Valutazione sperimentale e analisi della precisione dei trasformatori di corrente induttivi in condizioni di carico realistiche, non lineari e ricche di armoniche

Perché i misuratori di energia possono lentamente andare fuori scala

Dietro ogni bolletta elettrica, relè di protezione o contatore intelligente si nasconde un umile dispositivo chiamato trasformatore di corrente. Il suo compito è ridurre correnti elevate a livelli sicuri e misurabili. Questo articolo pone una domanda attuale: con le abitazioni e le fabbriche sempre più affollate di elettronica che deforma la forma d’onda della corrente, possiamo ancora fidarci di questi trasformatori così a lungo impiegati? Ricreando in laboratorio condizioni reali cariche di distorsione, gli autori mostrano in dettaglio quando e come i trasformatori di corrente iniziano a fuorviare le misure.

Dalle onde perfette alla realtà disordinata

Su un libro di testo la corrente elettrica è disegnata come una sinusoide regolare. Negli edifici reali, tuttavia, dispositivi come azionamenti per motori, televisori, lampade a scarica e alimentatori assorbono corrente in brevi impulsi irregolari. Questi carichi “non lineari” riempiono la corrente di componenti a frequenze aggiuntive, chiamate armoniche, e spingono il nucleo del trasformatore fuori dalla sua zona di funzionamento ottimale. Lo studio si concentra su due trasformatori di corrente a bassa tensione ampiamente usati, tarati 50/5 A e 100/5 A, e verifica quanto fedelmente riescano a riprodurre sia correnti quasi sinusoidali sia forme d’onda molto più disordinate.

Un banco prova realistico in laboratorio

Per indagare la questione, i ricercatori hanno costruito un apparato di laboratorio che rispecchia la pratica industriale. Una sorgente in CA a 230 V alimenta apparecchi reali disposti per creare sette diverse condizioni di carico, da un funzionamento lineare semplice a correnti fortemente impulsive e asimmetriche. Una resistenza di precisione nel circuito principale registra la corrente “vera”, mentre i due trasformatori di corrente, collegati in serie, forniscono le loro versioni ridotte. Un oscilloscopio digitale cattura forme d’onda sincronizzate e calcola diversi indicatori chiave: la corrente efficace (RMS), che è alla base della fatturazione dell’energia; la distorsione armonica totale (THD), che misura quanto una forma d’onda si discosti da una sinusoide pura; l’errore di rapporto tra corrente reale e misurata; e l’errore di fase, ossia lo scostamento temporale tra correnti primaria e secondaria.

Cosa succede quando aumentano distorsione e corrente

In condizioni miti e quasi sinusoidali, entrambi i trasformatori si comportano come promesso dalle loro schede tecniche. Riproducono la corrente con errori di rapporto trascurabili inferiori all’1% e spostamenti di fase molto piccoli, e la loro distorsione armonica è soltanto leggermente peggiore rispetto alla sorgente. Non appena compaiono carichi non lineari, però, la storia cambia. Correnti impulsive e altamente distorte spingono i nuclei magnetici verso la saturazione. I trasformatori allora sottostimano o sovrastimano la corrente reale, mostrano grandi errori di rapporto che possono superare il 40% e aggiungono una distorsione sostanziale. Allo stesso tempo, la fase della corrente secondaria si sfasia rispetto alla primaria di alcuni gradi, un fattore critico per i relè di protezione che devono intervenire in millisecondi.

Anche l’elevata corrente da sola può essere un problema

Gli esperimenti rivelano anche che, anche quando la forma d’onda sembra quasi ideale, spingere semplicemente la corrente a livelli elevati può rompere le assunzioni usuali. In un test con una corrente pulita ma di grande ampiezza, il trasformatore 50/5 ha sottovalutato gravemente la corrente RMS reale, con errori di rapporto oltre il 60% e THD che schizzava oltre il 100%, chiare impronte di profonda saturazione del nucleo. Il trasformatore con taratura superiore 100/5 se l’è cavata meglio ma ha comunque mostrato errori rilevanti. In tutti e sette i casi è emerso lo stesso schema: all’aumentare del livello di corrente o del contenuto armonico, gli errori di ampiezza e di fase crescevano insieme, mostrando che le classi di precisione convenzionali definite solo per prove sinusoidali non descrivono ciò che succede realmente nelle reti distorte odierne.

Cosa significa per le reti e possibili rimedi futuri

Per il lettore non specialista, la conclusione è semplice: quando la forma d’onda della corrente è fortemente distorta, i trasformatori di corrente ordinari possono rendere le correnti più piccole o diverse da quelle reali, e il loro sincronismo può scivolare. Questa combinazione mina la fatturazione accurata, fuorvia la pianificazione delle reti e può ritardare o provocare interventi errati dei sistemi di protezione. Mappando con cura come gli errori crescono con la distorsione e il carico, questo studio fornisce la «verità a terra» necessaria per migliorare gli standard e progettare metodi di correzione più intelligenti. Indica possibili soluzioni future come il monitoraggio degli errori in tempo reale, la compensazione delle armoniche e modelli di intelligenza artificiale che prevedono quando un trasformatore sta uscendo dalla sua zona di funzionamento sicura. Insieme, tali avanzamenti potrebbero mantenere i dispositivi di misura affidabili, anche mentre le nostre reti elettriche si popolano sempre più di elettronica non lineare.

Citazione: Daouli, B.H.L., Mana, H., Labiod, C. et al. Experimental evaluation and accuracy analysis of inductive current transformers under realistic nonlinear and harmonic-rich load conditions. Sci Rep 16, 8933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41709-7

Parole chiave: trasformatori di corrente, distorsione armonica, carichi non lineari, precisione di misura, qualità della potenza