浪涌电流产生原理及限制方法

一路上

前言

浪涌（Surge）也叫尖峰（Spike），是电路在遭受雷击、接通、断开感性负载或大型负载时产生的超出正常工作电压（或电流）的过电压（或过电流），是一种发生在微秒或纳秒时间内的剧烈脉冲。其中，过电压（或过电流）通常指超过正常值的2倍以上。

浪涌电压波形示意图

浪涌电流（Inrush Current）是电源电路或电气设备在接通输入电源启动时，由于为电容器和电感器或变压器充电需要很高的初始电流，导致较大的瞬时电流。浪涌电流抑制的目的，就是将这个“较大的瞬时输入电流”控制在合理的范围内，以免损坏电路中的元器件。

电源电路或电气设备启动时的输出电流波形

峰值电流:它是波形在正或负区域所达到的最大值。
稳态电流:定义为电路中每个时间间隔保持恒定的电流。当di/dt=0时达到稳态电流，这意味着电流相对于时间保持不变。

浪涌电流的特性

浪涌电流主要有以下三个特性:
●设备开机瞬间发生
●出现短时间跨度
●高于电路或装置的额定值

出现浪涌电流的一些应用示例
●白炽灯
●感应电动机启动
●变压器

1、变压器的浪涌电流

变压器浪涌电流定义为变压器在二次侧空载或开路条件 下吸收的最大瞬时电流。这种浪涌电流会损害铁芯的磁性并导致变压器断路器的意外切换。

浪涌电流的大小取决于变压器启动的交流波点。如果变压器(空载)在交流电压达到峰值时开启，则启动时不会出现浪涌电流,如果变压器(空载)在交流电压过零时开启，则浪涌值电流会非常高,并且也会超过饱和电流，如下图所示:

2、电机中的浪涌电流

像变压器感应电动机-样，没有连续的磁路。由于转子和定子之间的气隙，感应电动机的磁阻很高。因此，由于这种高磁阻感应电机在启动时需要高磁化电流来产生旋转磁场。下图显示 了电机的全电压启动特性。

正如上图中看到的，启动电流和启动扭矩在开始时都非常高。这种高启动电流也称为浪涌电流，会损坏电气系统，并且初始高扭矩会影响电机的机械系统。如果我们将初始电压值降低50%，则可以导致电机扭矩降低75%。因此为了克服这些问题，使用了软启动电源电路(主要称为软启动器)。

浪涌电流的限制方法

如前所述，浪涌电流是系统中经历的最大峰值电流，它可以是正常额定电流的两倍或十倍。这种不需要的电流尖峰会像变压器一样损坏设备，每次打开时，浪涌电流都会导致断路器跳闸。调整断路器容差可能对我们有所帮助，但组件应承受浪涌时的峰值。

而在电子电路中，某些组件具有在短时间内承受高值浪涌电流的规格。但是如果浪涌值非常高，某些组件会变得非常热或损坏。所以在设计电子电路或PCB时最好使用浪涌电流保护电路。

为了防止浪涌电流，可以使用有源或无源设备。选择保护类型取决于浪涌电流的频率、性能、成本和可靠性。

例如可以使用NTC热敏电阻(负温度系数) -样，它是一种无源器件用作电阻器，其电阻在低温值时非常高。NTC热敏电阻与电源输入线串联。它在环境温度下表现出高电阻值。因此，当我们打开设备时，高电阻会限制浪涌电流流入系统。随着电流不断流动，热敏电阻的温度会升高，从而显着降低电阻。因此，热敏电阻稳定了浪涌电流并允许稳定电流流入电路。NTC热敏电阻由于其简单的设计和低成本而被广泛用于电流限制目的。但也有一些缺点， 例如在极端天气条件下您不能依赖热敏电阻。

另外，有源器件成本更高，并且还增加了系统或电路的尺寸。它由切换高输入电流的敏感组件组成。一些有源器件是软启动器、稳压器和DC/DC转换器。

这些保护用于通过限制瞬时浪涌电流来保护电气和机械系统。下图显示了有保护电路和没有保护电路的浪涌电流值，可以清楚地看到浪涌电流保护的有效性。

浪涌电流的测量方法

我们都见过自行车车，要让它移动，需要用力。而且，-旦车轮开始移动，所需的力就会减小。所以，这个初始力相当于浪涌电流。同样，在电机中，一旦转子开始移动，电机就会开始达到不需要高电流运行的稳定状态。

现在有许多钳形表(万用表)可提供浪涌电流测量，但有时浪涌电流显示的值高于断路器的额定值，但断路器仍然不跳闸。这背后的原因是，断路器工作在时间v/s电流曲线上，就像使用10安培断路器一样， 因此超过10安培的浪涌电流应该超过额定时间流过断路器其中。

当然，如果要测量浪涌电流的话，可以按照下面的步骤测量浪涌电流:

1.最初应关闭被测设备
2.旋转刻度盘并设置为Hz-A符号
3.将火线放入钳口或使用与钳形表连接的探头
4.按下钳表中的浪涌电流按钮，如上图所示
5.打开设备，您将在仪表显示屏上获得浪涌电流值

总结

浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流，由于输入滤波电容迅速充电，所以该峰值电流远远大于稳态输入电流。

浪涌电流对供电网络及用电设备的安全都很重要，在应用工程中通 常需要对浪涌电流进行抑制处理。另外，大家在电路中使用各种电子元件时，也务必要注意浪涌电流的出现。