Sebbene in molte nazioni siano già state avviate iniziative su larga scala per l’installazione di contatori intelligenti, la tecnologia degli “smart-meter” è ancora relativamente nuova. Gli approcci di progettazione restano differenti e i tecnici vorrebbero essere aiutati a prendere le giuste decisioni nell'affrontare aspetti importanti come la misura della corrente assorbita. Esistono diverse tecniche a disposizione, ma è fondamentale scegliere quella giusta.
Progettare contatori intelligenti in linea con le richieste
I contatori intelligenti vanno distribuiti in grandi quantità se si vuole che le reti intelligenti per la distribuzione di energia offrano i vantaggi promessi in termini di riduzione dei gas serra, un maggiore impiego di fonti energetiche rinnovabili e una migliore affidabilità. Il messaggio è stato ricevuto. Al momento ci sono già oltre 50 milioni di contatori intelligenti installati negli Stati Uniti, secondo l'agenzia federale statunitense Energy Information Administration. L'Unione Europea punta per il 2020 a sostituire almeno l'80% dei contatori tradizionali con contatori intelligenti. Le principali nazioni asiatiche, come la Corea del Sud e la Cina, sono anch'esse fortemente impegnate su questo progetto.
Il passaggio ai contatori intelligenti dà la possibilità ai costruttori di anticipare nuovi prodotti in grado di offrire caratteristiche avanzate capaci di soddisfare le esigenze di utenti, governi e proprietari di immobili in diverse parti del mondo. Dal punto di vista tecnico, i contatori intelligenti sono ancora in fase di evoluzione e vi sono molti aspetti da esplorare in termini di applicazioni e di interfacce utente, oltre ai metodi utilizzati per catturare, elaborare e comunicare i dati. Ma al di là di tutto, tutti gli attori interessati concorderebbero sul fatto che i contatori intelligenti devono essere economicamente convenienti, facili da installare, estremamente affidabili e sostanzialmente privi di manutenzione. Devono inoltre soddisfare i noti standard di precisione.
La Figura 1 illustra i principali blocchi funzionali di un contatore intelligente, dal circuito di rivelazione della corrente con condizionamento ed elaborazione del segnale, al circuito di visualizzazione locale e comunicazione dei dati alla società che eroga il servizio.
La tecnologia di comunicazione più diffusa in Europa è la “powerline communications” (PLC), mentre le aziende distributrici americane si sono orientate verso le tecnologie wireless. Lo suggerisce un articolo di Greentechmedia spiegando che le reti di distribuzione statunitensi hanno un rapporto più elevato tra numero di trasformatori e numero di utenze domestiche sottese, il che rende più difficile la trasmissione dei dati sulle linee elettriche.
I principali costruttori di semiconduttori hanno proposto diverse architetture per la realizzazione in proprio di contatori intelligenti. I progettisti possono scegliere tra diversi smart-meter del tipo System-on-Chip (SoC), che comprendono un microcontrollore con periferiche front-end analogiche di alta precisione e specifiche periferiche di misura. Un approccio alternativo combina un chip dedicato per la misura dell'energia con il proprio DSC (Digital Signal Controller), sfruttando la presenza del motore DSP incorporato nel DSC per svolgere i relativi calcoli necessari alla misura della potenza.
Tecniche di misura della corrente
Nel punto di connessione tra il contatore intelligente e la fornitura di energia elettrica, una misura precisa della corrente è la chiave a un calcolo accurato dei dati di consumo. Diversi tipi di trasduttori di corrente vengono posizionati a questo scopo, ad esempio uno shunt (resistore di derivazione) di precisione, una bobina di Rogowski, un sensore ad effetto Hall o un trasformatore di corrente.
Lo shunt offre vantaggi come il costo molto basso dei componenti e una buona linearità su un ampio intervallo di valori di misura. D'altro canto, la resistenza deve essere bassa per minimizzare la dissipazione di calore e soddisfare così i requisiti degli standard normativi applicabili ai contatori elettrici. Le norme IEC 62053-21 e 62053-23, ad esempio, specificano una perdita massima di potenza di 2 W per fase. Per soddisfare questa specifica la resistenza deve essere al massimo di qualche centinaio di micro-ohm, il che genera una tensione molto bassa. Questo segnale richiede attente operazioni di filtraggio e di amplificazione per garantire la precisione con bassi valori di corrente. Al contrario, con correnti elevate, la dissipazione del calore nel contatore può rappresentare un problema. Inoltre, può essere necessaria una separazione galvanica, con optoaccoppiatori o trasformatori, al fine di garantire la sicurezza dell'utente e prevenire cortocircuiti tra le fasi nei contatori multifase.
La bobina di Rogowski non è soggetta ai problemi di dissipazione della potenza che si manifestano con lo shunt, ed è anche più facile da installare dal momento che non va inserita fisicamente nel circuito ma solo “avvolta” esternamente al cavo principale di corrente. Uno svantaggio di questo approccio è il fatto che la bobina di Rogowski può essere vulnerabile alle interferenze esterne, il che può compromettere la precisione della misura alle basse correnti, a meno di aggiungere una schermatura e aumentare così i costi.
I sensori ad effetto Hall sono tipicamente più costosi rispetto agli analoghi trasduttori di corrente, e sono anche più suscettibili alle variazioni con la temperatura. I più economici sensori non stabilizzati perdono precisione con gli anni mentre i dispositivi stabilizzati richiedono circuiti di compensazione che aumentano costi e complessità. I sensori ad effetto Hall possono anche saturarsi a elevati valori di corrente continua.
Il trasformatore di corrente combina diversi vantaggi, come un basso costo, una dissipazione minima della potenza, un'installazione facile e un'elevata stabilità nel tempo e con la temperatura. L'immunità alle interferenze è elevata, a differenza della bobina di Rogowski, poiché il circuito magnetico è chiuso. Occorre fare attenzione nella scelta di un trasformatore di corrente, se si vuole garantire un funzionamento nella zona lineare ed evitare la saturazione a correnti continue elevate.
Progettare con un trasformatore di corrente
Il trasformatore di corrente a pinza C/CT-1216, illustrato in Figura 2, disponibile grazie alla partnership tra KEMET e NEC TOKIN, offre i noti vantaggi dei trasformatori di corrente e può essere installato con facilità agganciandolo al cavo di alimentazione in tensione. Presenta un'uscita in tensione, eliminando la necessità di resistori di carico esterni. Un altro vantaggio di questo dispositivo è il piccolissimo errore di fase, inferiore a 1°, che si può facilmente compensare per garantire un'eccellente precisione nella misura.
Rispetto ai rapporti di trasformazione dei trasformatori generici, che vanno tipicamente da 1:10 a 1:1000, il rapporto di trasformazione in corrente del C/CT-1216, pari a 1:3000, permette una misura precisa su un ampio intervallo di correnti, da 0,1 A a 120 A. L'errore nel rapporto inferiore a ±1% è migliore del 50% rispetto alle precedenti generazioni, il che contribuisce a garantire che tutti i nuovi dispositivi restino senz'altro all'interno dei limiti di precisione specificati.
Nella scelta di un trasformatore di corrente, la corrente nominale dovrebbe essere sufficientemente alta affinché il trasformatore non saturi agli elevati valori della corrente di prova. Questa si aggira normalmente intorno al 130% della corrente massima da misurare. D'altra parte, la scelta di un trasformatore con una corrente troppo elevata rappresenta una soluzione costosa e ingombrante. Il C/CT-1216 presenta una corrente nominale efficace di 120 A, adatta alle misure di tipo domestico.
La Figura 3 mostra la relazione fortemente lineare tra le tensioni in uscita e la corrente al primario, il che offre la garanzia di una precisione uniforme su un ampio range di resistenze di carico.
Conclusione
La progettazione di contatori intelligenti continua ad evolversi e potrebbe convergere verso un'architettura fondamentale comune man mano che la tecnologia della smart-grid acquista maturità. Tra le varie tecniche di misura, il trasformatore di corrente permette di rispondere a esigenze importanti, come la precisione, l'efficienza energetica, l'affidabilità e la facilità di impiego, con costi contenuti.
James C. Lewis, Technical Marketing Manager, KEMET Corp.
