Rogowského cívky – konstrukce a princip činnosti

Rogowského cívky se díky své bezjádrové konstrukci a širokému pásmu stávají stále populárnější alternativou ke klasickým transformátorům nebo Hallovým senzorům. V tomto článku představujeme jejich princip fungování, praktické aplikace a porovnáváme je s jinými měřicími technologiemi.

Co je Rogowského cívka?

Rogowského cívka je bezjádrový proudový převodník používaný k měření střídavého proudu (AC). Funguje na principu elektromagnetické indukce – měří střídavý magnetický tok generovaný protékajícím proudem a indukuje napětí úměrné jeho změně v čase (dI/dt).

Použití Rogowského cívek

Rogowského cívky se široce používají v:

• elektrické energii (monitorování sítě, analýza kvality energie),
• průmyslové automatizaci (řízení pohonů, spouštění motorů),
• měřicích zařízeních a záznamnících parametrů sítě,
• instalacích obnovitelných zdrojů energie (FV, turbíny, větrná energie),
• elektromobilitě (monitorování nabíječek, infrastruktura pro elektromobily),
• vědeckém výzkumu a laboratorních měřeních pulzních proudů.

Konstrukce Rogowského cívky

Cívka se skládá z flexibilního měděného vinutí spirálovitě navinutého kolem plastového jádra (neferomagnetického), tvarovaného do kruhu nebo otevřené smyčky. Nemá feromagnetické jádro, což eliminuje problém saturace a hystereze.

Princip činnosti Rogowského cívky

Rogowského cívka pracuje na principu Faradayova indukčního zákona: měnící se magnetické pole způsobené průtokem proudu ve vodiči uzavřeném cívkou v něm indukuje napětí. Toto napětí je úměrné derivaci proudu v čase:

*kde M je vzájemná indukčnost cívky vzhledem k vodiči.

Pro získání okamžité hodnoty proudu musí být signál z cívky integrován do měřicího řetězce (analogového nebo digitálního). Klíčové jevy používané v provozu:

• elektromagnetická indukce (Faradayův zákon),
• princip superpozice (pro vícevodičové měřicí systémy),
• žádná magnetická vazba s jádrem (žádný efekt nasycení).

Proč jsou cívky PEM lídrem na trhu?

Rogowského cívky od společnosti PEM (Power Electronic Measurements Ltd) jsou považovány za jedny z nejpřesnějších a nejstabilnějších řešení na trhu. Již více než 30 let se společnost specializuje výhradně na technologii Rogowského cívek a vyvíjí řadu inovativních řešení:

RCT – průmyslové Rogowského cívky pro monitorování sítě

Řada RCT je řešení určené pro použití v průmyslovém prostředí. Nabízí:

• soulad s průmyslovými standardy,
• montáž na DIN lištu (snadná integrace do rozvaděče),
• digitální komunikaci přes rozhraní Modbus RTU, umožňující vzdálené sledování parametrů.

CWT – širokopásmové cívky pro laboratorní a výkonové elektronické aplikace

Řada CWT zahrnuje přesné sondy se širokým frekvenčním rozsahem – od nízkých po velmi vysoké:

• k dispozici jsou varianty LF (nízká frekvence) a HF (vysokofrekvenční frekvence),
• šířka pásma až 30 MHz,
• možnost volby mezi externím nebo integrovaným integrátorem.

CWT Mini / CWT UltraMini – miniaturní sondy pro měření lokálních

Sondy CWT Mini a UltraMini, určené pro nejnáročnější, kompaktní systémy umožňují:

• inovativní měření součástek procházejících otvory (THT),
• bezpečné a přesné měření polovodičových systémů (např. MOSFET, IGBT, SiC, GaN),
• instalaci ve velmi omezeném prostoru – např. přímo na desky plošných spojů.

Proč PEM cívky?

Řešení PEM vynikají od konkurence díky svým jedinečným konstrukčním prvkům a kvalitě provedení:

• Přesnost měření až ±0,1 %, dosažená individuální kalibrací každé cívky.
• Žádné feromagnetické jádro, eliminuje problém magnetické saturace a hysterezních jevů.
• Široká šířka pásma – až 30 MHz, v závislosti na modelu.
• Měří proudy od několika miliampérů do stovek kiloampérů, včetně pulzních a interferenčních (HF).
• Flexibilní mechanická konstrukce – cívky jsou lehké, flexibilní a často odnímatelné.
• Soulad s mezinárodními normami, včetně IEC 61010 a IEC 61869, zaručuje bezpečnost a spolehlivost.

Srovnání s jinými metodami měření proudu

Ve strojírenské praxi se k měření proudu používají různé technologie, každá s vlastními silnými a slabými stránkami. Rogowského cívka vyniká svým jedinečným designem a vlastnostmi. Zde je srovnání s jinými řešeními:

Rogowského cívka

Jedná se o bezjádrový převodník proudu, ideální pro měření střídavých a pulzních proudů. Jeho největší výhody jsou:

• žádná saturace (protože neobsahuje feromagnetické jádro),
• velmi široká šířka pásma, až několik desítek megahertzů,
• nízká hmotnost a flexibilita – instalace možná i na těžko dostupných místech,
• bezpečné bezkontaktní měření (galvanické oddělení).

Hlavní omezení: neumožňuje přímé měření stejnosměrné složky a získaný napěťový signál vyžaduje integraci (analogovou nebo digitální), což může zvýšit složitost měřicího systému.

Proudový transformátor (CT)

Toto je tradiční řešení používané především v energetickém průmyslu a systémech měření střídavého proudu. Hlavní výhody jsou:

• jednoduchá konstrukce a spolehlivost,
• dobrá přesnost při síťových frekvencích (50/60 Hz),
• nízké náklady a široká dostupnost.

Mezi omezení patří možnost saturace jádra při vysokých proudech, omezená šířka pásma (obvykle několik stovek Hz až několik kHz) a větší rozměry a hmotnost.

Shunt (měřicí rezistor – shunt)

Shunt je přesný rezistor, jehož úbytek napětí se používá k výpočtu hodnoty proudu. Mezi jeho výhody patří:

• měření stejnosměrného i střídavého proudu,
• velmi dobrá přesnost při nízkých proudech,
• přímá integrace s měřicí elektronikou.

Nevýhodou je, že bočník musí být zahrnut do proudového obvodu, což znamená nedostatek galvanického oddělení, riziko tepelných ztrát a možnost přehřátí při vysokých proudech.

Hallův senzor

Hallův senzor využívá Hallův jev k měření magnetického pole generovaného proudem, což umožňuje měření stejnosměrného i střídavého proudu. Mezi další výhody patří:

• úplné galvanické oddělení,
• kompaktní tvar,
• snadná integrace s digitálními systémy.

Hlavními nevýhodami jsou nižší přesnost ve srovnání s bočníky nebo Rogowského cívkami, citlivost na teplotu a omezení při měření vysokofrekvenčních signálů.

Shrnutí

Rogowského cívka bude fungovat nejlépe tam, kde je vyžadováno následující:

• měření vysokých proudů (pulzních nebo střídavých),
• široká měřicí šířka pásma,
• nízká hmotnost, flexibilní a bezkontaktní instalace,
• žádné problémy se saturací nebo hysterezí.

Pro měření stejnosměrného proudu, vysokou přesnost v nízkém rozsahu nebo jednoduchost systému je Stojí za zvážení i další technologie – každá má své místo ve specifických aplikacích.

Rogowského cívky jsou proudové převodníky, které jsou díky své bezjádrové konstrukci, široké šířce pásma a vysoké mechanické flexibilitě ideální pro náročné měřicí aplikace. Jejich schopnost přesně reprodukovat rychle se měnící proudy, absence saturace a imunita vůči elektromagnetickému rušení z nich činí ideální volbu pro aplikace, jako jsou: výkonová elektronika, průmyslová automatizace, vědecký výzkum, systémy obnovitelných zdrojů energie a elektromobilita.

Ačkoli nejsou univerzálním řešením (např. neměří přímo stejnosměrný proud), v mnoha scénářích překonávají tradiční proudové transformátory, bočníky nebo Hallovy senzory – zejména tam, kde je důležitá dynamika, bezpečnost a snadná instalace.

Výběr vhodné měřicí technologie by měl vždy zohledňovat vlastnosti měřených signálů a provozní prostředí – a Rogowského cívka může být chybějícím článkem v moderním měřicím řetězci.