Rogowskispulen – Grundlagen und Wechselstrommessung
Was ist eine Rogowskispule?
Ein Rogowski-Stromwandler wird zur Messung elektrischer Ströme verwendet. Er liefert eine zum gemessenen Strom proportionale Ausgangsspannung (z.B. 1mV/A). Die Ausgangsspannung folgt dem zeitlichen Verlauf des Stroms und kann daher den Stromverlauf auf einem Oszilloskop oder Messwerterfassungssystem abbilden.
Alternativ kann der Ausgang mit einem Digitalvoltmeter (DVM) verbunden werden, um so den Effektivwert des Stroms zu messen.
PEM stellt verschiedene Baureihen von Rogowski-Stromwandlern für die Messung von Strömen ab wenigen hundert mA bis zu hunderten kA her. Jeder Stromwandler besteht aus einer Rogowskispule und einem elektronischen Integrator, die durch eine Koaxialleitung verbunden sind.
Die Spule ist auf einem schlanken Kunststoffrohr kreisförmigen Querschnitts eng gewickelt und mit einer Isolierung umgeben. Sie wird um den Leiter oder Anlagenteil gelegt, der den zu messenden Strom führt. Ein Ende der Spule ist fest an der Verbindungsleitung angebracht. Das andere Ende ist frei, es wird normalerweise in eine Halterung an der Leistungsverbindung eingesteckt. Zum Anbringen am Leiter kann das freie Ende ausgesteckt und um den Leiter herum gelegt werden. Um die spezifizierten messtechnischen Eigenschaften zu erreichen, muss das freie Ende vollständig in den Verbinder eingesteckt werden.
Die Spule ist flexibel und kann daher zwischen eng angeordneten Leitern oder an schlecht zugänglichen Bauelementen angebracht werden. Die Schleife braucht nicht kreisförmig zu sein und der Strom braucht nicht genau mittig oder gleichförmig verteilt innerhalb der Schleife zu liegen.
Im Gegensatz zu klassischen Stromwandlern besitzt die Rogowskispule keinen magnetischen Kern. Dadurch entstehen mehrere Vorteile:
keine
magnetische Sättigung
sehr große Bandbreite (bis zu 50 MHz)
hohe Linearität über große
Strombereiche
geringe
Beeinflussung des Messkreises
Rogowskispulen werden heute in vielen Bereichen eingesetzt, beispielsweise in der:
Leistungselektronik
Energietechnik
Power-Quality-Analyse
EMV-Messtechnik
Forschung
und Entwicklung
Insbesondere bei hohen Strömen oder schnellen Stromtransienten bieten Rogowskispulen deutliche Vorteile gegenüber klassischen Stromwandlern.
Funktionsprinzip einer Rogowskispule
Die Spule mit N Windungen/m gleichförmig um einen nichtmagnetischen Formkern konstanter Querschnittsfläche A (m²) gewunden. Schließt man die so entstandene Spule zu einem geschlossenen Ring, folgt die darin induzierte Spannung e der Gleichung: e = m0*N*A*di/dt = H*di/dt wobei H (Vs/A) die Spulenempfindlichkeit und I der zu messende Strom im durch die Schleife führenden Leiter ist.
Die Schleife muss nicht kreisförmig sein und e ist von der Lage des zu messenden Stroms in der Schleife unabhängig. Um den zeitlichen Stromverlauf als Signal zur Anzeige auf einem Oszilloskop oder zur Messung mit einem DVM auszugeben, benötigt man nur eine Vorrichtung zur präzisen Integration der Spulenspannung, womit:
UA = 1/Ti*e*dt = Rsh*I wobei Ti = R0*C1 und Rsh = H/Ti die Empfindlichkeit des Stromwandlers in mV/A ergibt.
Warum Rogowskispulen ideal für Wechselstrom sind
Da Rogowskispulen auf der Änderung des Magnetfeldes basieren, eignen sie sich besonders für die Messung von Wechselströmen oder gepulsten Strömen.
Bei Gleichstrom bleibt das Magnetfeld konstant – es wird daher keine Spannung in der Spule induziert.
Für Wechselstrommessungen bieten Rogowskispulen mehrere entscheidende Vorteile:
Großer Messbereich
Rogowskispulen können Ströme von wenigen Milliampere bis zu mehreren hundert Kiloampere messen.
Sehr große Bandbreite
Je nach Sensor sind Frequenzbereiche von wenigen Hertz bis zu 50 MHz möglich.
Keine Sättigung
Da kein magnetischer Kern vorhanden ist, tritt keine magnetische Sättigung auf – selbst bei sehr hohen Strömen.
Hohe Linearität
Die Messung bleibt auch bei stark verzerrten Stromformen präzise.
Diese Eigenschaften machen Rogowskispulen besonders interessant für moderne Anwendungen in der Leistungselektronik und Energietechnik.
Messung nichtsinusförmiger Ströme
Moderne elektrische Systeme erzeugen häufig komplexe Stromformen, die deutlich vom idealen Sinus abweichen.
Typische Beispiele sind:
PWM-Ströme
in Wechselrichtern
Ströme
in Schaltnetzteilen
Stromverläufe
in Motorantrieben
Oberschwingungen
in Stromnetzen
Dank ihrer großen Bandbreite können Rogowskispulen diese Signale sehr präzise erfassen.
Selbst schnelle Stromtransienten mit hohen di/dt-Werten lassen sich zuverlässig messen.
Das macht Rogowskispulen zu einem wichtigen Werkzeug für:
Entwicklung
von Leistungselektronik
Analyse
von Schaltvorgängen
EMV-Untersuchungen
Power-Quality-Messungen
Moderne Rogowskispulen für Leistungselektronik
Ein Beispiel für moderne Hochleistungs-Rogowskispulen ist die CWT-Serie von PEM (Power Electronic Measurements Ltd.).
Diese Stromsonden wurden speziell für Messungen in der Leistungselektronik entwickelt.
Typische Eigenschaften dieser Sensoren sind:
Bandbreiten bis zu 50 MHz (CWT Mini50HF)
hohe
Genauigkeit
flexible
Spulen zur einfachen Installation
große
Strombereiche
Sie werden häufig eingesetzt in:
Entwicklung
von Wechselrichtern
Analyse
von Schaltnetzteilen
Messungen
an Motorantrieben
EMV-Untersuchungen
Durch die flexible Bauform können die Spulen einfach um Leiter oder Busbars gelegt werden, ohne den Stromkreis zu unterbrechen.
Kompakte Strommessung mit der CWT UM-F
Für Messungen in besonders engen Leiterstrukturen bietet PEM spezielle Varianten der CWT-Serie an, beispielsweise die CWT UM-F Rogowski-Stromsonde.
Diese Sensoren besitzen eine besonders kompakte Bauform, die speziell für Messungen in dicht gepackten Leistungselektronik-Schaltungen entwickelt wurde.
Typische Einsatzbereiche sind:
SiC-
und GaN-Leistungshalbleiter
Strommessung
an Busbars
Messungen
direkt an Leistungshalbleitermodulen
Analyse
schneller Schaltvorgänge
Die sehr dünne Sensorgeometrie ermöglicht Messungen auch dort, wo klassische Stromsonden nicht eingesetzt werden können.
Gleichzeitig bleibt die hohe Bandbreite erhalten, sodass selbst sehr schnelle Stromtransienten zuverlässig erfasst werden können.
Typische Anwendungen von Rogowskispulen
Rogowskispulen werden heute in vielen Bereichen der elektrischen Messtechnik eingesetzt.
Typische Anwendungen sind:
Leistungselektronik
Wechselrichter
Motorantriebe
DC-DC-Wandler
Energietechnik
Netzstrommessungen
Power-Quality-Analyse
Kurzschlussstrommessungen
Forschung und Entwicklung
Analyse
schneller Stromtransienten
EMV-Messungen
Charakterisierung
von Leistungshalbleitern
Fazit
Rogowskispulen sind eine äußerst flexible und leistungsfähige Lösung für die Wechselstrommessung in modernen elektrischen Systemen.
Durch ihre kernlose Bauweise bieten sie:
große
Bandbreiten
hohe
Linearität
keine
Sättigung
einfache
Installation
Damit eignen sie sich ideal für Anwendungen in der Leistungselektronik, Energietechnik und Messtechnik.
Moderne Sensoren wie die CWT-Serie von PEM, einschließlich kompakter Varianten wie der CWT UM-F, ermöglichen zudem präzise Strommessungen selbst in sehr kompakten Leistungselektronik-Systemen.
FAQ – Häufige Fragen zu Rogowskispulen
Können Rogowskispulen Gleichstrom messen?
Nein. Rogowskispulen messen nur zeitlich veränderliche Ströme, da ihre Ausgangsspannung proportional zur Stromänderung ist.
Welche Vorteile haben Rogowskispulen gegenüber Stromwandlern?
Rogowskispulen bieten eine größere Bandbreite, keine magnetische Sättigung und sind meist deutlich flexibler in der Installation.
Welche Ströme können mit Rogowskispulen gemessen werden?
Je nach Sensor können Ströme von wenigen Ampere bis zu mehreren hundert Kiloampere gemessen werden.