暗一下 的電燈 -原來是湧浪電流 Inrush Current 在作怪

發動汽車的時候,燈光會有 暗一下 的現象,車內音響的背光面板也會暗了一下;同樣的現象也會發生在工廠,大型機具啟動時,周遭的日光燈也會同時 暗一下 ,這到底是為何? 今天就來討論一下機電裝置啟動瞬間特有的怪現象。

湧浪電流 Inrush Current

其實機電裝置啟動時所產生的怪現象,是源自於啟動時的瞬間大電流,稱為湧浪電流Inrush Current,至於產生的原因我後面會講到,但我想要先從日常經驗說起。

各位可以回想一下使用飲水機的經驗,當按出的水柱第一次碰到半滿的水時,水面是不是都會有水花濺起? 這些濺起的水花跳得又高又遠,但存在時間很短,在機電領域的這種現象就稱為湧浪電流Inrush Current,而且是特別針對第一次上電來定義。

接著當水流持續注入水杯時,水面與水流的接觸面非常的穩定,看起來就像一支透明的吸管插在水面上,水面也幾乎沒有漣漪,這就是穩定狀態,在科學上稱為穩態Steady State。

但當水流即將結束時,最後一道水柱的末端沒入水面的瞬間,又會再次濺起水花,以電子電路來說,電源斷開Open之後,就不會再有電流了,雖然斷電瞬間沒有電流了,但是卻有可能產生很高的電壓,因此斷電時會在開關的接點處產生火花。

其實說穿了就是自然界是一個連續的世界,它需要循序漸進,就算是0與1的數位電路,它的實體仍然是類比電路,並不會在某個時間點上,突然從0V就跳躍成5V,它中間一定會經過0.1V、0.2V之類的電壓,差別只有時間快慢而已。如果電壓很快的從0V衝到5V的電路,一定會有衝過頭的問題,所以你會看到有人討論Overshoot現象,甚至會伴隨有震盪現象Ringing。而針對電路第一次上電時所發生的大電流現象,就稱為Inrush Current。

至於剛才我講電壓是連續的這件事情,我只就宏觀的角度來看它是連續的,如果要探究到更細進入量子領域,可能會有不同看法,這部分我不是專家就先擱著了。

為何電燈會 暗一下

馬達或變壓器在運轉啟動的瞬間所產生的湧浪電流,如下圖的綠色箭頭所示。雖然這個湧浪電流並沒有流經隔壁並聯的燈泡,但由於電流實在太大,這會讓我們不得不考慮銅線的電阻,因為以往我們都不考慮銅線的電阻,完全把銅線電阻當作是0,但現在不行了,因為電流太大。

馬達的湧浪電流會讓電燈 暗一下
馬達的湧浪電流會讓電燈 暗一下

假設湧浪電流是100A,銅線的電阻為0.1 ohm,雖然這種小小小電阻平常你感覺不到它的存在,但只要電流變大,它就會產生壓降,以我們的例子來說100A就會產生V=100*0.1=10V的壓降,如果電源接點有髒汙接觸不良,壓降又更大了。所以隔壁A點的電燈,就會在馬達啟動的瞬間短少了10V,表現出來的症狀就是會 暗一下。

人是習慣的動物,恆亮或恆暗的燈泡你一定都沒感覺,但只要在同一個時間點交替出現這兩個亮暗的狀態,你馬上就會感覺不太舒服,甚至會感到害怕。其實對燈泡來說,它只是那一瞬間電壓變少而已,並不會怎樣。

對於馬達本身與它的供電線路來說,你則要考慮線路的電流容量是否能承載瞬間的湧浪電流,只要在那零點幾秒的時間之內,電線不會發燙甚至融掉,基本上都還好,電線如果會融掉就表示你的電線變成保險絲了,這很危險。

我猜應該有人會問,那能不能從根本著手,在設計上就直接消除馬達的湧浪電流? 答案是不行,任何馬達一定都有湧浪電流存在,這是一種自然現象,你只能在使用上盡量減少湧浪電流,但無法完全消除它。

湧浪電流 的產生

湧浪電流的產生有兩種,第一種是線圈類的裝置,例如馬達、變壓器;第二種是電容類的裝置,也就是負載的電容,通常這種電容會安裝在電源輸入端,我接下來將分幾段來敘述。

馬達

馬達是靠著電磁感應來帶動轉軸的裝置,當馬達穩定旋轉的時候,內部的轉子會產生感應電流,同時也會因旋轉而切割磁場,因此線圈會產生一個反向感應電動勢Back EMF,這個反向電動勢會抵抗輸入的電壓。或是你也可以想像馬達在旋轉時本身也像一台發電一般,會產生電壓電流與外界反抗。所以馬達的線圈在穩定運轉時所接受的電壓,其實比實際輸入的電壓要低,所以電流也會比較低,這個電流稱為穩態電流,如下圖電流方均根為427.8mA,電流峰值達約為1.414倍,也就是605mA,等會你會看到實際的湧浪電流,就可以比較。

電風扇的穩態電流
電風扇的穩態電流

但是當馬達剛開始上電時,轉子是靜止的,處於正要啟動的時刻,在這個時刻轉子沒有旋轉,也就沒有切割磁場的現象,當然也沒有反向電動勢,因此馬達的線圈在此時所接受的電壓,就會等於實際輸入的電壓,此時的電流會高於穩定運轉時的電流,可能5倍甚至更高,一但馬達開始運轉,就會如前一段的說明,電流受到Back EMF阻擋便會開始下降。

而剛上電時的那個大電流,便稱為湧浪電流 Inrush Current,意思就是只有上電那一瞬間會產生的大電流。下圖就是我實際測量電風扇馬達上電瞬間的湧浪電流,約有1.856A,你可以在最左邊看到一個峰值電流。

電風扇馬達的湧浪電流,電流夠大就會讓燈泡 暗一下
電風扇馬達的湧浪電流

變壓器

變壓器上電的那一瞬間,湧浪電流是否出現會視一次側的起始電壓而定, 如果一次側的電壓剛好是從弦波的0V開始爬升的話,鐵蕊會產生幾乎兩倍的磁通量,這會讓鐵蕊的磁通量趨近飽和,搭配上鐵蕊的磁滯曲線特性,便會迅速產生好幾倍的電流,這種突然很大的電流就稱為湧浪電流。

至於為何會有兩倍的磁通量,各位可以參考這兩篇文章Transformer Inrush Current以及Study on Power Transformer Inrush Current。下面是我直接做電路模擬的接線方式,直接模擬總是比較有感覺,我用一個電感來當作變壓器的一次側,電阻則是一次側線圈的寄生電阻。

變壓器一次側的模擬電路
變壓器一次側的模擬電路

下圖就是模擬的結果,如果電壓從0V開始爬升,經過變壓器一次側的電流會衝到最高,理論值會是2倍電流。我這套軟體沒辦法模擬非線性的磁滯曲線,所以用電感來代替,最厲害也只能模擬出大約2倍的電流。

以我這個電路來說,湧浪電流是77A,由於線圈有內阻於是電流峰值慢慢降為40A。如果電阻設為0,電流峰值會永遠是82A,大概就在80A上下,大約是40A的兩倍。

變壓器的湧浪電流也會讓電燈 暗一下
變壓器的湧浪電流會也讓電燈 暗一下

輸入電容

幾乎所有電源在輸入端都會並聯一個電容,若電容裡面的電荷是空的,那麼剛上電的瞬間,會有相當大的電流往電容裡面灌,這也是湧浪電流。

電容會造成開電瞬間的 湧浪電流
電容會造成開電瞬間的 湧浪電流

看如下的電路模擬結果,上電瞬間確實有很大的電流產生。你如果插LED燈泡來觀察的話就會看到這個現象,文章開頭的影片裡面就有拿LED燈泡來實際測量。

電源的輸入電容造成 湧浪電流
電源的輸入電容造成 湧浪電流

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Transformer Inrush Current
Study on Power Transformer Inrush Current

2 Comments

  1. 請問一下
    有Zero cross功能的SSR照理說不是在交流電為0V時導通
    為什麼控制電阻負載時,也還是會閃一下

    • 我猜你說的負載是加熱棒,這是我唯一能想得到的大電流電阻性負載
      但可惜我沒用過, 所以以下回答純屬嘴砲推測
      雖然加熱絲本身是電阻性大於電感性(只要有長度,導線本身都會有電感存在),但在加熱棒內為了增加發熱量,加熱絲通常會以圈繞的方式製作,因此會形成電感,只要大電流通過,Inrush就會很明顯。

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