Rogowski-Spulen, auch Luftspulen oder flexible Stromwandler genannt, werden dank ihrer Vorteile wie fehlender magnetischer Sättigung, großem Messbereich und einfacher Installation häufig in der Leistungsüberwachung, bei der Messung hochfrequenter Stromimpulse und beim Schutz vor hohen Strömen eingesetzt. In der Praxis können Rogowski-Spulen jedoch üblicherweise nicht direkt an Messgeräte angeschlossen werden, sondern müssen zusammen mit einem Integrator verwendet werden.
Das Funktionsprinzip der Rogowski-Spule beruht auf dem Faradayschen Induktionsgesetz. Fließt der zu messende Strom i(t) durch die Mitte der Spule, entsteht in ihr eine induzierte elektromotorische Kraft e(t). Sie lässt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:
Dabei bezeichnet M den Gegeninduktivitätskoeffizienten zwischen der Spule und dem Primärleiter.
Aus der Formel geht hervor, dass die Ausgangsspannung der Rogowski-Spule nicht unmittelbar der Stromstärke entspricht. Sie ist vielmehr proportional zur Änderungsrate (Ableitung) des Stroms. Das bedeutet:
• Bei konstantem Gleichstrom ist das Ausgangssignal der Rogowski-Spule null.
• Bei sinusförmigem Strom eilt die Ausgangsspannung dem Strom um 90° voraus; ihre Amplitude steigt linear mit der Frequenz.
Um den tatsächlichen Stromverlauf i(t) zu rekonstruieren, muss das Ausgangssignal der Spule daher mathematisch integriert werden.
Der Integrator ist ein wesentlicher Bestandteil des Messsystems mit Rogowski-Spule. Er erfüllt hauptsächlich drei Aufgaben:
1 Rekonstruktion des Signalverlaufs (Integration): Eine elektronische Integratorschaltung, üblicherweise ein aktiver Integrator mit Operationsverstärkern, wandelt das di/dt-Signal in ein zu i(t) proportionales Spannungssignal um.
2 Phasenkorrektur: Sie gleicht die von der Rogowski-Spule verursachte Phasenvoreilung um 90° aus, damit das Ausgangssignal mit dem ursprünglichen Stromsignal phasengleich ist. Das ist für Leistungsmessungen, etwa zur Berechnung des Leistungsfaktors, entscheidend.
3 Signalaufbereitung und Verstärkung: Die unmittelbar induzierte Spannung der Stromschleife ist üblicherweise sehr gering und liegt im Millivoltbereich. Der Integrator verstärkt sie auf gebräuchliche Signalpegel und erhöht die Treiberfähigkeit für längere Übertragungswege oder angeschlossene Lasten.
Je nach Anforderungen der nachgeschalteten Geräte, etwa Stromzähler, SPS, Oszilloskope oder Schutzrelais, sind Integratoren mit verschiedenen Ausgangsarten erhältlich. Die folgende Tabelle vergleicht diese gängigen Ausgangsarten im Detail:
| Ausgangsart | Typische Kenndaten | Signaleigenschaften | Hauptanwendungen | Vorteile | Nachteile |
| Momentaner Spannungsausgang | 333mV AC, 1V AC | Wechselspannungsverlauf | Digitale Stromzähler, Leistungsanalysatoren | Hohe Sicherheit (keine hohe Spannung bei offenem Sekundärkreis), sehr gute Linearität | Begrenzte Übertragungsdistanz, anfällig für elektromagnetische Störungen |
| Momentaner Stromausgang | 1A AC, 5A AC | Wechselstromverlauf | Ersatz herkömmlicher Stromwandler, Relaisschutz | Kompatibel mit älteren Geräten, hohe Treiberfähigkeit, für die Fernübertragung geeignet | Hohe Leistungsaufnahme, leistungsstarke Stromversorgung erforderlich |
| Genormtes Analogsignal | 4-20mA DC, 0-1V DC | Gleichstrom-/Prozesssignal | SPS, Prozessleitsysteme, industrielle Automatisierungsanlagen | Hohe Störfestigkeit (4-20mA), einfache Systemintegration | Verlust der ursprünglichen Signalform; bildet nur den Effektivwert (RMS) ab |
| Ausgang ohne Integrator | Spannung(di/dt) | Differenziertes Wechselspannungssignal | Analyse hochfrequenter Transienten, Datenerfassungsgeräte mit integrierter Integrationsfunktion | Sehr hohe Bandbreite, keine Integratordrift, schnellste Reaktion | Stromwerte nicht direkt ablesbar; aufwendige nachgeschaltete Verarbeitung erforderlich |
Dies ist derzeit die verbreitetste Ausgangsart für Rogowski-Spulen. 333 mV entsprechen einer in Nordamerika und international weit verbreiteten Spezifikation für Niederspannungswandler. Der wichtigste Vorteil dieser Ausgangsart ist die Sicherheit: Selbst bei unterbrochenem Sekundärkreis entstehen keine lebensgefährlichen Hochspannungen wie bei herkömmlichen Stromwandlern. Informationen über Stromoberschwingungen bleiben vollständig erhalten, was diese Ausgangsart für hochgenaue Analysen der Netzqualität geeignet macht.
Um mit Messgeräten kompatibel zu bleiben, die ursprünglich für herkömmliche Stromwandler mit Magnetkern ausgelegt wurden, können Integratoren Ausgangsströme von 1 A oder 5 A liefern. Ein solcher Integrator arbeitet im Grunde als Leistungsverstärker, der Spannung in Strom umsetzt. So kann eine Rogowski-Spule auch hochohmige Lasten versorgen, die sie allein nicht direkt treiben könnte. Wegen der höheren Ausgangsströme steigen jedoch Leistungsaufnahme und Baugröße des Integrators deutlich.
In der industriellen Automatisierung wird häufig nur der Effektivwert (RMS) des Stroms benötigt, ohne dass der Signalverlauf betrachtet werden muss. Diese Integratoren enthalten interne Schaltungen zur Umwandlung des Effektivwerts in ein Gleichstromsignal. Sie wandeln komplexe Wechselstromsignale in stabile Gleichstromsignale um. Der 4-20-mA-Stromschleifenausgang ist besonders störfest und eignet sich daher gut für die Übertragung über größere Entfernungen an SPS- oder Prozessleitsysteme.
Bei speziellen wissenschaftlichen Anwendungen, etwa der Messung von Blitzströmen oder Experimenten der Hochenergiephysik, kann das unverarbeitete di/dt-Signal der Rogowski-Spule direkt erfasst werden. So lassen sich Bandbreitenbegrenzungen und niederfrequente Drift vermeiden, die bei Integratoren auftreten. Das Signal kann anschließend mithilfe von Algorithmen digital integriert werden, um sehr hohe Messbandbreiten von mehreren MHz oder mehr zu erreichen.
Der Integrator übernimmt die Rekonstruktion des Signalverlaufs, die Phasenkorrektur und die Signalverstärkung.
Welche Ausgangsart geeignet ist, hängt von Ihren nachgeschalteten Geräten ab:
•Für Genauigkeit und Sicherheit wählen Sie 333mV/1V AC;
•Für Kompatibilität mit älteren Systemen wählen Sie 1A/5A AC;
• Für die industrielle Überwachung wählen Sie 4-20mA DC;
•Bei Messgeräten, die Rogowski-Spulen unterstützen, oder für die Hochfrequenzforschung kommt der direkte di/dt-Ausgang infrage.
Wenn Rogowski-Spule und Integrator richtig aufeinander abgestimmt sind, lassen sich die Vorteile des großen Messbereichs und der fehlenden Sättigung voll nutzen, um auch in komplexen Stromumgebungen präzise zu messen und zu regeln.
Copyright © 2026 PowerUC Electronics Co.
