Contactless power measurement

This analysis aims to study the possibility of measuring the power flowing in a wire with a contactless system. This strategy should be suitable for electrical systems in many situations: inside a house, within a factory and for outdoor appliances. It is going to apply physical laws to compute the value of the power the analysis is interested in. The evaluation of the power is going to be made starting from the values of the current and voltage, each of them measured independently one another. It is going to be analysed and presented the state of art of the contactless measurement system already available on the market and/or on the literature, experimentally used or only studied by physical laws. This thesis is going to show the adopted instrumentation and, in particular, that one that exploits a similar technique to the one which implementation is going to be done. Later, the steps required for building a measurement system for V and I are described. For the voltage value a system with two plates forming a capacitor is going to be considered. This capacitor enables us to read the voltage value thanks to the electric field enclosed between the two plates. First of all, this system is studied by a model with the approximated value of losses. By the first model and thanks to some simulation, it is going to design the correct characteristics of the plates for the capacitor. Only at the end of this part it is going to be also shown a proposed hardware setup that manages the voltage measurement and signal reconstruction. For current measurement, instead, a specific instrument is used, which is the CT (Current Transformer). This thesis only describe it and the values which are obtained from the simulations. It is also going to describe how to implement the circuital model in practice, which allows to use the transformer clamped on the wires of interest. After the design of satisfactory measurement strategies for currents and voltages, these methods are put together for power estimations. Its evaluation is the goal of this study. Finally, some investigations regarding the correctness, sensibility and reliability of these results are carried out.

Gli obbiettivi di quest analisi sono quelli di andare a studiare la possibilità di misurare, tramite un sistema senza contatto, la potenza che scorre in un cavo. Questa strategia dovrebbe essere adatta e consona per sistemi elettrici di varie tipologie: un impianto domestico, all’interno di una fabbrica o per un’applicazione esterna. Si andrà ad applicare varie leggi fisiche al fine di calcolare la potenza alla quale questa analisi è interessata. Il calcolo della potenza sarà fatta partendo dai valori di tensione e corrente, ognuno dei quali calcolato in maniera indipendente dall’altro. Si inizierà col presentare lo stato dell’arte dei sistemi di misura senza contatto presenti nel mercato e/o in letteratura, di quelli usati a livello sperimentale e di quelli anche solo studiati come applicazione di un principio fisico. Questa tesi mostrerà la strumentazione adottata e, in particolar modo, quella con tecniche simili a quegli strumenti dei quali sarà portato avanti uno sviluppo. Solo dopo saranno illustrati i passaggi necessari per costruire un sistema di misura per V e I. Per quanto riguarda il valore di tensione si crerà un sistema con due piastre conduttrici che formano una capacità. Questa capacità permetterà di leggere il valore di tensione grazei al campo elettrico all’interno delle piastre. Inizialmente il sistema è studiato con un modello che va considerare anche i valori approssimati delle varie perdite. Grazie a questo modello e alle sue simulazione si va a definire le corrette caratteristiche delle piastre per la capacità. Solo alla fine è proposta anche una soluzione per il set-up dell’hardwar per gestire il valore di tensione misurato e la ricostruzione del segnale. Per la misurazione della corrente, invece, si andrà ad usare uno specifico strumento, il CT (Transformatore di Corrente). Questa tesi andrà a descrivere quest’ultimo e i valori ottenuti dalle simulazioni. Anche qui si valuterà un modello circuitale collegato ai cavi di interesse, cosi da ottimizzare i risultati ottenuti. Solo dopo aver implementato una strategia di misura soddisfacente per corrente e tensione, questi metodi sono considerati asssieme per ottenere una stima della potenza. Questo valore è effettivamente l’obbiettivo di questo studio. Alla fine sono svolte alcune valutazioni sulla correttezza, la sensibilità e la realizzabilità dei risultati ottenuti.