Vad är en Rogowski-spole och hur fungerar den ?

En Rogowskispole är en typ av strömsensor som används för att mäta växelström (AC) i elektriska kretsar. Den är uppkallad efter sin uppfinnare, Walter Rogowski. Rogowski-spolen fungerar på principen om elektromagnetisk induktion, liknande en strömtransformator.

Så här fungerar en Rogowski-spole

Konstruktionen
En Rogowski-spole är typiskt en flexibel trådlindad spiralform. Spolen är vanligtvis gjord av en ledare, såsom koppar eller aluminium, och är vanligtvis inkapslad i ett flexibelt, isolerande material.

Induktiv princip
Enligt Faradays lag om elektromagnetisk induktion, inducerar ett förändrat magnetfält en elektromotorisk kraft (EMF) i en närliggande ledare. I fallet med en Rogowski-spole produceras det föränderliga magnetfältet genom strömmen som flyter genom ledaren som mäts.

Strömmätning
När en växelström flyter genom ledaren genererar den ett föränderligt magnetfält runt ledaren. Detta föränderliga magnetfält passerar genom Rogowski-spolen och inducerar en spänning över spolens lindningar. Den inducerade spänningen är proportionell mot förändringshastigheten för strömmen med avseende på tiden.

Integration
Den inducerade spänningen integreras sedan över tiden för att få en signal som är direkt proportionell mot strömmen som mäts. Integreringen görs vanligtvis med hjälp av en elektronisk kretsar, som kan byggas in i sensorn eller anslutas externt.

Signalbehandling
Den integrerade signalen bearbetas och förstärks ofta ytterligare för att producera en vågform som exakt representerar den ursprungliga sinusvågen.

Genom att mäta den inducerade spänningen och utföra lämplig signalbehandling ger Rogowski-spolen en noggrann mätning av växelströmmen som passerar genom ledaren utan att elektriska anslutningar behöver brytas eller modifieringar av kretsen som mäts.

Detta gör den till ett användbart verktyg för strömmätning i olika elektriska applikationer. 

Tekniska principer

Förutom konventionella transformatorer kan även Rogowski-spolar användas för att mäta ström. Avsaknaden av en järnkärna i en Rogowskispole gör att inga icke-linjära effekter uppstår.

Rogowski-spolar är lätta att fästa och ta bort utan att koppla bort strömkretsen, dvs utan betydande monteringsarbete.

Till skillnad från transformatorer så skapas inte höga kortslutningsströmmar när Rogowski-spolar används.

Kvarvarande magnetism som kan finnas kvar i traditionella transformatorer drabbar inte Rogowski-spolen. Inte heller spänningar som genereras vid öppen drift som annars kan vara farligt för installatören

Som kan ses i figuren är utsignalen från den passiva Rogowski-spolen en spänningssignal som är proportionell mot förändringen i primärströmmen. Om primärströmmen är en 50 Hz sinusformad signal, vilket är vanligt för elektrisk energidistribution i Europa, så resulterar följande uttryck.

För att nu bestämma tangenternas lutning i punkten t härleds funktion i1 med avseende på t. Följande ekvationsresultat:

Följaktligen är utspänningen från Rogowski-spolen proportionell mot härledningen av i1 med avseende på tiden. Eftersom cosinusfunktionen är förskjuten med -90° med avseende på sinusfunktionen, förskjuts spänningssignalen ui på liknande sätt med -90° med avseende på primärströmmen i1.

Om Rogowski-spolen nu matchas (vid 50 Hz) till strömsignalen som ska mätas, så är det genom att ta hänsyn till transmissionsfaktorn och fasförskjutningen på -90° möjligt att räkna tillbaka till strömmen i1. Om signalens nominella frekvens nu ändras, så påverkas amplitudvärdet också av u1.

Dessa effekter kan omintetgöras i en elektronisk integratorkrets. Här, ur en matematisk synvinkel, är härledningen integrerad med avseende på t. Cosinusfunktionen blir sinusfunktionen igen, och fasförskjutningen på 90 grader upphävs. Med användning av en integrator som tillhandahåller en strömsignal som en utgång, resulterar följande ekvivalenta krets.

FASK Rogowski spole

MBS Rogowski modell FASK levereras i fyra olika diametrar (100, 150, 200 och 300 mm). På förslutningen finns plats för buntband som används för att fästa spolen på primärledaren.

Rogowski-spolar är lätta att fästa och ta bort utan att koppla bort strömkretsen, dvs utan betydande monteringsarbete.

Fördelar med Rogowski FASK-spolen

• Rogowski FASK 100, 150, 200 och 300 spolarna är helt skärmade och har därför ett omfattande skydd från störningseffekter
• Alla Rogowski-spolar genererar en relativt stor utsignal på 100 mV/kA. På grund av spolens goda linjäritet kan även relativt små primärströmmar långt under 1 kA mätas noggrant.
• Rogowski FASK-spolarna har ett fasfel mellan -0,4 och -0,5 grader, och därför kan en fast korrektionsfaktor användas i mätanordningen.
• Materialen tillåter användning i stränga omgivningstemperaturer. Spolarna genererar ingen spillvärme.
• Matningskabeln kan förkortas utan förlust av noggrannhet.

Som med alla Rogowski-spolar påverkar placeringen av primärledaren noggrannheten.

FASK-serien är utformad så att det minsta felet uppstår vid förslutningen, dvs i fästområdet. Följande figur förtydligar denna situation och definierar de exakta felvärdena.

Installation

Dessa sensorer är extremt enkla att installera. Bara några enkla steg krävs för att placera spolen runt primärledaren och för att försluta den. Primärledaren behöver inte kopplas bort.

• För att undvika effekter uppkomna av magnetism mm. måste Rogowski-spolen inklusive matningskabeln vara helt skärmad.
• Utspänningen för Rogowski-spolar anges vanligtvis i mV/kA. Eftersom spänningssignaler generellt anses vara relativt felbenägna, bör spolen på utgången generera en så stor spänningssignal som möjligt eftersom när mindre primärströmmar flyter kan utsignalen påverkas av brus eller störsignaler, och därmed den angivna noggrannheten klasser kan inte längre uppnås.
• Primärledarens position påverkar ofta noggrannheten. Vid installation bör det säkerställas att spolen är monterad för att uppnå bästa noggrannhet.