi Hertz.

La terza topologia risolve questo problema aggiungendo un nucleo di avvolgimento (3c) che misura solo il segnale AC, come con un trasformatore di corrente. In tal caso, si ottengono tutti i vantaggi delle tue tecnologie.

Tuttavia, se è richiesta una prestazione ancora più elevata, una topologia 'balanced core' (3d) impiega due elementi Fluxgate identici posti in opposizione. Pertanto, indipendentemente dalle condizioni ambientali esterne – come EMC o variazioni di temperatura – esiste una compensazione passiva naturale tra i due elementi sensibili. Utilizzando questo approccio, è possibile ottenere una precisione di misura di 1 ppm, anche in ambienti difficili.

La tecnologia Fluxgate può essere utilizzata per fornire misure della corrente molto accurate, stabili e ripetibili per tutti i livelli di corrente e Danisense ha sviluppato una famiglia di trasduttori di rilevamento della corrente che coprono gli intervallo di miusra di 0-600 A, 600-3000 A e oltre 3 kA.

Per i mercati emergenti con correnti molto elevate, come discusso nella prima parte di questo articolo, Danisense ha dovuto affrontare nuove sfide, ma attualmente sta sviluppando soluzioni fino a 30 kA e non vede limiti teorici per l'approccio Fluxgate.

Fig. 4: Il trasduttore di rilevamento della corrente DR10000IM da 11 kAL'isolamento e la sicurezza sono requisiti chiave nelle applicazioni ad alta potenza. Lo standard di riferimento è IEC 61010. A differenza dei prodotti offerti dall'azienda per applicazioni a bassa corrente, i trasduttori di rilevamento della corrente DR50000IM (8kA) e DR10000IM (11kA) di Danisense (Figura 4) separano la sonda di rilevamento dall'unità di elaborazione del segnale elettronico.

La sonda di rilevamento è un robusto dispositivo passivo che può essere posizionato e lasciato per lunghi periodi in ambienti elettrici rumorosi senza risentire di alcuna interferenza che inevitabilmente sarà presente, date le elevate correnti in gioco.

Il complesso condizionamento ed elaborazione del segnale può essere eseguito a distanza in un ambiente di laboratorio sicuro e a temperatura controllata, che può trovarsi a 30 m di distanza dalla sonda di rilevamento. In questo modo, separando le funzioni del trasduttore di rilevamento della corrente, la sonda di rilevamento passiva può anche essere sufficientemente robusta per far fronte a condizioni ambientali difficili.

Inoltre, è pericoloso lavorare vicino a un ambiente ad alto campo magnetico, quindi questo approccio riduce al minimo la necessità per gli operatori di manipolare il trasduttore, ad esempio per collegare l'alimentazione e l'uscita, nel campo magnetico, aumentando la sicurezza.

Fig. 5: Sonda di rilevamento DR10000IM di Danisense in un'installazione di una turbina eolica Siemens GamesaI nuovi trasduttori ad alta corrente di Danisense presentano anche una bassa frequenza di eccitazione di 7 kHz. Per i prodotti più piccoli, è preferibile una frequenza di eccitazione molto più elevata, fino a 32 kHz, in quanto ciò migliora le prestazioni dinamiche.

Tuttavia, per i sensori della serie DR, la saturazione di un nucleo magnetico così grande con alta frequenza richiederebbe circuiti ad alta potenza che possono essere grandi e costosi. Riducendo la frequenza Danisense è riuscita a raggiungere un buon equilibrio tra prestazioni dinamiche e livello di potenza.

Per collegare la sonda di rilevamento e lo stadio di elaborazione elettronica viene utilizzato un cavo appositamente progettato con più doppini intrecciati con schermatura individuale racchiusa da un secondo strato schermante complessivo. Se la distanza tra la testina e l'unità di elaborazione è superiore a 30 metri Danisense utilizza tre fili per la corrente compensata anziché uno per ridurre il valore della corrente e quindi l'effetto di impedenza.

I trasduttori di rilevamento della corrente DR50000IM e DR10000IM di Danisense hanno un'elevata larghezza di banda di 100 kHz e sono ultra stabili con un errore di linearità di solo 1 ppm. L'azienda offre anche versioni di uscita di tensione equivalente di questi trasduttori: DR50000UX (8kA) e DR10000UX (11kA)

Conclusione

Con l'introduzione della rete intelligente, le società di servizi pubblici e altri devono riconsiderare le attuali tecniche di misura che utilizzano, perché l'energia elettrica viene generata da una gamma molto più ampia di fonti rispetto al passato.

Fig. 6: Rendering del futuro sensore di corrente da 30 kALa tecnologia Fluxgate di Danisense, già ampiamente utilizzata in applicazioni come scanner MRI, stazioni di ricarica per veicoli elettrici e grandi istituti di fisica come il CERN, si sta dimostrando ugualmente in grado di gestire correnti elevate nell'ordine di decine di kiloampere, fornendo misurazioni accurate, stabili e ripetibili risultati.

Danisense sa che nel prossimo futuro sarà necessario misurare correnti ancora più elevate e lancerà a breve un trasduttore di rilevamento della corrente con la capacità di misurare fino a 30 kA (Figura 6). Questo sarà caratterizzato da un'apertura di 330 mm – la più grande mai offerta da Danisense – che sarà di interesse anche per le aziende che hanno una domanda di corrente inferiore ma che hanno cavi di grande diametro.

* Loic Moreau è VP Technical Marketing di Danisense

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