Annons

Mäta ström del två – Rogowski och hans spole

Om strömtänger för AC och DC kan sägas vara väl utredda och kända av alla så är det kanske inte så vanligt att rogowskispolar är riktigt lika välkända. Väl utredda kan man utan vidare säga att de är men ändå är principen för hur de faktiskt fungerar och vilka begränsningar de har inte alls välkända. Det har gjort att totalt felaktiga mätningar med rogowskispolar har lett till likaledes totalt felaktiga och ineffektiva ”lösningar” på det förmodade problemet.

Först: Vad skiljer en rogowskispole från strömtänger?

1. Den innehåller inget järn som kan mättas och ge felaktiga resultat vid höga inkopplingsströmmar. Frånvaron av järn gör också att de inte stör strömfördelningen när man mäter på parallellkopplade och grova ledare.

2. Den kan mäta ström upp till mycket högre frekvenser än man klarar med AC eller DC strömtänger. Inte HF, men ändå upp mot MHz. Och det räcker i många sammanhang. Ett problem vid höga frekvenser är att rogowskispolarna ofta har resonanser som förvränger resultatet och gör mätningarna opålitliga. De kommersiellt tillgängliga rogowskispolarna har därför filter som reducerar bandbredden till cirka 20 kHz eller lägre.

3. Den kan inte mäta likström. För att klara det måste den tillhörande integratorn (som gör om inducerad du/dt till en spänning som representerar strömmen) ha noll drift. I praktiken kan man numera bygga integratorer med acceptabel drift under minuter eller timmar. Men förr eller senare har de lik förb. stuckit iväg så man inte vet vad man mäter.

4. Ändå förekommer rogowskispolar i en del anläggningar med likströmmar på hundratals kiloampere, exempelvis i elektrolys. Där är man hjälpt av att strömmen periodiskt alltid går ner till noll ampere och genom att använda denna referensnivå kan rogowskispolen användas för sann och noggrann likströmsmätning.

5. Att rogowskispolen inte är känslig för likström kan utnyttjas vid rippelmätning. Det spelar ingen roll hur hög likströmmen är – man kan ändå mäta ripplet med god noggrannhet.

Principen fungerar bra, både i stort format och i litet. För strömmätning i fjärrvärmerör lindade jag en spole på en trädgårdsslang med ett förlängt kvastskaft som stöd (och gaffatejp som yttre skydd) så att man kunde mäta på ett 800 mm rör. Det blev många varv och hög utsignal. Så hög att man kunde använda en passiv integrator (RC med 1 sekunds tidkonstant). Fördel: Enkelt och stabilt och utan extern matning.

Kommersiella rogowskispolar
Här finns det mycket att välja mellan. Från Chauvin-Arnoux och LEM-flex med bandbredder mellan 3 och 20 kHz till små spolar där lindningen etsats på samma kretskort som integratorn sitter på och till LEM UK som gör snabba rogowskispolar med batteridriven integrator. Batterierna har lång livslängd och det är bara när man glömmer stänga av matningen som man behöver byta batterier efter några dygn.

Den höga bandbredden har ett pris, det är svårt att undvika ringning och overshoot. För att jämföra gjorde vi ett prov på ABB där olika spolars förmåga att mäta utström från PWM frekvensomriktare jämfördes. Ringningen hos PEM var besvärande och de långsamma 3 – 20 kHz visade ingenting. Uppföljande mätningar med olika givare gav intressanta resultat:

Den ”snabba” strömtången har ca 100 kHz bandbredd och är uppe i nivå efter ca 6 µs. En spole med 20 kHz BW tar då cirka 30 µs och en med 3 kHz kommer att ta en evighet på sig.

PEM ser väl bra ut? Snabbt upp till rätt nivå. Men kolla hur det ser ut när man snabbar upp svepet till 50 ns: ”Småkrafset” i början är en rejäl overshoot med ringning som nästan når upp till fyra gånger sanna värdet. Så om man jagar kapacitivt och induktivt kopplade störningar från PWM så lär det inte vara något problem att hitta sådana. Problemet är att utvärdera dem när mätsystemet visar nästan 300% fel.

Fischer HF-trafo gör det mesta rätt. Men den har väldigt hög undre gränsfrekvens och dessutom har den järn (ferrit) i sig och det kan störa systemet. Ytterligare en osäkerhet som inte gör saken enklare.

Längst upp visas spänningen över en koaxialshunt där parasitinduktansen är mycket låg. Signalen borde vara en skarp fyrkant men den är påverkad av både Fischer och den ”snabba” strömtången.

Lätt är det inte. Men om man känner till fällorna så kan det hjälpa. Att leta störningar från frekvensomriktare med mätdon som i stort sett inte täcker mer än audiofrekvenser är inte bara mycket frustrerande utan gör också att man missar det man letar efter.

I verkligheten är det bättre att ha grejer som faktiskt reagerar på det man letar efter. Även om de överreagerar. Och där är PEM UK fortfarande det bästa jag har i arsenalen. Men visst finns det alternativ. En flux gate och en hallgivare till exempel. Problemet ligger mera i kalibreringen och att de inte klarar grova kablar. Vi ska ändå titta på några sådana i nästa avsnitt.

Flux gates, hallgivare och GMR
En flux gate är en liten toroid med magnetkärna. Principen kan verka alldeles fel men den fungerar bra ändå. Det som känns fel är att magnetfältet man mäter inte gör som ”vanligt” utan löper i två parallella flöden i kärnan. Om man bara inser det så är det inga problem för övrigt.

Drivlindningen matas med AC och mättar kärnan i positiv och negativ riktning. Det yttre fältet påverkar kärnan så att den går i mättning under kortare eller längre tid och inducerar spänning med viss magnetfältberoende osymmetri i mätlindningen (sense winding). Med enkel synkrondetektor kan spänningen utvärderas till amplitud och polaritet så att det yttre magnetfältet kan utvärderas med hög noggrannhet.

Problemet är att man mäter magnetfältet i en punkt och det gör strömmätningen ganska oprecis. Med rak ledare och en fixtur som håller avstånd och vinklar konstanta kan man ändå komma till bättre än fem procent felmätning. Thurlby-Thandars i-prober 520 har fungerat bra från 0 Hz till 5 MHz.

Andra tekniker att mäta ström
Hallgivare är välkända komponenter som har förbättrats så att temperaturdriften numera inte är något stort problem. Och GMR (Giant Magneto Resistor) likaså. Båda lider av samma problem som flux gaten – dvs de mäter magnetfältet lokalt i stället för att integrera runt hela ledaren.

Faradayeffekten (magnetfälts inverkan på polariserat ljus) används i en del HVDC-system. Där kan man undvika lokal mätning genom att låta en ljusledare gå ett eller flera varv runt den ledaren man vill mäta ström i. Vid HVDC med spänningar i megavoltklassen är det fördelaktigt att ha en isolerande mätanordning. Att den dessutom inte påverkas av elektrostatiska fält är inte heller någon nackdel.

I likströmssystem användes tidigare transduktorkärnor utan sparsjälvmagnetisering. I en sådan släpps en ström som är proportionell mot primärströmmen dividerat med omsättningen igenom. De kallades ofta för Krämerwandler och var robusta komponenter som man sällan ser idag. Viss utsignal vid 0 A och ingen polaritetsinformation gjorde dem begränsat användbara.

Bimetall– och varmtrådsinstrument känner nog de flesta till redan. De grundar sig på att strömmen värmer metalliska ledare så att de utvidgar sig och förlängs. I bimetallfallet är det en remsa med två metaller med olika utvidgning som gör att remsan böjer sig vid ökad ström medan varmtrådsinstrumenten antingen kopplar trådens förlängning direkt till en mekanisk visare eller värmer ett termoelement eller termistor, som ger en elektrisk signal. De här teknikerna har mött samma öde som dinosaurierna. Utom i en del motorskydd där bimetallremsan fortfarande skyddar elmotorer. Off Topic: De små Klixonbrytarna och många termostater i strykjärn och ”Kettles” jobbar fortfarande med bimetallremsor.

Jag har förmodligen inte träffat på alla varianter av strömmätdon och tar tacksamt emot tips om sånt som jag missat i den här korta översikten. Framför allt misstänker jag att det har kommit nya tekniker för att få bra resultat med shuntar. Där är problemen effektförbrukningen/värmen och galvanisk isolation med god likfasundertryckning. Vid snabba flanker måste induktansen också minimeras och där är nog koaxialshunten fortfarande den bästa lösningen.

Ha det bra i Periferin! Den är säkrast nu innan pandemin är över. Med eller utan munskydd.

Gunnar Skogsgurra Englund
GKE Elektronik AB

Leave a Reply