Zatímco se dříve pro potřeby měření proudu v elektroměrech nebo jistících zařízeních využívaly hlavně měřící proudové transformátory, dnes se pro potřeby velmi přesného a jemného zjišťování proudu využívá ve spojení s integrovanými obvody tzv. Rogowského cívek (Rogowski Coils). O tom co to je, jak fungují a k čemu je lze použít se lze dočíst v následujícím článku.

Co je Rogowského cívka ? Rogowského cívka je přesný lineární senzor proudu pro přesné měření ve velkém rozsahu. Prakticky jde o toroidní cívku bez železného jádra (vzduchovou cívku) umístěnou kolem primárního měřeného vodiče stejným způsobem jako sekundární vinutí měřícího proudového transformátoru. Na rozdíl od něj však výstupní signál z Rogowského cívky není proud, ale napětí. I když magnetizační křivka feromagnetického materiálu listěného jádra umožňuje navrhnout proudový transformátor tak, aby pracoval již při malých protékaných proudech, celková charakteristika je ve velkém rozsahu díky nasycení magnetického obvodu výrazně nelineární. Naproti tomu magnetizační charakteristika vzduchového jádra Rogowského cívky je lineární v širokém rozsahu proudů (intenzity mag. pole H). Výsledný signál, který reprodukuje aktuální časový průběh tvaru vlny primárního proudu, se získá integrací získaného napěťového signálu.

Princip Rogowského cívky

Rogowského cívka jako měřící prvek měří změny proudu ve sledovaném vodiči díky indukovanému napětí ve vodiči cívky. Princip je tak podobný jako u běžného transformátoru. To znamená, že střídavý proud sledovaného vodiče vytváří kolem sebe střídavé magnetické pole, které způsobí indukci napětí ve vodiči toroidní vzduchové (Rogowského) cívky. Výsledné napětí je tak úměrné změně magnetického toku a tedy i hodnotě střídavého proudu, který ho vyvolal.

Z pohledu magnetického obvodu je cívka s měřeným vodičem spojena vzájemnou induktivní vazbou M. Výstupní napětí cívky je tak definováno následujícím vztahem:

nebo ,

kde M je vzájemná indukčnost, I je měřený proud a f je frekvence.

V praxi jsou cívky obvykle jednotlivě kalibrované, aby měli přesnou vzájemnou indukčnost a tedy i přesně danou závislost proud/napětí. Obvyklou hodnotou u ohebného provedení cívky je 300 nH, což při proudu 1000 A a frekvenci 50 Hz na výstupu cívky generuje napětí 94.2 mV. U aplikací vyznačujících se velice rychlými změnami proudu, např. pulzující výkon, se volí cívky s menší vzájemnou indukčností.

Nejlepší metodou pro zpracování napěťového výstupu cívky je napětí elektronicky integrovat. Integrovaný výstup je frekvenčně nezávislý a přesně reprezentuje průběh měřeného proudu. Použitím vhodných integrátorů lze použít ohebné cívky na měření proudů v rozsahu od méně než jednoho ampéru až do několika milionů ampér.

Konstrukce Rogowského cívky

Jedním z častých provedení Rogowského cívky je navinutý vodič na stočený prut z křemičité gumy. Zvláštní pozornost je věnována výrobě rovnoměrně stejných vinutí, které zajistí vysoký stupeň odolnosti proti rušení ze sousedních vodičů. Cívky mohou být potaženy elektrostatickou stínící síťkou a různými ochrannými povrchy podle požadavků. Použitý typ ochranného povrchu ovlivňuje stupeň ohebnosti cívky:

• Bez ochranného povrchu - vhodné na izolované vodiče a cívku lze připevnit na místo lepicí páskou a potom obalit ochrannou elektrickou páskou. Je nejvíce ohebná.
• Plastické spletení - poskytuje dobrou mechanickou ochranu beze ztráty ohebnosti, ale není vhodné pro použití ve znečištěném prostředí.
• Tepelně smrštitelné kryty - sice méně ohebné než plastické spletení, ale poskytuje lepší ochranu proti nečistotám.
• Elektrostatická stínící síťka - vhodná na měření velice malých proudů nebo tam, kde kde existuje možnost kapacitních vazeb s VF napětím. Zároveň redukuje síťová rušení. Její ohebnost je však nejmenší.

Vlastnosti Rogowského cívky

Pevné Rogowského cívky mají větší přesnost a stabilitu než ohebné cívky a jsou mimořádně odolné proti rušení způsobené vnějšími magnetickými poli. Jsou vhodnější na měření malých proudů a nižších frekvencí než ohebné cívky. Na měření proudů se cívky se používají společně s vhodným integrátorem. Určitým nedostatkem tohoto řešení je malé výstupní napětí (cca 1 mV/A).

Z pohledu frekvenčního rozsahu je horní jeho hranice určena vlastní rezonancí cívky, která závisí na její konstrukci, resp. hodnoty vzájemné indukčnosti. Cívky s 300 nH lze použít na měření do nejméně 100 kHz. Kratší cívky s nižší vzájemnou indukčností (až 30 nH) mají horní hranici frekvenčního rozsahu vyšší (až 1 MHz). Dolní frekvenční limit závisí na vlastnostech použitého integrátoru. Ten také určuje proudový rozsah. Při použití vhodných integrátorů lze použít ohebné cívky na velmi přesné měření proudů v rozsahu od méně než 1 A až do několika milionů ampér.

Použití Rogowského cívky v 3fázovém statickém elektroměru

Typickým praktickým příkladem využití Rogowského cívek může být například jejich implementace v třífázovém elektronickém statickém elektroměru 3. generace MT171 firmy ISKRAEMECO. Dnešní moderní plně elektronické elektroměry již nevyužívají žádné elektromechanické prvky a veškeré požadované hodnoty zpracovávají k tomuto účelu určené integrované digitální obvody, na které lze přímo připojit měřené napětí a proud potřebné pro výpočet spotřebovaného výkonu v kWh. Tyto speciální obvody nejen zjednodušují a miniaturizují konstrukci celého přístroje, ale mohou zajišťovat i digitální komunikace elektroměru se vzdáleným systémem, různé druhy tarifikace dle času, velikosti odběru apod. a hlavně umožňují výrazně přesnější měření. Aby toto bylo však možné uplatnit, je nutné co nepřesněji měřit i vodiči protékaný proud. K tomu se právě hodí Rogowského cívky, kde nevýhodu slabého výstupního signálu "likvidují" velmi citlivé měřící vstupy integrovaných obvodů.

Ve elektroměru MT171 se využívá dvou cívek, kde cívka 1 je kompenzační jejíž indukované napětí Ui1 způsobené vnějším rušením se odečítá o napětí Ui2 měřící cívky 2. Výsledné napětí Ui je pak přímo úměrné proudu I protékaného silovým vodičem.

Závěr

Na označení Rogowského cívka se na elektroprůmyslový a vysokých školách občas trošku zapomíná a tak ne každý elektrotechnik ví, co si má pod tímto názvem představit. Navíc v posledních letech se díky přesným elektronickým elektroměrům, jističům a různým proudovým ochranám využívají stále častěji. Věřím, že tento článek pomohl pojem "Rogowského cívka" alespoň trošku ozřejmit.

DOWNLOAD & Odkazy

• ISKRAEMECO: "MT171 Třífázový statický elektroměr" - technický popis elektroměru - www.diveco.cz
• Doc. Ing. Pavel Mindl, CSc.: "MODERNÍ ELEKTRONICKÉ JISTIČE V ROZVODECH NN", dokument SCHRACK ENERGIETECHNIK, SPOL. S.R.O. - modernielektronickejisticevrozvodechnn.pdf
• ABB s.r.o.: "Proudový senzor pro vnitřní použití - KECR 17,5 AC1" - katalogový list KECR_20cs_202005.10.10_a.pdf na serveru www.abb.com
• Články na serveru firmy EN-CENTRUM, s.r.o. - www.encentrum.cz