Катушки Роговского – устройство и принцип действия

Благодаря своей бессердечниковой конструкции и широкой полосе пропускания катушки Роговского становятся все более популярной альтернативой классическим трансформаторам или датчикам Холла. В этой статье мы представляем принцип их работы, практическое применение и сравниваем их с другими технологиями измерения.

Что такое катушка Роговского?

Катушка Роговского — это бессердечниковый преобразователь тока, используемый для измерения переменного тока (AC).

Применение катушек Роговского

Катушки Роговского широко используются в:

• электроэнергетике (мониторинг сети, анализ качества электроэнергии),
• промышленной автоматизации (управление приводами, запуск двигателей),
• измерительных приборах и регистраторах параметров сети,
• установках возобновляемой энергии (фотоэлектрические системы, турбины, ветроэнергетика),
• электромобильности (мониторинг зарядных устройств, инфраструктура для электромобилей),
• научных исследованиях и лабораторных измерениях импульсных токов.

Конструкция катушки Роговского

Катушка состоит из гибкой медной обмотки, намотанной спирально вокруг пластиковой Сердечник (неферромагнитный), выполненный в форме кольца или разомкнутой петли. Отсутствие ферромагнитного сердечника исключает проблему насыщения и гистерезиса.

Принцип работы катушки Роговского

Катушка Роговского работает по принципу закона индукции Фарадея: изменяющееся магнитное поле, вызванное протеканием тока в проводнике, заключенном внутри катушки, индуцирует в нем напряжение. Это напряжение пропорционально производной тока по времени:

*где M - взаимная индуктивность катушки относительно проводника.

Для получения мгновенного значения тока сигнал от катушки необходимо интегрировать в измерительной цепи (аналоговой или цифровой). Ключевые явления, используемые в работе:

• электромагнитная индукция (закон Фарадея),
• принцип суперпозиции (для многопроводных измерительных систем),
• отсутствие магнитной связи с сердечником (отсутствие эффекта насыщения).

Почему катушки PEM являются лидерами рынка?

Катушки Роговского от PEM (Power Electronic Measurements Ltd) считаются одними из самых точных и стабильных решений на рынке. Более 30 лет компания специализируется исключительно на технологии катушек Роговского, разрабатывая ряд инновационных решений:

RCT – промышленные катушки Роговского для мониторинга сети

Серия RCT – это решение, разработанное для использования в промышленных условиях. Предлагает:

• соответствие промышленным стандартам,
• монтаж на DIN-рейку (простая интеграция в распределительный щит),
• цифровую связь через интерфейс Modbus RTU, обеспечивающую удаленный мониторинг параметров.

CWT – широкополосные катушки для лабораторных и силовых электронных приложений

Серия CWT включает прецизионные зонды с широким диапазоном частот – от низких до очень высоких:

• доступны варианты НЧ (низкая частота) и ВЧ (высокая частота),
• полоса пропускания до 30 МГц,
• возможность выбора внешнего или встроенного интегратора.

CWT Mini / CWT UltraMini – миниатюрные зонды для измерения локальных параметров

Разработаны для самых требовательных, компактных систем, CWT Mini и Ультраминиатюрные зонды позволяют:

• инновационное измерение компонентов, устанавливаемых в отверстия (THT),
• безопасные и точные измерения полупроводниковых систем (например, MOSFET, IGBT, SiC, GaN),
• установку в очень ограниченном пространстве – например, непосредственно на печатных платах.

Почему катушки PEM?

Решения PEM выделяются среди конкурентов благодаря своим уникальным конструктивным особенностям и качеству сборки:

• Точность измерения до ±0,1%, достигаемая за счет индивидуальной калибровки каждой катушки.
• Отсутствие ферромагнитного сердечника, что исключает проблему магнитного насыщения и явлений гистерезиса.
• Широкая полоса пропускания – до 30 МГц, в зависимости от модели.
• Измеряет токи от нескольких миллиампер до сотен килоампер, включая импульсный и интерференционный (ВЧ).
• Гибкая механическая конструкция – катушки легкие, гибкие и часто съемные.
• Соответствие международным стандартам, включая IEC 61010 и IEC 61869, гарантирующее безопасность и надежность.

Сравнение с другими методами измерения тока

В инженерной практике для измерения тока используются различные технологии, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Катушка Роговского выделяется благодаря своей уникальной конструкции и характеристикам. Вот как она сравнивается с другими решениями:

Катушка Роговского

Это бессердечниковый преобразователь тока, идеально подходящий для измерения переменного и импульсного тока. Его главные преимущества:

• отсутствие насыщения (поскольку он не содержит ферромагнитного сердечника),
• очень широкая полоса пропускания, до нескольких десятков мегагерц,
• легкий и гибкий — возможна установка даже в труднодоступных местах,
• безопасное бесконтактное измерение (гальваническая изоляция).

Основной недостаток: он не позволяет напрямую измерять постоянную составляющую, а полученный сигнал напряжения требует интегрирования (аналогового или цифрового), что может увеличить сложность измерительной системы.

Трансформатор тока (ТТ)

Это традиционное решение, используемое в основном в энергетической промышленности и системах измерения переменного тока.

• простая конструкция и надежность,
• хорошая точность на частотах сети (50/60 Гц),
• низкая стоимость и широкая доступность.

К ограничениям относятся возможность насыщения сердечника при высоких токах, ограниченная полоса пропускания (обычно от нескольких сотен Гц до нескольких кГц), а также большие габариты и вес.

Шунт (измерительный резистор – шунт)

Шунт – это прецизионный резистор, падение напряжения на котором используется для расчета значения тока. К его преимуществам относятся:

• измерение как постоянного, так и переменного тока,
• очень высокая точность при низких токах,
• прямая интеграция с измерительной электроникой.

Недостатком является необходимость включения шунта в цепь тока, что означает отсутствие гальванической изоляции, риск тепловых потерь и возможность перегрева при высоких токах.

Датчик Холла

Датчики Холла используют эффект Холла для измерения магнитного поля, создаваемого током, что позволяет измерять как постоянный, так и переменный ток.

• полную гальваническую изоляция
• компактную форму
• простую интеграцию с цифровыми системами

Основные недостатки: более низкая точность по сравнению с шунтами или катушками Роговского, температурная чувствительность и ограничения при измерении высокочастотных сигналов.

Краткое описание

Катушка Роговского лучше всего работает там, где требуются следующие условия:

• измерение высоких токов (импульсных или переменных),
• широкая полоса пропускания измерений,
• легкий вес, гибкая и бесконтактная установка,
• отсутствие проблем с насыщением или гистерезисом.

Для прямого Измерение тока, высокая точность в малом диапазоне или простота системы — стоит рассмотреть другие технологии, каждая из которых имеет свое место в конкретных областях применения.

Катушки Роговского — это преобразователи тока, которые благодаря своей бессердечниковой конструкции, широкой полосе пропускания и высокой механической гибкости идеально подходят для сложных измерительных задач. Их способность точно воспроизводить быстро изменяющиеся токи, отсутствие насыщения и невосприимчивость к электромагнитным помехам делают их идеальным выбором для таких применений, как: силовая электроника, промышленная автоматизация, научные исследования, системы возобновляемой энергии и электромобильность.

Хотя они не являются универсальным решением (например, они не измеряют напрямую постоянный ток), во многих сценариях они превосходят традиционные трансформаторы тока, шунты или датчики Холла — особенно там, где важны динамика, безопасность и простота установки.

При выборе подходящей измерительной технологии всегда следует учитывать характеристики измеряемых сигналов и условия эксплуатации — и катушка Роговского может стать недостающим звеном в современной измерительной цепочке.