Пусковой ток

Пример переходных процессов пускового тока при включении батареи конденсаторов

Пусковой ток , входной импульсный ток или импульс включения — это максимальный мгновенный входной ток, потребляемый электрическим устройством при первом включении. переменного тока Электродвигатели и трансформаторы могут потреблять в несколько раз больше обычного тока полной нагрузки при первом включении в течение нескольких циклов входного сигнала. Силовые преобразователи также часто имеют пусковые токи, намного превышающие их установившиеся токи, из-за зарядного тока входной емкости . Выбор устройств защиты от перегрузки по току, таких как предохранители и автоматические выключатели, усложняется, когда необходимо допускать высокие пусковые токи. Защита от перегрузки по току должна быстро реагировать на перегрузку или короткое замыкание , но не должна прерывать цепь при протекании (обычно безвредного) пускового тока.

Конденсаторы

Разряженный или частично заряженный конденсатор возникает как короткое замыкание на источник, когда напряжение источника выше потенциала конденсатора. Полностью разряженному конденсатору потребуется примерно 5 периодов времени RC для полной зарядки; во время периода зарядки мгновенный ток может существенно превышать установившийся ток. Мгновенный ток снижается до установившегося значения, когда конденсатор достигает полного заряда. В случае разомкнутой цепи конденсатор будет заряжаться до пикового напряжения переменного тока (фактически невозможно зарядить конденсатор от сети переменного тока, поэтому это относится к изменяющемуся, но однонаправленному напряжению; например, к выходному напряжению выпрямителя).

В случае зарядки конденсатора от линейного постоянного напряжения, как и от аккумулятора, конденсатор все равно будет проявляться в виде короткого замыкания; он будет потреблять ток от источника, ограниченный только внутренним сопротивлением источника и ESR конденсатора. В этом случае зарядный ток будет непрерывным и будет снижаться экспоненциально по отношению к току нагрузки. При разомкнутой цепи конденсатор будет заряжаться до напряжения постоянного тока.

Защита от начального броска тока в период зарядки конденсатора фильтра имеет решающее значение для производительности устройства. Временное введение высокого сопротивления между входной мощностью и выпрямителем может увеличить сопротивление включения питания, что приведет к снижению пускового тока. Использование ограничителя пускового тока для этой цели помогает, поскольку он может обеспечить необходимое начальное сопротивление.

Трансформеры

При первом включении трансформатора переходный ток, в 10–15 раз превышающий номинальный ток трансформатора, может протекать в течение нескольких циклов. Тороидальные трансформаторы, в которых используется меньше меди при той же мощности, могут иметь до 60-кратного броска рабочего тока. Наихудший случай броска происходит, когда первичная обмотка подключается в момент пересечения нуля первичного напряжения (что для чистой индуктивности было бы максимумом тока в цикле переменного тока) и если полярность полупериода напряжения имеет ту же полярность, что и остаточная намагниченность в железном сердечнике ( магнитная остаточная намагниченность осталась высокой по сравнению с предыдущим полупериодом). Если обмотки и сердечник не имеют таких размеров, которые обычно никогда не превышают 50% насыщения (а в эффективном трансформаторе они никогда не превышают, такая конструкция будет слишком тяжелой и неэффективной), то во время такого запуска сердечник будет насыщаться. Это также можно выразить тем, что остаточный магнетизм при нормальной работе почти такой же высокий, как магнетизм насыщения в «колене» петля гистерезиса . Однако после насыщения сердечника индуктивность обмотки значительно снижается, и только сопротивление первичной обмотки и полное сопротивление линии электропередачи ограничивают ток. Поскольку насыщение происходит только в течение части полупериода, могут генерироваться сигналы с высоким содержанием гармоник, что может вызвать проблемы в другом оборудовании. Для больших трансформаторов с низким сопротивлением обмотки и высокой индуктивностью эти пусковые токи могут длиться несколько секунд, пока переходный процесс не затихнет (время затухания пропорционально X _L / R ) и не установится регулярное равновесие переменного тока. Чтобы избежать бросков магнитного поля, только для трансформаторов с воздушным зазором в сердечнике индуктивную нагрузку необходимо подключать синхронно вблизи пика напряжения питания, в отличие от переключения при нулевом напряжении, которое желательно свести к минимуму резкие переходные процессы тока с резистивные нагрузки, такие как мощные нагреватели. Но для тороидальных трансформаторов только процедура предварительного намагничивания перед включением позволяет запустить эти трансформаторы без пика пускового тока.

Пример переходного процесса пускового тока при включении тороидального трансформатора мощностью 100 ВА. Пусковой пик примерно в 50 раз превышает номинальный ток

Пусковой ток можно разделить на три категории:

Пусковой ток при включении в результате повторного включения трансформатора. Остаточный поток в этом случае может быть нулевым или зависеть от момента подачи питания.

Пусковой ток восстановления , когда напряжение трансформатора восстанавливается после снижения из-за помех в системе.

Симпатический пусковой ток протекает, когда несколько трансформаторов подключены к одной линии и один из них находится под напряжением.

Моторы

Когда на электродвигатель переменного или постоянного тока впервые подается питание, ротор не движется, и ток, эквивалентный току останова, будет течь, уменьшаясь по мере того, как двигатель набирает скорость и создает обратную ЭДС , противодействующую питанию. Асинхронные двигатели переменного тока ведут себя как трансформаторы с закороченной вторичной обмоткой до тех пор, пока ротор не начнет двигаться, тогда как коллекторные двигатели по существу представляют сопротивление обмотки. Продолжительность пускового переходного процесса будет меньше, если механическая нагрузка на двигатель снимается до тех пор, пока он не наберет скорость.

Для мощных двигателей конфигурация обмотки может быть изменена ( звезда при запуске, а затем треугольник ) во время запуска, чтобы уменьшить потребляемый ток.

Обогреватели и лампы накаливания

Металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления ; они имеют меньшее сопротивление в холодном состоянии. Любая электрическая нагрузка, содержащая значительную часть металлических резистивных нагревательных элементов, например электрическая печь или группа ламп накаливания с вольфрамовой нитью , будет потреблять большой ток до тех пор, пока металлический элемент не достигнет рабочей температуры. Например, настенные выключатели, предназначенные для управления лампами накаливания, будут иметь рейтинг «Т», что указывает на то, что они могут безопасно управлять цепями с большими пусковыми токами ламп накаливания. Пусковой ток может в 14 раз превышать установившийся ток и может сохраняться от нескольких миллисекунд для ламп меньшего размера до нескольких секунд для ламп мощностью 500 Вт и более. ^[1] (Неграфитированные) лампы с угольной нитью, которые сейчас используются редко, имеют отрицательный температурный коэффициент и потребляют больше тока при нагревании; У этих типов не наблюдается «пусковой» ток.

Защита

Резистор, включенный последовательно с линией, можно использовать для ограничения тока зарядки входных конденсаторов. Однако такой подход не очень эффективен, особенно в мощных устройствах, так как резистор будет иметь падение напряжения и рассеивать некоторую мощность.

Пусковой ток также можно уменьшить с помощью ограничителей пускового тока. с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) Термисторы обычно используются в импульсных источниках питания, приводах двигателей и аудиооборудовании для предотвращения повреждений, вызванных пусковым током. Термистор — это термочувствительный резистор, сопротивление которого существенно и предсказуемо изменяется в результате изменения температуры. Сопротивление термистора NTC уменьшается с увеличением его температуры. ^[2]

Поскольку ограничитель пускового тока самонагревается, ток начинает течь через него и нагревать его. Его сопротивление начинает падать, и сравнительно небольшой ток заряжает входные конденсаторы. После того, как конденсаторы в источнике питания заряжаются, самонагревающийся ограничитель пускового тока оказывает небольшое сопротивление в цепи с низким падением напряжения по сравнению с общим падением напряжения в цепи. Недостатком является то, что сразу после выключения устройства резистор NTC все еще горячий и имеет низкое сопротивление. Он не может ограничить пусковой ток, если он не охлаждается в течение более 1 минуты для получения более высокого сопротивления. Другим недостатком является то, что термистор NTC не защищен от короткого замыкания.

Другой способ избежать пускового тока трансформатора - это «реле переключения трансформатора». Для этого не требуется время для остывания. Он также может справляться с полуволновыми провалами напряжения в линии электропередачи и устойчив к короткому замыканию. Этот метод важен для испытаний IEC 61000-4-11.

Другой вариант, особенно для цепей высокого напряжения , — использовать схему предварительной зарядки . Схема будет поддерживать режим предварительного заряда с ограничением по току во время зарядки конденсаторов, а затем переключаться в неограниченный режим для нормальной работы, когда напряжение на нагрузке составляет 90% от полного заряда.

Шип отключения

Когда трансформатор , электродвигатель , электромагнит или другая индуктивная нагрузка отключается, индуктор увеличивает напряжение на выключателе или выключателе и вызывает удлинение дуги. Когда трансформатор отключается на первичной стороне, индуктивный удар вызывает скачок напряжения на вторичной обмотке, который может повредить изоляцию и подключенную нагрузку. ^[3]

См. также

Пульсация (электрическая)

Ссылки

^ Ральф Фер, Промышленное энергораспределение , John Wiley & Sons, 2015 г. ISBN 1119065089 , страницы 8–73.
^ Термисторы NTC . Архивировано 10 июля 2008 г. на сайте Wayback Machine на сайте Climates.com.
^ «Инженер-электрик» . 1896.

Внешние ссылки

IEC 61000–4–30, Электромагнитная совместимость (ЭМС). Методы испытаний и измерений. Методы измерения качества электроэнергии. Опубликовано Международной электротехнической комиссией, 2003 г.

[1] Ральф Фер, Промышленное энергораспределение , John Wiley & Sons, 2015 г. ISBN 1119065089 , страницы 8–73.

[2] Термисторы NTC . Архивировано 10 июля 2008 г. на сайте Wayback Machine на сайте Climates.com.

[3] «Инженер-электрик» . 1896.

[1]

[2]

[3]