Định nghĩa

Cuộn dây Rogowski được đặt tên theo nhà vật lý người Đức Walter Rogowski, dùng để đo dòng điện xoay chiều (AC). Thiết bị này còn được gọi là cuộn linh hoạt, cuộn Rogowski hoặc cuộn Rockwell. Công nghệ Rogowski thường được dùng để đo dòng xung, dòng hình sin tần số cao, dòng tức thời tốc độ cao, dòng AC, dòng hài bậc cao và các dạng sóng phức tạp, dòng vào tạm thời, dòng khởi động, cũng như các phép đo pha, công suất và hệ số công suất.

Thiết kế dạng cuộn chia tách (split type) cho phép người dùng dễ dàng lắp đặt cuộn linh hoạt mà không cần tháo dây dẫn, trong khi cấu trúc nguyên khối mang lại sự thuận tiện và linh hoạt trong thao tác. Cuộn dây không có tiếp xúc kim loại với dây dẫn, thực hiện phép đo không tiếp xúc, đảm bảo an toàn và độ tin cậy cao. Với kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, hình thức đẹp, mềm dẻo và linh hoạt, cuộn Rogowski đặc biệt phù hợp để sử dụng trong không gian hẹp và các môi trường có mật độ thiết bị cao.

Thiết bị có phạm vi đo rộng, độ chính xác cao, độ tin cậy cao và băng thông tần số lớn (0,1 Hz – 1 MHz). Người dùng có thể tùy chỉnh chiều dài cuộn dây theo nhu cầu sử dụng. Nhờ đó, cuộn Rogowski được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như: điện lực, viễn thông, khí tượng, đường sắt, khai thác dầu khí, xây dựng, đo lường và nghiên cứu khoa học; cũng như trong các cơ sở đào tạo và doanh nghiệp công nghiệp – khai khoáng. Thiết bị đặc biệt phù hợp với các môi trường công nghiệp có điều kiện khắc nghiệt như: bảo vệ rơle, chỉnh lưu thyristor, điều khiển tốc độ biến tần, công tắc bán dẫn, thiết bị điện tử công suất, hàn hồ quang và các hệ thống có méo dạng sóng nghiêm trọng.

Dòng cảm biến dòng cuộn linh hoạt tích hợp bộ tích phân sử dụng công nghệ Rogowski tiên tiến. Cuộn dây có dạng hình xuyến, được quấn đều trên vật liệu không từ tính, không có hiện tượng trễ từ, sai lệch pha gần như bằng không, không bão hòa từ và có độ tuyến tính rất cao. Cuộn Rogowski tạo ra tín hiệu tỉ lệ với đạo hàm theo thời gian của dòng điện. Bộ tích phân tích hợp sẽ xử lý tín hiệu này để tạo ra điện áp đầu ra chuẩn (0–1 V), cho phép tái tạo chính xác dòng điện cần đo và cung cấp dạng sóng hoàn chỉnh. Phạm vi đo dòng có thể từ 1 A đến hàng chục nghìn ampe.

Thiết bị chủ yếu được sử dụng để đo dòng điện, dòng hài bậc cao (lên đến 400 bậc), dòng dạng sóng phức tạp, dòng vào tạm thời, cũng như các thông số điện như pha, công suất và hệ số công suất. Với bộ tích phân tích hợp, cảm biến có thể dễ dàng kết nối với nhiều thiết bị đo và phân tích khác nhau như: máy phân tích chất lượng điện năng, máy phân tích sóng hài, máy ghi thông số công suất, thiết bị phân tích pha, hệ thống điều khiển công nghiệp, máy hiện sóng, đồng hồ đo số chính xác cao, máy ghi sự kiện quá độ, hệ thống đo lường phân tán và các hệ thống bảo vệ.

Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall xảy ra khi một dòng điện I chạy qua một bản dẫn mỏng hoặc vật liệu bán dẫn trong từ trường đều B vuông góc với hướng dòng. Lực Lorentz tác dụng lên các hạt mang điện làm chúng lệch sang một phía, tạo ra điện áp 

Hall (Vh).

Điện áp Hall tỷ lệ thuận với cường độ từ trường B và dòng điện I, nên việc đo VH 

cho phép xác định giá trị của B, và từ đó suy ra dòng điện cần đo. 

Cấu tạo cảm biến từ trường Hall

Cảm biến Hall có cấu tạo tương đối đơn giản. Thành phần chính của nó là một tấm bán dẫn mỏng, thường làm từ chất bán dẫn loại p hoặc loại n. Khi có dòng điện chạy qua tấm bán dẫn này và đặt nó trong một từ trường vuông góc, hiệu ứng Hall sẽ xảy ra. Hiệu ứng này tạo ra một điện áp nhỏ vuông góc với cả dòng điện và từ trường, được gọi là điện áp Hall. Để khuếch đại và xử lý tín hiệu điện áp Hall yếu này, cảm biến còn bao gồm các thành phần khác như:

• Mạch khuếch đại: Tăng cường tín hiệu điện áp Hall lên mức có thể đo được.
• Mạch điều chỉnh điện áp: Cung cấp một nguồn điện áp ổn định cho các thành phần bên trong cảm biến.
• Mạch so sánh: So sánh điện áp Hall với một giá trị ngưỡng để tạo ra tín hiệu đầu ra (ON/OFF).

Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, cảm biến Hall có thể có thêm các thành phần khác như bộ lọc, mạch bảo vệ,… Tuy nhiên, cấu trúc cơ bản của cảm biến Hall vẫn xoay quanh tấm bán dẫn và các mạch điện tử hỗ trợ.

Nguyên lý hoạt động

Khi dòng điện chạy qua một dây dẫn sẽ tạo ra một từ trường tỉ lệ xung quanh dây dẫn. Cảm biến dòng điện sử dụng từ trường này để đo dòng điện.

Nếu cảm biến dòng điện được thiết kế để đo dòng điện xoay chiều, công nghệ cảm ứng thường được sử dụng. Dòng điện xoay chiều thay đổi làm cho từ trường thay đổi liên tục. Bên trong cảm biến dòng xoay chiều, dây được quấn quanh lõi. Từ trường được tạo ra bởi dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra một dòng điện hoặc điện áp tỉ lệ trong dây nằm trong cảm biến dòng. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra điện áp hoặc dòng điện nhất định mà một đồng hồ kết nối với cảm biến có thể đọc và chuyển thành dòng điện chạy qua dây dẫn.

Các cảm biến có dòng điện tăng lên hoặc giảm xuống thường được gọi là máy biến dòng. Các máy biến dòng thường có hai cuộn dây. Cuộn dây có dòng điện đi qua được gọi là cuộn sơ cấp, còn cuộn dây mà điện áp cảm ứng được gọi là cuộn thứ cấp. Tỷ số lần lượt của cảm biến dòng điện là số vòng trong cuộn thứ cấp chia cho số vòng trong cuộn sơ cấp. Tỷ lệ này giúp xác định xem một máy biến dòng tăng hay giảm.

Các loại cảm biến

Các thiết bị này đều được dùng để đo dòng điện và hoạt động dựa trên cùng các nguyên tắc nhưng sẽ có sự khác biệt về kỹ thuật giữa chúng. Dưới đây là một số loại cảm biến dòng điện thường được dùng trong môi trường công nghiệp:

Cảm biến dòng điện Rogowski

Bộ cảm biến dòng điện Rogowski được sử dụng để đo di động kiểm tra dòng điện, công suất của các công xưởng hoặc đo các tủ điện trung tâm của nhà máy.

Loại cảm biến này được xem là loại chính xác và dễ sử dụng nhất bởi sở hữu những ưu điểm như:

• Độ chính xác cao.
• Tháo lắp đơn giản và thao tác an toàn.
• Đo được dòng lên tới 20 000A.
• Phù hợp với tất cả các bộ chuyển đổi công suất và đồng hồ đo công suất Rogowski.

Cảm biến dòng điện xoay chiều T201

Loại cảm biến dòng điện này được sử dụng cho các tải từ 40A trở xuống và chỉ dùng cho dòng điện AC. Biến dòng xoay chiều AC Model T201 có thể điều chỉnh được nhiều dãy dòng điện khác nhau để tăng độ chính xác khi sử dụng. Các dãy dòng điện của T201 bao gồm: 0-5A, 0-10A, 0-15A, 0-20A, 0-25A, 0-30A, 0-35A, 0-40A.

Cảm biến dòng điện DC

Loại cảm biến dòng điện này có một điểm đặc biệt là vừa có thể dùng được cho cả dòng AC và dòng DC. Do đó, với các dòng tải nhỏ hơn 600A đều dùng được cho các loại cảm biến dòng điện T201 Series của Seneca. Cảm biến dòng DC có hai lựa chọn ra tín hiệu là 4-20mA và Modbus RTU.

Ứng dụng

Cảm biến Hall có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nhờ vào khả năng đo lường chính xác và bền bỉ trong nhiều môi trường khác nhau. Dưới đây là 6 ứng dụng cụ thể:

• Cảm biến hall đo tốc độ quay: Chúng thường được tích hợp trong các hệ thống điều khiển động cơ để cung cấp thông tin phản hồi về tốc độ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và bảo vệ thiết bị khỏi hỏng hóc.
• Xác định vị trí trục quay: Trong các động cơ bước và động cơ không chổi than, giúp xác định vị trí chính xác của trục quay, từ đó điều khiển chính xác các cuộn dây điện từ trong động cơ.
• Hệ thống phanh chống bó cứng (ABS): Trong hệ thống ABS của ô tô, cảm biến Hall được sử dụng để đo tốc độ bánh xe. Thông tin này giúp hệ thống ABS điều chỉnh áp lực phanh, ngăn chặn bánh xe bị khóa cứng và duy trì khả năng điều khiển xe trong quá trình phanh gấp.
• Phát hiện và đo dòng điện: Thiết bị cảm biến này cũng được sử dụng trong các mạch bảo vệ quá dòng để phát hiện và ngắt mạch khi dòng điện vượt quá giới hạn cho phép, bảo vệ các thiết bị điện khỏi hỏng hóc.
• Robot công nghiệp: cảm biến Hall trong tự động hóa công nghiệp giúp kiểm soát chính xác vị trí và chuyển động của các khớp robot, từ đó đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn trong quá trình sản xuất.

Thiết bị gia công CNC: Trong các máy gia công CNC, cảm biến này  giúp xác định vị trí của các công cụ và phôi gia công, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình gia công.