Bobinele Rogowski – construcție și principiu de funcționare

Bobinele Rogowski, datorită construcției lor fără miez și lățimii de bandă mari, devin o alternativă din ce în ce mai populară la transformatoarele clasice sau la senzorii Hall. În acest articol, prezentăm principiul lor de funcționare, aplicațiile practice și le comparăm cu alte tehnologii de măsurare.

Ce este o bobină Rogowski?

O bobină Rogowski este un traductor de curent fără miez utilizat pentru măsurarea curentului alternativ (CA). Funcționează pe principiul inducției electromagnetice - măsoară fluxul magnetic alternativ generat de curentul curgător, inducând o tensiune proporțională cu schimbarea acestuia în timp (dI/dt).

Aplicații ale bobinelor Rogowski

Bobinele Rogowski sunt utilizate pe scară largă în:

• energie electrică (monitorizarea rețelei, analiza calității energiei),
• automatizare industrială (controlul acționărilor, pornirea motoarelor),
• dispozitive de măsurare și înregistratoare de parametri ai rețelei,
• instalații de energie regenerabilă (fotovoltaică, turbine), eoliană),
• electromobilitate (monitorizarea încărcătoarelor, infrastructura vehiculelor electrice),
• cercetare științifică și măsurători de laborator ale curenților pulsatori.

Construcția bobinei Rogowski

Bobina constă dintr-o înfășurare flexibilă din cupru înfășurată spiralat în jurul unui miez de plastic (neferomagnetic), format într-o formă de inel sau buclă deschisă. Nu are miez feromagnetic, ceea ce elimină problema saturației și a histerezisului.

Principiul de funcționare al bobinei Rogowski

Bobina Rogowski funcționează pe principiul legii inducției a lui Faraday: un câmp magnetic variabil cauzat de curgerea curentului într-un conductor închis de bobină induce o tensiune în aceasta. Această tensiune este proporțională cu derivata curentului în raport cu timpul:

*unde M este inductanța mutuală a bobinei față de conductor.

Pentru a obține valoarea instantanee a curentului, semnalul de la bobină trebuie integrat în lanțul de măsurare (analogic sau digital). Fenomene cheie utilizate în funcționare:

• inducția electromagnetică (legea lui Faraday),
• principiul suprapunerii (pentru sisteme de măsurare multiconductor),
• fără cuplare magnetică cu miezul (fără efect de saturație).

De ce sunt bobinele PEM un lider de piață?

Bobinele Rogowski de la PEM (Power Electronic Measurements Ltd) sunt considerate printre cele mai precise și stabile soluții de pe piață. De peste 30 de ani, compania s-a specializat exclusiv în tehnologia bobinelor Rogowski, dezvoltând o gamă de soluții inovatoare:

RCT – bobine Rogowski industriale pentru monitorizarea rețelei

Seria RCT este o soluție concepută pentru utilizare în medii industriale. Oferă:

• respectarea standardelor industriale,
• montare pe șină DIN (integrare ușoară într-un tablou de distribuție),
• comunicare digitală prin interfață Modbus RTU, permițând monitorizarea parametrilor de la distanță.

CWT – bobine de bandă largă pentru aplicații de laborator și electronică de putere

Seria CWT include sonde de precizie cu o gamă largă de frecvență – de la joasă la foarte înaltă:

• Variante LF (Low Frequency) și HF (High Frequency) disponibile,
• lățime de bandă de până la 30 MHz,
• posibilitatea de a alege între un integrator extern sau integrat.

CWT Mini / CWT UltraMini – sonde miniaturale pentru măsurarea locală

Concepute pentru cele mai solicitante sisteme compacte, sondele CWT Mini și UltraMini permit:

• măsurarea inovatoare a componente through-hole (THT),
• măsurători sigure și precise ale sistemelor semiconductoare (de exemplu, MOSFET, IGBT, SiC, GaN),
• instalare în spațiu foarte limitat – de exemplu, direct pe PCB-uri.

De ce bobine PEM?

Soluțiile PEM se remarcă față de concurență datorită caracteristicilor unice de design și calității construcției:

• Precizie de măsurare de până la ±0,1%, obținută prin calibrarea individuală a fiecărei bobine.
• Fără miez feromagnetic, eliminând problema saturației magnetice și a fenomenelor de histerezis.
• Lățime de bandă largă – până la 30 MHz, în funcție de model.
• Măsoară curenți de la câțiva miliamperi la sute de kiloamperi, inclusiv curenți pulsați și interferenți (HF).
• Design mecanic flexibil – bobinele sunt ușoare, flexibile și adesea... detașabil.
• Respectarea standardelor internaționale, inclusiv IEC 61010 și IEC 61869, garantând siguranța și fiabilitatea.

Comparație cu alte metode de măsurare a curentului

În practica inginerească, se utilizează diverse tehnologii pentru măsurarea curentului, fiecare cu punctele sale forte și slabe. Bobina Rogowski se remarcă datorită designului și caracteristicilor sale unice. Iată cum se compară cu alte soluții:

Bobină Rogowski

Acesta este un traductor de curent fără miez, ideal pentru măsurarea curenților alternativi și pulsatori. Cele mai mari avantaje ale sale sunt:

• fără saturație (deoarece nu conține un miez feromagnetic),
• lățime de bandă foarte largă, până la câteva zeci de megaherți,
• ușor și flexibil — instalare posibilă chiar și în locuri greu accesibile,
• măsurare sigură, fără contact (izolare galvanică).

Principala limitare: nu permite măsurarea directă a componentei continue, iar semnalul de tensiune obținut necesită integrare (analogică sau digitală), ceea ce poate crește complexitatea sistemului de măsurare.

Transformator de curent (CT)

Aceasta este o soluție tradițională utilizată în principal în industria energetică și în sistemele de măsurare a curentului alternativ. Principalele avantaje sunt:

• Design simplu și fiabilitate,
• Precizie bună la frecvențele rețelei (50/60 Hz),
• Cost redus și disponibilitate largă.

Limitările includ posibilitatea saturației miezului la curenți mari, lățime de bandă limitată (de obicei de la câteva sute de Hz la câțiva kHz) și dimensiuni și greutate mai mari.

Șunt (rezistor de măsurare – shunt)

Un șunt este un rezistor de precizie a cărui cădere de tensiune este utilizată pentru a calcula valoarea curentului. Avantajele sale includ:

• măsurarea atât a curentului continuu, cât și a curentului alternativ,
• precizie foarte bună la curenți mici,
• integrare directă cu electronica de măsurare.

Dezavantajul este că șuntul trebuie inclus în circuitul de curent, ceea ce înseamnă lipsa izolației galvanice, riscul de pierderi termice și posibilitatea de supraîncălzire la curenți mari.

Senzor cu efect Hall

Senzorii cu efect Hall utilizează efectul Hall pentru a măsura câmpul magnetic generat de curent, permițând măsurarea atât a curenților continui, cât și a celor alternativi. Avantajele suplimentare includ:

• izolare galvanică completă,
• formă compactă,
• integrare ușoară cu sistemele digitale.

Principalele dezavantaje sunt precizia mai mică în comparație cu șunturile sau bobinele Rogowski, sensibilitatea la temperatură și limitările în măsurarea semnalelor de înaltă frecvență.

Rezumat

Bobina Rogowski va funcționa cel mai bine acolo unde sunt necesare următoarele:

• măsurarea curenților mari (pulsați sau alternativi),
• lățime de bandă largă de măsurare,
• instalare ușoară, flexibilă și fără contact,
• fără probleme cu saturația sau histerezisul.

Pentru măsurarea curentului continuu, precizie ridicată într-un interval mic sau simplitate a sistemului, este Merită luate în considerare și alte tehnologii – fiecare are locul său în aplicații specifice.

Bobinele Rogowski sunt traductoare de curent care, datorită designului lor fără miez, lățimii de bandă largi și flexibilității mecanice ridicate, sunt ideale pentru aplicații de măsurare solicitante. Capacitatea lor de a reproduce cu acuratețe curenții în schimbare rapidă, lipsa saturației și imunitatea la interferențe electromagnetice le fac o alegere ideală pentru aplicații precum: în electronica de putere, automatizarea industrială, cercetarea științifică, sistemele de energie regenerabilă și electromobilitatea.

Deși nu sunt o soluție universală (de exemplu, nu măsoară direct curentul continuu), în multe scenarii acestea depășesc transformatoarele de curent tradiționale, șunturile sau senzorii Hall – în special acolo unde dinamica, siguranța și ușurința instalării sunt importante.

Alegerea tehnologiei de măsurare adecvate ar trebui să țină întotdeauna cont de caracteristicile semnalelor măsurate și de mediul de operare – iar bobina Rogowski poate fi veriga lipsă dintr-un lanț de măsurare modern.