Cewka Rogowskiego - Rogowski coil

Cewka Rogowskiego to toroid z drutu używany do pomiaru prądu przemiennego I ( t ) w kablu otoczonym przez toroid. Zdjęcie przedstawia cewkę Rogowskiego otaczającą kabel przewodzący prąd. Wyjście cewki, v ( t ) jest połączony z obwodem stratny integratora do uzyskania napięcia V _out ( t ) , która jest proporcjonalna do I ( t ) .

Rogowski coil , nazwany Waltera Rogowskiego , to urządzenie elektryczne do pomiaru prądu zmiennego (AC) lub szybkich impulsów prądowych. Czasami składa się ze spiralnej cewki z drutu z przewodem z jednego końca powracającym przez środek cewki do drugiego końca, tak że oba zaciski znajdują się na tym samym końcu cewki. Takie podejście bywa określane mianem kontrrany Rogowskiego. Inne podejścia wykorzystują pełną geometrię toroidalną, która ma tę zaletę, że centralne wzbudzenie nie wzbudza fal stojących w cewce. Cały zespół jest następnie owinięty wokół prostego przewodu, którego prąd ma być mierzony. Nie ma metalowego (żelaznego) rdzenia. Gęstość uzwojenia, średnica cewki i sztywność uzwojenia są krytyczne dla zachowania odporności na pola zewnętrzne i niskiej wrażliwości na położenie mierzonego przewodnika.

Ponieważ napięcie indukowane w cewce jest proporcjonalne do szybkości zmiany ( pochodnej ) prądu w przewodzie prostym, wyjście cewki Rogowskiego jest zwykle połączone z elektrycznym (lub elektronicznym) obwodem integratora , aby zapewnić sygnał wyjściowy, który jest proporcjonalna do prądu. Często do tego celu wykorzystywane są jednoukładowe procesory sygnałowe z wbudowanymi przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Można go również wykonać jako „samointegrujący” (np. bez obwodu zewnętrznego) poprzez umieszczenie rezystora o niskiej indukcyjności równolegle do wyjścia. Takie podejście sprawia również, że obwód detekcyjny jest bardziej odporny na zakłócenia.

Zalety

Ten typ cewki ma przewagę nad innymi typami przekładników prądowych .

• Nie jest to pętla zamknięta, ponieważ drugi zacisk przechodzi z powrotem przez środek rdzenia toroidalnego (zwykle plastikową lub gumową rurkę) i jest połączony wzdłuż pierwszego zacisku. Dzięki temu cewka może być otwarta i elastyczna, co pozwala na owinięcie jej wokół przewodu pod napięciem bez naruszania go. Jednak ważne jest w tym przypadku położenie mierzonego przewodu: Wykazano, że przy czujnikach elastycznych wpływ położenia na dokładność waha się od 1 do 3%. Inna technika wykorzystuje dwie sztywne połówki uzwojenia z precyzyjnym mechanizmem blokującym.
• Ze względu na niską indukcyjność może reagować na szybko zmieniające się prądy, nawet do kilku nanosekund.
• Ponieważ nie ma żelaznego rdzenia, który mógłby nasycić się, jest wysoce liniowy, nawet gdy jest poddawany działaniu dużych prądów, takich jak te stosowane w przesyłaniu energii elektrycznej , spawaniu lub zasilaniu impulsowym . Ta liniowość umożliwia również kalibrację wysokoprądowej cewki Rogowskiego przy użyciu znacznie mniejszych prądów odniesienia.
• Brak niebezpieczeństwa otwarcia uzwojenia wtórnego.
• Niższe koszty budowy.
• Kompensacja temperatury jest prosta.
• W przypadku większych prądów konwencjonalne przekładniki prądowe wymagają zwiększenia liczby zwojów wtórnych w celu utrzymania stałego prądu wyjściowego. Dlatego cewka Rogowskiego dla dużych prądów jest mniejsza niż równoważny transformator prądu znamionowego.

Niedogodności

Ten typ cewki ma również pewne wady w porównaniu z innymi typami przekładników prądowych .

• Wyjście cewki musi być przepuszczone przez obwód integratora, aby uzyskać przebieg prądu. Obwód integratora wymaga zasilania, zwykle od 3 do 24 V DC, a wiele komercyjnych czujników uzyskuje je z baterii.
• Tradycyjne przekładniki prądowe z dzielonym rdzeniem nie wymagają obwodów integratora. Integrator jest stratny, więc cewka Rogowskiego nie ma odpowiedzi do DC; podobnie jak konwencjonalny przekładnik prądowy (patrz cewki z efektem Neela dla DC). Mogą jednak mierzyć bardzo wolno zmieniające się prądy ze składowymi częstotliwości do 1 Hz i mniej.

Aplikacje

Cewki Rogowskiego są wykorzystywane do monitorowania prądu w precyzyjnych systemach spawalniczych, piecach do topienia łukowego lub wyrzutniach elektromagnetycznych. Wykorzystywane są również w badaniach zwarciowych generatorów elektrycznych oraz jako czujniki w układach zabezpieczających elektrowni. Innym obszarem zastosowania jest pomiar zawartości harmonicznych prądów, ze względu na ich dużą liniowość.

Formuły

Przykładowy przebieg wyjścia RC dla obciążenia przełączanego . Jak wyjaśniono powyżej, przebieg wyjściowy CH4 (zielony) reprezentuje pochodną przebiegu prądu CH2 (niebieski); CH1 (żółty) to przebieg sieci 230 V AC

Napięcie wytwarzane przez cewkę Rogowskiego wynosi

${\ Displaystyle v (t) = {\ Frac {-AN \ mu _ {0}} {l}} {\ Frac {dI (t)} {dt}}}$

gdzie

• ${\ Displaystyle A = \ pi r ^ {2}}$ to obszar jednej z małych pętli,
• ${\ Displaystyle N}$ to liczba zwojów,
• ${\ Displaystyle l = 2 \ pi R}$ to długość uzwojenia (obwód pierścienia),
• ${\ Displaystyle {\ Frac {dI (t)} {dt}}}$ to tempo zmian prądu nawlekania pętli,
• ${\ Displaystyle \ mu _ {0} = 4 \ pi \ razy 10 ^ {-7}}$ V · s /( A · m ) jest stałą magnetyczną ,
• ${\ Displaystyle R}$ jest głównym promieniem toroidu,
• ${\ Displaystyle r}$ to jego mniejszy promień.

Ten wzór zakłada, że ​​zwoje są równomiernie rozmieszczone i że zwoje te są małe w stosunku do promienia samej cewki.

Wyjście cewki Rogowskiego jest proporcjonalne do pochodnej prądu drutu. Wyjście jest często zintegrowane, więc wyjście jest proporcjonalne do prądu przewodu:

${\ Displaystyle V_ {\ tekst {out}} = \ int v \, dt = {\ Frac {-AN \ mu _ {0}} {l}} ja (t) + C_ {\ tekst {integracja}}. }$

W praktyce instrument będzie wykorzystywał integrator stratny o stałej czasowej znacznie mniejszej niż najniższa częstotliwość zainteresowania. Stratny integrator zmniejszy wpływ napięć niezrównoważonych i ustawi stałą całkowania na zero.

Przy wysokich częstotliwościach indukcyjność cewki Rogowskiego zmniejszy jej moc wyjściową.

Indukcyjność toroidu wynosi

${\ Displaystyle L = \ mu _ {0} N ^ {2} \ lewo (R- {\ sqrt {R ^ {2}-r ^ {2}}} \ prawej).}$

Podobne urządzenia

Urządzenie podobne do cewki Rogowskiego zostało opisane przez Arthura Prince Chattock z Bristol University w 1887 roku. Chattock używał go do pomiaru pól magnetycznych, a nie prądów. Ostateczny opis podali Walter Rogowski i W. Steinhaus w 1912 roku.

Niedawno opracowano tanie czujniki prądowe oparte na zasadzie cewki Rogowskiego. Czujniki te mają wspólne zasady cewki Rogowskiego, mierząc szybkość zmian prądu za pomocą transformatora bez rdzenia magnetycznego. Różnica w stosunku do tradycyjnej cewki Rogowskiego polega na tym, że czujnik może być wykonany z cewki planarnej, a nie toroidalnej. W celu odrzucenia wpływu przewodników poza obszarem pomiarowym czujnika, te płaskie czujniki prądu Rogowskiego wykorzystują koncentryczną geometrię cewki zamiast geometrii toroidalnej, aby ograniczyć reakcję na pola zewnętrzne. Główną zaletą płaskiego czujnika prądu Rogowskiego jest to, że precyzja uzwojenia cewki, która jest wymagana dla dokładności, może zostać osiągnięta dzięki taniej produkcji płytek drukowanych .

Zobacz też

• Balisor , urządzenie, które czerpie energię z pola elektrycznego zamiast pola magnetycznego
• Aktualny
• Przekładnik prądowy
• Indeks artykułów elektronicznych
• Moc impulsowa
• Cewki i transformatory toroidalne
• Aktualne wykrywanie

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Cewki Rogowskiego , wykorzystanie cewek Rogowskiego do pomiaru prądu nieustalonego , Zasada działania Rocoil Ltd
• Rogowski Coil Designs , PAC World, jesień 2007, zastosowania przekaźników zabezpieczeniowych
• Miniaturowy szerokopasmowy czujnik prądowy wykorzystujący tę zasadę
• Teoria przetwornika prądowego PEM UK Rogowskiego
• Przegląd technologii wykrywania prądu cewki Rogowskiego