Una bobina de Rogowski , que lleva el nombre de Walter Rogowski , es un dispositivo eléctrico para medir la corriente alterna (CA) o los pulsos de corriente de alta velocidad. A veces consiste en una bobina helicoidal de alambre con el cable de un extremo que regresa a través del centro de la bobina al otro extremo, de modo que ambos terminales están en el mismo extremo de la bobina. Este enfoque a veces se conoce como un Rogowski contrarrestado . Otros enfoques utilizan una geometría toroidal completa que tiene la ventaja de una excitación central que no excita las ondas estacionarias en la bobina. A continuación, todo el conjunto se envuelve alrededor del conductor recto.cuya corriente se va a medir. No hay núcleo de metal (hierro). La densidad del devanado, el diámetro de la bobina y la rigidez del devanado son fundamentales para preservar la inmunidad a los campos externos y la baja sensibilidad al posicionamiento del conductor medido. [1] [2] [3]
Dado que el voltaje que se induce en la bobina es proporcional a la tasa de cambio ( derivada ) de la corriente en el conductor recto, la salida de la bobina Rogowski generalmente se conecta a un circuito integrador eléctrico (o electrónico) para proporcionar una señal de salida que es proporcional a la corriente. Los procesadores de señal de un solo chip con convertidores analógicos a digitales incorporados se utilizan a menudo para este propósito. [2] También se puede hacer "autointegrante" (por ejemplo, sin circuito externo) colocando una resistencia de baja inductancia en paralelo con la salida. [1] Este enfoque también hace que el circuito de detección sea más inmune al ruido.
Ventajas
Este tipo de bobina tiene ventajas sobre otros tipos de transformadores de corriente .
- No es un circuito cerrado, porque el segundo terminal pasa de regreso a través del centro del núcleo toroide (comúnmente un tubo de plástico o goma) y se conecta a lo largo del primer terminal. Esto permite que la bobina tenga un extremo abierto y sea flexible, lo que permite que se enrolle alrededor de un conductor vivo sin perturbarlo. Sin embargo, el posicionamiento del conductor medido es importante en ese caso: se ha demostrado que, con sensores flexibles, el efecto de la posición sobre la precisión varía de 1 a 3%. Otra técnica utiliza dos mitades de enrollamiento rígido con un mecanismo de bloqueo preciso. [3]
- Debido a su baja inductancia , puede responder a corrientes que cambian rápidamente, hasta varios nanosegundos. [4]
- Debido a que no tiene un núcleo de hierro para saturar, es altamente lineal incluso cuando se somete a grandes corrientes, como las que se usan en aplicaciones de transmisión de energía eléctrica , soldadura o energía pulsada . [4] Esta linealidad también permite calibrar una bobina Rogowski de alta corriente utilizando corrientes de referencia mucho más pequeñas. [2]
- No hay peligro de abrir el devanado secundario. [4]
- Menores costos de construcción. [4]
- La compensación de temperatura es simple. [2]
- Para corrientes mayores, los transformadores de corriente convencionales requieren un aumento del número de vueltas secundarias para mantener constante la corriente de salida. Por lo tanto, una bobina de Rogowski para corriente grande es más pequeña que un transformador de corriente de clasificación equivalente. [5]
Desventajas
Este tipo de bobina también tiene algunas desventajas sobre otros tipos de transformadores de corriente .
- La salida de la bobina debe pasar a través de un circuito integrador para obtener la forma de onda actual. El circuito integrador requiere energía, típicamente de 3 a 24 VCC, y muchos sensores comerciales la obtienen de las baterías. [6]
- Los transformadores de corriente de núcleo dividido tradicionales no requieren circuitos integradores. El integrador tiene pérdidas, por lo que la bobina de Rogowski no tiene una respuesta hasta CC; tampoco lo hace un transformador de corriente convencional (ver bobinas de efecto Néel para CC). Sin embargo, pueden medir corrientes cambiantes muy lentas con componentes de frecuencia de hasta 1 Hz y menos. [3]
Aplicaciones
Las bobinas de Rogowski se utilizan para el control de la corriente en sistemas de soldadura de precisión, hornos de fusión de arco o lanzadores electromagnéticos. También se utilizan en pruebas de cortocircuito de generadores eléctricos y como sensores en sistemas de protección de plantas eléctricas. Otro campo de uso es la medición del contenido de corriente armónica, debido a su alta linealidad. [6]
Fórmulas
El voltaje producido por una bobina Rogowski es
dónde
- es el área de uno de los pequeños bucles,
- es el número de vueltas,
- es la longitud del devanado (la circunferencia del anillo),
- es la tasa de cambio de la corriente enhebrando el bucle,
- V · s / ( A · m ) es la constante magnética ,
- es el radio mayor del toroide,
- es su radio menor.
Esta fórmula supone que las vueltas están espaciadas uniformemente y que estas vueltas son pequeñas en relación con el radio de la bobina en sí.
La salida de la bobina de Rogowski es proporcional a la derivada de la corriente del cable. La salida a menudo está integrada, por lo que la salida es proporcional a la corriente del cable:
En la práctica, un instrumento utilizará un integrador con pérdidas con una constante de tiempo mucho menor que la frecuencia más baja de interés. El integrador con pérdida reducirá los efectos de los voltajes de compensación y establecerá la constante de integración en cero.
A altas frecuencias, la inductancia de la bobina de Rogowski disminuirá su salida.
La inductancia de un toroide es [7]
Dispositivos similares
Un dispositivo similar a la bobina de Rogowski fue descrito por Arthur Prince Chattock de la Universidad de Bristol en 1887. [8] Chattock lo usó para medir campos magnéticos en lugar de corrientes. La descripción definitiva fue dada por Walter Rogowski y W. Steinhaus en 1912. [9]
Más recientemente, se han desarrollado sensores de corriente de bajo costo basados en el principio de una bobina de Rogowski. [10] Estos sensores comparten los principios de una bobina de Rogowski, midiendo la tasa de cambio de corriente utilizando un transformador sin núcleo magnético. La diferencia con la bobina Rogowski tradicional es que el sensor se puede fabricar utilizando una bobina plana en lugar de una bobina toroidal. Para rechazar la influencia de los conductores fuera de la región de medición del sensor, estos sensores de corriente planos de Rogowski utilizan una geometría de bobina concéntrica en lugar de una geometría toroidal para limitar la respuesta a campos externos. La principal ventaja del sensor de corriente plano de Rogowski es que la precisión del devanado de la bobina que es un requisito para la precisión se puede lograr mediante la fabricación de placas de circuito impreso de bajo costo .
Ver también
- Balisor , un dispositivo que obtiene energía del campo eléctrico, en lugar del campo magnético.
- Actual
- Transformador de corriente
- Índice de artículos de electrónica
- Poder pulsado
- Inductores y transformadores toroidales
- Detección de corriente
Referencias
- ^ a b D.G. Pellinen, MS DiCipua, SE Sampayan, H. Gerbracht y M. Wang, "Bobina de Rogowski para medir corrientes pulsadas rápidas de alto nivel", Rev.Sci.Instr. 51, 1535 (1980); http://dx.doi.org/10.1063/1.1136119 .
- ^ a b c d John G. Webster, Halit Eren (ed.), Manual de medición, instrumentación y sensores, segunda edición: medición electromagnética, óptica, de radiación, química y biomédica , CRC Press, 2014, ISBN 1-439- 84891-2 , págs. 16-6 a 16-7.
- ^ a b c Klaus Schon, Técnicas de medición de voltaje y corriente de alto impulso: Fundamentos - Instrumentos de medición - Métodos de medición , Springer Science & Business Media, 2013 ISBN 3-319-00378-X , pág. 193.
- ^ a b c d Slawomir Tumanski, Manual de medidas magnéticas , CRC Press, 2011, ISBN 1-439-82952-7 , pág. 175.
- ^ Stephen A. Dyer, Wiley Survey of Instrumentation and Measurement , John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-471-22165-1 , pág. 265.
- ^ a b Krzysztof Iniewski, Sensores inteligentes para aplicaciones industriales , CRC Press, 2013, ISBN 1-466-56810-0 , pág. 346.
- ^ http://www.nessengr.com/technical-data/toroid-inductor-formulas-and-calculator/
- ^ "En un potenciómetro magnético", Revista filosófica y Revista de ciencia , vol. XXIV, no. Quinta serie, págs. 94–96, julio-diciembre de 1887
- ^ Walter Rogowski y W. Steinhaus en "Die Messung der magnetischen Spannung", Archiv für Elektrotechnik , 1912, 1, Pt.4, págs. 141-150.
- ^ Patente de un sensor de corriente planar Rogowski Patente de Estados Unidos 6.414.475 , concedida el 2 de Jul de 2002.
enlaces externos
- Bobinas Rogowski , Uso de bobinas Rogowski para mediciones de corrientes transitorias , Principio de funcionamiento de Rocoil Ltd
- Diseños de bobinas de Rogowski , PAC World, otoño de 2007, aplicaciones de relés de protección
- Sensor de sonda de corriente de banda ancha en miniatura que utiliza este principio
- Teoría del transductor de corriente Rogowski de PEM UK
- Una descripción general de la tecnología de detección de corriente de bobina de Rogowski