Cewki rogowskiego - zasada działania, zastosowanie

Cewki Rogowskiego, dzięki swojej bezrdzeniowej konstrukcji i szerokiemu pasmu przenoszenia, stają się coraz popularniejszą alternatywą dla klasycznych transformatorów czy czujników Halla. W tym artykule przedstawiamy zasadę ich działania, praktyczne zastosowania oraz porównujemy je z innymi technologiami pomiarowymi.

Czym jest cewka Rogowskiego?

Cewka Rogowskiego to bezrdzeniowy przetwornik prądowy służący do pomiaru natężenia prądu przemiennego (AC), który działa na zasadzie indukcji elektromagnetycznej – mierzy zmienny strumień magnetyczny generowany przez przepływający prąd, indukując napięcie proporcjonalne do jego zmiany w czasie (dI/dt).

Zastosowania cewek Rogowskiego

Cewki Rogowskiego znajdują szerokie zastosowanie w:

• elektroenergetyce (monitorowanie sieci, analiza jakości energii),
• automatyce przemysłowej (sterowanie napędami, rozruch silników),
• urządzeniach pomiarowych i rejestratorach parametrów sieci,
• instalacjach OZE (PV, turbiny wiatrowe),
• elektromobilności (monitoring ładowarek, infrastruktura EV),
• badaniach naukowych i laboratoryjnych pomiarach prądów impulsowych.

Budowa cewki Rogowskiego

Cewka składa się z elastycznego uzwojenia miedzianego nawiniętego spiralnie wokół rdzenia z tworzywa sztucznego (nieferromagnetycznego), uformowanego w kształt pierścienia lub otwartej pętli. Nie posiada ferromagnetycznego rdzenia, co eliminuje problem nasycenia i histerezy.

Zasada działania cewki rogowskiego

Cewka Rogowskiego działa na zasadzie prawa indukcji Faradaya: zmieniające się pole magnetyczne, wywołane przepływem prądu w przewodniku objętym przez cewkę, indukuje w niej napięcie. To napięcie jest proporcjonalne do pochodnej prądu względem czasu:

*gdzie M to wzajemna indukcyjność cewki względem przewodnika.

Aby uzyskać wartość chwilową prądu, sygnał z cewki musi zostać poddany całkowaniu w torze pomiarowym (analogowo lub cyfrowo). Kluczowe zjawiska wykorzystywane w działaniu:

• indukcja elektromagnetyczna (prawo Faradaya),
• zasada superpozycji (dla wieloprzewodnikowych układów pomiarowych),
• brak sprzężenia magnetycznego z rdzeniem (brak wpływu nasycenia).

Dlaczego cewki PEM są liderem rynku?

Cewki Rogowskiego firmy PEM (Power Electronic Measurements Ltd) uznawane są za jedne z najdokładniejszych i najstabilniejszych rozwiązań na rynku. Firma od ponad 30 lat specjalizuje się wyłącznie w technologii cewek Rogowskiego, rozwijając szereg innowacyjnych rozwiązań:

RCT – przemysłowe cewki Rogowskiego do monitoringu sieci

Seria RCT to rozwiązanie zaprojektowane z myślą o pracy w środowiskach przemysłowych. Oferuje:

• zgodność ze standardami przemysłowymi,
• montaż na szynie DIN (łatwa integracja z rozdzielnicą),
• cyfrową komunikację przez interfejs Modbus RTU, umożliwiającą zdalne monitorowanie parametrów.

CWT – szerokopasmowe cewki do zastosowań laboratoryjnych i energoelektroniki

Seria CWT obejmuje precyzyjne sondy o szerokim zakresie częstotliwości – od niskich do bardzo wysokich:

• dostępne warianty LF (Low Frequency) i HF (High Frequency),
• pasmo przenoszenia sięgające aż do 30 MHz,
• możliwość wyboru między zewnętrznym a zintegrowanym układem całkującym.

CWT Mini / CWT UltraMini – miniaturowe sondy do pomiarów lokalnych

Przeznaczone do najbardziej wymagających, kompaktowych układów, sondy CWT Mini i UltraMini umożliwiają:

• innowacyjny pomiar elementów przewlekanych (THT),
• bezpieczne i precyzyjne pomiary układów półprzewodnikowych (np. MOSFET, IGBT, SiC, GaN),
• instalację w bardzo ograniczonej przestrzeni – np. bezpośrednio na płytkach PCB.

Dlaczego właśnie cewki PEM?

Rozwiązania PEM wyróżniają się na tle konkurencji dzięki unikalnym cechom konstrukcyjnym i jakości wykonania:

• Dokładność pomiarowa do ±0,1%, osiągana dzięki indywidualnej kalibracji każdej cewki.
• Brak rdzenia ferromagnetycznego, co eliminuje problem nasycenia magnetycznego i zjawisk histerezy.
• Szerokie pasmo przenoszenia – do 30 MHz, w zależności od modelu.
• Pomiar prądów od kilku miliamperów do setek kiloamperów, także impulsowych i zakłóceniowych (HF).
• Elastyczna konstrukcja mechaniczna – cewki są lekkie, giętkie, często z możliwością otwierania.
• Zgodność z normami międzynarodowymi, w tym IEC 61010 i IEC 61869, gwarantująca bezpieczeństwo i niezawodność.

Porównanie z innymi metodami pomiaru prądu

W praktyce inżynierskiej do pomiaru prądu stosuje się różne technologie, z których każda ma swoje mocne i słabe strony. Cewka Rogowskiego wyróżnia się spośród nich dzięki unikalnej konstrukcji i charakterystyce. Oto, jak wypada na tle innych rozwiązań:

Cewka Rogowskiego

To bezrdzeniowy przetwornik prądowy idealny do pomiaru prądów przemiennych i impulsowych. Jej największe zalety to:

• brak nasycenia (ponieważ nie zawiera rdzenia ferromagnetycznego),
• bardzo szerokie pasmo przenoszenia, nawet do kilkudziesięciu megaherców,
• niewielka masa i elastyczność — możliwa instalacja nawet w trudno dostępnych miejscach,
• bezpieczny, bezkontaktowy pomiar (izolacja galwaniczna).

Główne ograniczenie: nie pozwala na bezpośredni pomiar składowej stałej (DC), a uzyskany sygnał napięciowy wymaga całkowania (analogowego lub cyfrowego), co może zwiększać złożoność układu pomiarowego.

Transformator prądowy (CT)

To tradycyjne rozwiązanie wykorzystywane przede wszystkim w energetyce i systemach pomiaru prądu przemiennego. Główne zalety to:

• prosta budowa i niezawodność,
• dobra dokładność przy częstotliwościach sieciowych (50/60 Hz),
• niski koszt i szeroka dostępność.

Ograniczenia to m.in. możliwość nasycenia rdzenia przy dużych prądach, ograniczone pasmo przenoszenia (typowo kilkaset Hz do kilku kHz) oraz większe gabaryty i masa.

Bocznik (rezystor pomiarowy – shunt)

Bocznik to precyzyjny rezystor, na którym spadek napięcia wykorzystywany jest do obliczenia wartości prądu. Jego zalety to:

• pomiar zarówno DC, jak i AC,
• bardzo dobra dokładność przy niskich prądach,
• bezpośrednia integracja z elektroniką pomiarową.

Wadą jest fakt, że bocznik musi być włączony w obwód prądowy, co oznacza brak izolacji galwanicznej, ryzyko strat cieplnych oraz możliwość przegrzania przy dużych prądach.

Czujnik Halla

Czujniki Halla wykorzystują zjawisko efektu Halla do pomiaru pola magnetycznego generowanego przez prąd, co pozwala na pomiar zarówno prądów stałych, jak i przemiennych. Dodatkowe zalety to:

• pełna izolacja galwaniczna,
• kompaktowa forma,
• łatwość integracji z systemami cyfrowymi.

Główne wady to mniejsza dokładność w porównaniu z bocznikami czy cewkami Rogowskiego, wrażliwość na temperaturę oraz ograniczenia w pomiarze sygnałów o wysokiej częstotliwości.

Podsumowanie

Cewka Rogowskiego sprawdzi się najlepiej tam, gdzie wymagane są:

• pomiar wysokich prądów (impulsowych lub przemiennych),
• szerokie pasmo pomiarowe,
• lekkość, elastyczność i bezkontaktowa instalacja,
• brak problemów z nasyceniem czy histerezą.

W przypadku pomiaru prądu stałego, dużych dokładności w niskim zakresie lub prostoty układu, warto jednak rozważyć inne technologie – każda z nich ma swoje miejsce w konkretnych zastosowaniach.

Cewki Rogowskiego to przetworniki prądowe, które dzięki bezrdzeniowej konstrukcji, szerokiemu pasmu przenoszenia i wysokiej elastyczności mechanicznej doskonale sprawdzają się w wymagających aplikacjach pomiarowych. Ich zdolność do dokładnego odwzorowania szybkozmiennych prądów, brak nasycenia i odporność na zakłócenia elektromagnetyczne czynią je idealnym wyborem m.in. w energoelektronice, automatyce przemysłowej, badaniach naukowych oraz systemach OZE i elektromobilności.

Choć nie są rozwiązaniem uniwersalnym (np. nie mierzą bezpośrednio prądu stałego), w wielu scenariuszach przewyższają tradycyjne transformatory prądowe, boczniki czy czujniki Halla – szczególnie tam, gdzie liczy się dynamika, bezpieczeństwo i łatwość instalacji.

Wybór odpowiedniej technologii pomiarowej zawsze powinien uwzględniać charakterystykę mierzonych sygnałów oraz środowisko pracy — a cewka Rogowskiego może być właśnie tym brakującym ogniwem w nowoczesnym torze pomiarowym.