Котушки Роговського – будова та принцип дії

Котушки Роговського, завдяки своїй безсердечниковій конструкції та широкій смузі пропускання, стають дедалі популярнішою альтернативою класичним трансформаторам або датчикам Холла. У цій статті ми представляємо їхній принцип роботи, практичне застосування та порівнюємо їх з іншими вимірювальними технологіями.

Що таке котушка Роговського?

Котушка Роговського – це безсердечниковий перетворювач струму, який використовується для вимірювання змінного струму (AC). Він працює за принципом електромагнітної індукції – вимірює змінний магнітний потік, що генерується протікаючим струмом, індукуючи напругу, пропорційну його зміні з часом (dI/dt).

Застосування котушок Роговського

Котушки Роговського широко використовуються в:

• електроенергетиці (моніторинг мережі, аналіз якості електроенергії),
• промисловій автоматизації (керування приводом, запуск двигуна),
• вимірювальних пристроях та реєстраторах параметрів мережі,
• установках відновлюваної енергії (фотоелектричні, турбіни, вітрові),
• електромобільності (моніторинг зарядних пристроїв, інфраструктура електромобілів),
• наукових дослідженнях та лабораторних вимірюваннях імпульсних струмів.

Конструкція котушки Роговського

Котушка складається з гнучкої мідної обмотки, намотаної спірально навколо пластикового осердя (неферомагнітного), сформованого у формі кільця або відкритого контуру. Він не має феромагнітного осердя, що усуває проблему насичення та гістерезису.

Принцип роботи котушки Роговського

Котушка Роговського працює за принципом закону індукції Фарадея: змінне магнітне поле, викликане протіканням струму в провіднику, оточеному котушкою, індукує в ньому напругу. Ця напруга пропорційна похідній струму відносно часу:

*де M - взаємна індуктивність котушки відносно провідника.

Для отримання миттєвого значення струму сигнал з котушки необхідно інтегрувати у вимірювальний ланцюг (аналоговий або цифровий). Ключові явища, що використовуються в роботі:

• електромагнітна індукція (закон Фарадея),
• принцип суперпозиції (для багатопровідникових вимірювальних систем),
• відсутність магнітного зв'язку з осердям (відсутність ефекту насичення).

Чому котушки PEM є лідером на ринку?

Котушки Роговського від PEM (Power Electronic Measurements Ltd) вважаються одними з найточніших і найстабільніших рішень на ринку. Протягом понад 30 років компанія спеціалізується виключно на технології котушок Роговського, розробляючи ряд інноваційних рішень:

RCT – промислові котушки Роговського для моніторингу мережі

Серія RCT – це рішення, розроблене для використання в промисловому середовищі. Він пропонує:

• відповідність промисловим стандартам,
• монтування на DIN-рейку (легка інтеграція в розподільний щит),
• цифровий зв'язок через інтерфейс Modbus RTU, що дозволяє дистанційний моніторинг параметрів.

CWT – широкосмугові котушки для лабораторних застосувань та застосувань силової електроніки

Серія CWT включає прецизійні зонди з широким діапазоном частот – від низьких до дуже високих:

• доступні варіанти LF (низька частота) та HF (висока частота),
• смуга пропускання до 30 МГц,
• можливість вибору між зовнішнім або вбудованим інтегратором.

CWT Mini / CWT UltraMini – мініатюрні зонди для вимірювання локальних

Розроблені для найвимогливіших, компактних систем, зонди CWT Mini та UltraMini дозволяють:

• інноваційне вимірювання компонентів наскрізного монтажу (THT),
• безпечні та точні вимірювання напівпровідникових систем (наприклад, MOSFET, IGBT, SiC, GaN),
• встановлення у дуже обмеженому просторі – наприклад, безпосередньо на друкованих платах.

Чому котушки PEM?

Рішення PEM виділяються серед конкурентів завдяки своїм унікальним конструктивним особливостям та якості збірки:

• Точність вимірювання до ±0,1%, що досягається шляхом індивідуального калібрування кожної котушки.
• Відсутність феромагнітного осердя, що усуває проблему магнітного насичення та явищ гістерезису.
• Широка смуга пропускання – до 30 МГц, залежно від моделі.
• Вимірює струми від кількох міліампер до сотень кілоампер, включаючи імпульсні та перешкодові (HF).
• Гнучка механічна конструкція – котушки легкі, гнучкі та часто знімні.
• Відповідність міжнародним стандартам, включаючи IEC 61010 та IEC 61869, гарантує безпеку та надійність.

Порівняння з іншими методами вимірювання струму

В інженерній практиці для вимірювання струму використовуються різні технології, кожна з яких має свої сильні та слабкі сторони. Котушка Роговського виділяється завдяки своїй унікальній конструкції та характеристикам. Ось як вона порівнюється з іншими рішеннями:

Котушка Роговського

Це безсердечниковий перетворювач струму, ідеально підходить для вимірювання змінного та імпульсного струму. Його найбільші переваги:

• відсутність насичення (оскільки не містить феромагнітного осердя),
• дуже широка смуга пропускання, до кількох десятків мегагерц,
• легкий та гнучкий — можливе встановлення навіть у важкодоступних місцях,
• безпечне безконтактне вимірювання (гальванічна розв'язка).

Основне обмеження: він не дозволяє безпосередньо вимірювати складову постійного струму, а отриманий сигнал напруги вимагає інтеграції (аналогової або цифрової), що може збільшити складність вимірювальної системи.

Трансформатор струму (ТС)

Це традиційне рішення, яке використовується переважно в енергетичній галузі та системах вимірювання змінного струму. Основні переваги:

• проста конструкція та надійність,
• добра точність на мережевих частотах (50/60 Гц),
• низька вартість та широка доступність.

Обмеження включають можливість насичення осердя при високих струмах, обмежену смугу пропускання (зазвичай від кількох сотень Гц до кількох кГц), а також більші габарити та вагу.

Шунт (вимірювальний резистор – шунт)

Шунт – це прецизійний резистор, падіння напруги якого використовується для обчислення значення струму. Його переваги включають:

• вимірювання як постійного, так і змінного струму,
• дуже хороша точність при низьких струмах,
• пряма інтеграція з вимірювальною електронікою.

Недоліком є ​​те, що шунт повинен бути включений у коло струму, що означає відсутність гальванічної ізоляції, ризик теплових втрат та можливість перегріву при високих струмах.

Датчик Холла

Датчики Холла використовують ефект Холла для вимірювання магнітного поля, що генерується струмом, що дозволяє вимірювати як постійний, так і змінний струми. Додаткові переваги включають:

• повна гальванічна розв'язка,
• компактна форма,
• легка інтеграція з цифровими системами.

Основними недоліками є нижча точність порівняно з шунтами або котушками Роговського, чутливість до температури та обмеження у вимірюванні високочастотних сигналів.

Підсумок

Котушка Роговського найкраще працюватиме там, де потрібні такі умови:

• вимірювання високих струмів (імпульсних або змінних),
• широка смуга пропускання вимірювань,
• легка, гнучка та безконтактна установка,
• відсутність проблем з насиченням або гістерезисом.

Для вимірювання постійного струму, високої точності в низькому діапазоні або простоти системи, вона Варто розглянути й інші технології – кожна з них має своє місце в конкретних застосуваннях.

Котушки Роговського – це перетворювачі струму, які завдяки своїй безсердечниковій конструкції, широкій смузі пропускання та високій механічній гнучкості ідеально підходять для вимогливих вимірювальних застосувань. Їхня здатність точно відтворювати швидкозмінні струми, відсутність насичення та стійкість до електромагнітних перешкод робить їх ідеальним вибором для таких застосувань, як: силова електроніка, промислова автоматизація, наукові дослідження, системи відновлюваної енергії та електромобільність.

Хоча вони не є універсальним рішенням (наприклад, вони не вимірюють постійний струм безпосередньо), у багатьох сценаріях вони перевершують традиційні трансформатори струму, шунти або датчики Холла, особливо там, де важливі динаміка, безпека та простота встановлення.

Вибір відповідної технології вимірювання завжди повинен враховувати характеристики вимірюваних сигналів та робоче середовище, і котушка Роговського може бути відсутньою ланкою в сучасному ланцюзі вимірювань.