Cewka Rogowskiego

Cewka Rogowskiego to bezrdzeniowy przetwornik prądowy służący do pomiaru prądu przemiennego, w tym impulsowych i wysokich wartości prądów. Jest ceniona za dokładność, szeroki zakres pomiarowy oraz brak wpływu nasycenia magnetycznego, co czyni ją idealnym narzędziem do zastosowań w elektroenergetyce i diagnostyce.

Czym jest cewka Rogowskiego?

Urządzenie to stanowi przykład transformatora prądowego o otwartym rdzeniu powietrznym i charakteryzuje się liniowym odwzorowaniem prądu pierwotnego w postaci napięcia wyjściowego proporcjonalnego do jego pochodnej względem czasu.

Budowa cewki Rogowskiego

Pod względem konstrukcyjnym cewka Rogowskiego składa się z jednowarstwowego uzwojenia przewodu, nawiniętego równomiernie na elastycznym lub sztywnym toroidalnym karkasie, który można łatwo umieścić wokół przewodnika, przez który płynie mierzony prąd. Brak ferromagnetycznego rdzenia eliminuje zjawiska nasycenia magnetycznego oraz histerezy, co zapewnia dużą dokładność pomiaru i szeroki zakres dynamiczny.

A zatem elementy cewki Rogowskiego to:

• przewód pomiarowy - cewka wykonana z cienkiego drutu miedzianego, nawiniętego na rdzeń powietrzny,
• osłona izolacyjna - zapewnia ochronę przed zakłóceniami i wpływem warunków atmosferycznych.
• wzmacniacz całkujący – przekształca sygnał z cewki na rzeczywisty pomiar prądu.

Cewki Rogowskiego często są elastyczne i można je łatwo otworzyć oraz założyć na przewód, co ułatwia ich instalację w trudno dostępnych miejscach.

Zasada działania cewki Rogowskiego

Cewka Rogowskiego jest urządzeniem służącym do pomiaru natężenia zmiennego prądu elektrycznego, przy czym pomiar odbywa się bezkontaktowo - przez objęcie przewodnika prądowego toroidalną cewką bez konieczności fizycznego połączenia.

Zasada działania opiera się na prawie Faradaya indukcji elektromagnetycznej, które mówi, że w zamkniętym obwodzie elektrycznym powstaje siła elektromotoryczna (SEM) proporcjonalna do szybkości zmian strumienia magnetycznego przez ten obwód:

gdzie:

• E - siła elektromotoryczna (SEM) [V],
• Φ_B​ - strumień indukcji magnetycznej przez obwód [Wb].

Strumień magnetyczny od przewodnika z prądem

Przewodnik, przez który płynie prąd zmienny I(t), wytwarza wokół siebie zmienne pole magnetyczne. W przypadku cewki Rogowskiego, która otacza przewodnik, całkowity strumień magnetyczny przez jej zwoje jest proporcjonalny do natężenia prądu w przewodniku:

gdzie:

• M - wzajemna indukcyjność między przewodnikiem a cewką Rogowskiego [H],
• I(t) - natężenie prądu w przewodniku [A].

Napięcie wyjściowe cewki Rogowskiego

Podstawiając wyrażenie na strumień do prawa Faradaya, otrzymujemy napięcie wyjściowe cewki Rogowskiego:

Zatem napięcie wyjściowe cewki Rogowskiego jest proporcjonalne do pochodnej prądu względem czasu.

Całkowanie sygnału

Ponieważ interesuje nas wartość chwilowa prądu I(t), a nie jego pochodna, stosuje się elektroniczny układ całkujący, aby przekształcić napięcie wyjściowe w wartość proporcjonalną do natężenia prądu:

Jeśli znamy następujące parametry cewki:

• liczbę zwojów cewki N,
• przekrój poprzeczny cewki A,
• promień cewki r,
• długość cewki (obwód torusa) l=2πr,

to indukcyjność cewki toroidalnej (dla rdzenia powietrznego) można przybliżyć jako:

gdzie
μ₀ - przenikalność magnetyczna próżni μ₀≈4π×10⁻⁷ H/m.

W praktyce oznacza to, że końcowy układ pomiarowy z cewką Rogowskiego zawiera:

• toroidalną cewkę pomiarową,
• układ całkujący (najczęściej RC),
• wzmacniacz.

Zalety i wady cewki Rogowskiego

Zalety

• Brak rdzenia magnetycznego - brak efektu nasycenia.
• Szeroki zakres pomiarowy - od kilku mA do setek kA.
• Niska waga i elastyczna konstrukcja.
• Wysoka dokładność, zwłaszcza przy pomiarach impulsowych.
• Możliwość stosowania w wysokich częstotliwościach i przy szybkozmiennych prądach.

Wady

• Brak zdolności do pomiaru prądu stałego.
• Wymaga dodatkowego układu całkującego.
• Czułość na zakłócenia elektromagnetyczne.

Zastosowania cewek Rogowskiego

Cewka Rogowskiego to precyzyjny czujnik prądowy, który służy do pomiaru przemiennych i impulsowych prądów elektrycznych, szczególnie w sytuacjach, gdzie klasyczne przekładniki prądowe są niewystarczające lub niepraktyczne.

Główne obszary zastosowań cewek Rogowskiego

Elektroenergetyka
Pomiar prądów w liniach wysokiego napięcia, transformatorach i rozdzielnicach.
Diagnostyka zwarć i przeciążeń - cewka Rogowskiego pozwala na rejestrację krótkotrwałych, wysokoprądowych zjawisk, bez ryzyka uszkodzenia sensora.
Montaż w systemach pomiarowych bez konieczności przerywania pracy instalacji – idealna do modernizacji istniejących obiektów.

Energoelektronika
Pomiar prądów w falownikach, przekształtnikach, zasilaczach impulsowych.
Rejestracja przebiegów o wysokiej częstotliwości i dużej stromości narastania (duża prędkość zmian).
Możliwość pracy przy bardzo dużych wartościach prądu bez nasycania (brak rdzenia ferromagnetycznego).

Systemy jakości energii
Analiza harmonicznych i zakłóceń w instalacjach elektrycznych.
Zastosowanie w mobilnych analizatorach mocy i systemach monitoringu.

Przemysł i automatyka
Monitorowanie obciążeń silników, napędów, systemów produkcyjnych.
Wykrywanie stanów awaryjnych w czasie rzeczywistym.
Możliwość stosowania w miejscach o ograniczonej przestrzeni dzięki elastycznym wersjom cewki.

Testowanie i badania laboratoryjne
Pomiar prądów udarowych i wyładowań.
Badania kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).
Zastosowania w laboratoriach wysokiego napięcia i układach impulsowych.

Podsumowując, cewka Rogowskiego to precyzyjne narzędzie do pomiaru prądów zmiennych, szczególnie tam, gdzie wymagane są elastyczność, szeroki zakres pomiarowy i brak wpływu nasycenia magnetycznego. Dzięki swoim zaletom znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach, od elektroenergetyki po badania naukowe i diagnostykę przemysłową.