Curent de pornire (inrush current), val de curent pe intrare (input surge current) sau val de curent la comutare (switch-on surge) se referă la curentul maxim de intrare, absorbit instantaneu de un dispozitiv sau aparat electric la prima pornire. Firmele producătoare de surse de alimentare, în special, specifică nivelul curentului la pornire (inrush current), dar majoritatea aparatelor electronice nu au specificat nivelul acestui curent inițial care are nivele neașteptat de mari într-un timp foarte mic. De exemplu, o rezistență electrică de încălzire sau un bec, pot absorbi curenți mari de vârf la prima pornire, până când va crește rezistența cu temperatura, limitând curentul la o valoare mai mică. Motoarele electrice și transformatoarele pot absorbi un curent mai mare de mai multe ori decât curentul nominal, la prima punere sub tensiune, pentru câteva cicluri de undă ale puterii de intrare.
Sursele de alimentare cu comutare sau convertoarele de putere, au de asemenea, curenții de pornire mult mai mari decât curenții din starea de echilibru, din cauza curentului de încărcare a unor condensatoare de pe intrare. Selecția de dispozitive de protecție la supracurent, cum ar fi siguranțe și întrerupătoare de circuit este mai complicată dacă curenții mari de vârf trebuie tolerați, fiindcă dispozitivele care au și protecție la supracurent, trebuie să reacționeze rapid la depășiri de limite ale curentului la ieșire, fără să întrerupă circuitul la pornire din cauza curentului de vârf. Uneori se poate auzi chiar un zgomot la pornire datorită acestui val de energie care intră în componente și le poate deforma mecanic. Există mai multe opțiuni pentru componente și scheme care pot limita curentul de vârf. Două variante de protecție frecvent utilizate sunt: (1) termistoare NTC (coeficient de temperatură negativ) sau (2) scheme de circuite active. Cea mai potrivită tehnică de suprimare a curentului de vârf pentru o anumită aplicație depinde de: tipul de componente ce preiau primul șoc de curent, preț, nivelul de putere al echipamentului, precum și de frecvența pornirilor/ opririlor la care ar putea fi expus un echipament prin curenții de pornire.
Tipuri de sarcini care absorb curenți mari la pornire
Transformator
La cuplarea unui transformator la o sursă de alimentare cu putere, un curent tranzitoriu de 10 … 50 ori mai mare decât curentul nominal prin transformator poate curge timp de mai multe cicluri. Cauza curentului de pornire de o asemenea magnitudine este, de obicei, saturarea materialului magnetic de bază.
Transformatoarele toroidale au o rezistență mai mică a înfășurărilor pentru transferul de putere, astfel că pot avea până la 60 de ori curent de pornire.
Situația cea mai nefavorabilă este atunci când înfășurarea primară este conectată la alimentare la un moment când tensiunea primară trece prin zero, ceea ce corespunde, pentru o inductanță pură, datorită defazajului, la curentul maxim într-o perioadă AC și dacă remanența miezului magnetic a rămas mare din jumătatea ciclului precedent. Odată ce miezul se saturează, inductanța înfășurării apare foarte redusă, și numai rezistența înfășurărilor primare și impedanța liniei de alimentare limitează curentul. Dacă saturarea apare doar în a doua jumătate a ciclului, forme de undă bogate în armonice pot fi generate și pot cauza perturbații la alte echipamente. În transformatoare mari, cu rezistență scăzută a înfășurării și inductanță mare, acești curenți de pornire pot dura câteva secunde până când regimul tranzitoriu se stinge (timpul de degradare este proporțional cu raportul XL/R) și echilibrul normal AC este stabilit. Pentru a evita șocul de curent, la transformatoare cu un strat de aer în miez, sarcina inductivă trebuie sincron conectată aproape de trecerea tensiunii de alimentare prin valoarea de vârf, în contrast cu comutare la trecerea tensiunii prin zero, necesară când sunt sarcini rezistive, ca încălzitoare de mare putere. Pentru transformatoare toroidale doar o procedură de premagnetizare înainte de a porni permite pornirea acestor transformatoare, fără vârf de curent.
Motor electric
Atunci când un motor electric, DC sau AC, este energizat prima dată, rotorul nu se mișcă și va curge un curent mai mare de 5 … 10 ori decât cel absorbit în regim normal de rotație, pentru a învinge inerția și a începe să se rotească. După ce se dezvoltă forța electromagnetică (EMF) curentul se stabilizează la o valoare normală, mai mică. Motoarele asincrone AC se comportă ca transformatoare cu un secundar scurtcircuitat, până când rotorul începe să se miște, în timp ce motoarele cu perii prezintă, în esență, rezistența înfășurării. Pentru motoare de mare putere, configurația înfășurărilor poate fi schimbată (conexiune stea la început și apoi conexiune triunghi) la pornire pentru a reduce curentul absorbit. Durata tranziției de pornire este mai mică dacă motorul este eliberat de sarcina mecanică (similar cu decuplarea motorului de autovehicul prin ambreiaj, la pornire), până când motorul a accelerat.
Condensator de capacitate mare
Curenții de încărcare a componentelor capacitive sunt de 20 … 50 ori mai mari și pot cauza degradarea caracteristicilor electrice și fizice ale acestora. Prin conectarea la o sursă de putere DC, brusc, sub forma unei trepte de tensiune, începe încărcarea condensatorului cu un curent de vârf și se termină cu o degradare exponențială până la starea de echilibru. În cazul în care magnitudinea acestui vârf este foarte mare în comparație cu valoarea maximă suportată de componentă, apare un stres. Variația de curent prin condensator este dată de relația: I= C (dV/dt), deci curentul de vârf va crește proporțional cu valoarea capacității și cu viteza de variație a tensiunii sursei de alimentare. Astfel, pentru C= 4700µF, cuplat la 12Vdc, în 2 ms apare un curent de vârf I = 28,2A.
Releu și solenoid
Un releu absoarbe un curent de 2…3 ori mai mare, iar un solenoid într-un element de execuție electromagnetic, de circa 10 ori mai mare.
Rezistențe de încălzire și becuri cu filament
Aceste componente pornesc din starea rece, cu rezistență mică, apoi absorb curenți mari de vârf de 10 … 15 ori la prima pornire, până când va crește rezistența cu temperatura.
Rezistor
Curentul printr-un rezistor nu are niciun vârf la conectare.
Notă. Datele referitoare la nivelele curenților de pornire sunt de la VPT, Inc., lider global în soluții aplicate de conversia puterii pentru uz în domeniile aviatic, militar și spațial. www.vptpower.com
Protecția
Curentul de vârf poate fi redus cu limitatoare de curent. Nu există o soluție care poate fi cea mai bună în orice aplicație, dar limitarea trebuie să existe. Protecția se alege în funcție de energia care trebuie absorbită inițial de un dispozitiv. De exemplu, un condensator are energia EC = CU2 /2, iar o bobină are energia EL = LI2 /2. Fiecare abordare are propriile avantaje și dezavantaje. Sursele de alimentare cu puteri mai mari de 200W necesită limitatoare de curent de vârf. Curentul nelimitat ce poate ajunge la zeci și chiar la sute de amperi și poate deteriora redresorul de pe intrare, poate activa o siguranță, poate arde inductoare din filtrul de pe intrare și circuitul PFC (de corecție al factorului de putere), poate distruge condensatoare de filtrare.
Protecția se realizează cu diverse componente.
1. Termistoarele care au coeficient negativ de temperatură (NTC), sunt componente frecvent utilizate în surse de alimentare cu comutare, aparate ce conțin motoare și echipamente audio, pentru a preveni deteriorarea cauzată de curentul mare la conectare. Un termistor NTC este un rezistor sensibil, a cărui rezistență scade previzibil când temperatura sa crește. Rezistența scade cu un factor de 10 … 50, variind proporțional și puterea absorbită. În prima fază rezistența sa e rece și limitează vârful inițial de curent.
Deoarece curentul de pornire parcurge termistorul și îl încălzește, rezistența începe să scadă și fluxul de curent crește și încarcă condensatoarele de intrare. După ce condensatoarele din sursa de alimentare devin încărcate, limitatorul oferă în continuare, o mică rezistență în circuit datorită încălzirii prin șocul de curent, dar cu o cădere de tensiune redusă în raport cu căderea de tensiune totală a circuitului.
O formă aparte de inrush current este curentul continuu excesiv sau de scurtcircuit într-un echipament datorită condensatoarelor sau semiconductoarelor de putere ce se defectează brusc. Pericolul este înlăturat de termistoare PTC EPCOS conectate în serie. Curentul în exces va încălzi termistorul PTC (cu coeficient de temperatură pozitiv) graduat, va crește rezistența și va limita curentul. Practic, aceste componente ceramice sunt siguranțe auto-resetabile: când se răcesc trec în stare conductivă cu rezistență mică.
Un avantaj al termistoarelor NTC față de circuitele active pentru limitarea curentul de vârf este costul mic al componentelor, răspunsul la temperatură, stabilitate ridicată și fiabilitate excelentă.
Dezavantajele sunt: (1) nu se poate limita imediat curentul la nouă cuplare decât, dacă se răcește timp de zeci de secunde, pentru a crește rezistența. Acest timp de creștere a rezistenței depinde de mărimea termistorului, modul de montare și de temperatura ambiantă; (2) termistorul NTC poate ajunge să fie scurtcircuit, fără a
se ști starea.
(3) termistorul reprezintă un rezistor în serie cu linia de alimentare utilizat pentru a limita curentul în condensatorii de intrare, dar această abordare nu este foarte eficientă, în dispozitive de mare putere, deoarece pe rezistor va fi o cădere de tensiune și se va disipa o anumită putere. Deci alegerea va ține cont de căderea de tensiune tolerată.
Statistici actuale în industrie indică faptul că termistoarele NTC cuprind în prezent mai mult de 90% din piața de componente pentru acest scop, fiindcă au preț mic, ocupă spațiu redus și necesită timp mic de montare.
2. Circuit de pre-încărcare este o altă opțiune, în special pentru circuitele de înaltă tensiune. Circuitul va asigura un curent de pre-încărcare, limitat la timpul de încărcare al condensatoarelor și apoi se trece la un curent nelimitat (dar considerat acceptabil) pentru funcționarea normală, când tensiunea de încărcare este de 90% din încărcarea completă.
3. Scheme active de limitare a curentului includ de obicei, puține componente: triace, tiristoare și rezistoare și au avantajele simplității în suprimarea curentului de vârf. Există unele situații în care un circuit activ poate oferi o soluție mai potrivită, fiindcă schemele active au puterea proprie disipată mai mică decât limitatoarele de curent cu NTC, la puteri mai mari ale aparatelor protejate, de peste 300W și permit porniri-opriri repetate și imediat.
4. Releu electronic pentru pornire soft, este cea mai bună metodă de a se porni alimentarea pe transformatoare și alte sarcini saturabile, extrem de inductive.
Se bazează pe un dispozitiv care sesizează o tensiune de vârf și face comutarea. Acest dispozitiv nu are nevoie de timp pentru a se răci. Dispozitivele SSR (Solid State Relay) de comutare de tip zero-crossover sunt excelente pentru sarcini rezistive, capacitive și sarcini inductive mici. Procedura de pornire soft trebuie utilizată mai ales la porniri dese de sarcini inductive, unde limitările evită declanșarea siguranțelor.
5. Combinație de termistoare NTC și circuite active. Nu este o tehnică universală pe care inginerii să o poată folosi pentru a elimina problemele ridicate de timpul de răcire necesar pentru ca limitatoarele de curent vârf să revină la nivelul inițial de rezistență. În esență, aceasta implică proiectarea unei protecții în care circuitul de limitare să fie scos din funcție după ce a efectuat limitarea.
Toate componentele circuitului de protecție sunt în serie cu linia de intrare. Prin scoaterea din circuit, după ce creșterea inițială a trecut, termistorul pot să se răcească, pentru a fi gata să răspundă la o creștere ulterioară, la o nouă repornire.
Această tehnică necesită adăugarea fie a unui releu, fie a unui triac în paralel cu limitatorul de vârf de curent, plus circuitele necesare de control. După ce curentul de cuplare a fost absorbit de termistor, atunci un triac sau un releu se închide, renunțând la termistorul din circuit, permițându-i să se răcească și recapete rezistența inițială, fiind gata să ofere iar protecție la curentul de vârf. Cea mai simplă metodă de a alimenta aceste componente este de la sursa de alimentare în sine.
Criterii de selectare corectă a limitatoarelor de curent:
a) disipația minimă de putere la solicitarea maximă de curent cerut la pornire.
b) curentul maxim în regim continuu DC sau AC rms, după faza de pornire, la temperatura ambiantă maximă.
c) nivelul considerat normal, la care trebuie redus curentul de pornire, la temperatura de lucru de 25°C, respectiv rezistența la 25°C.
d) capacitatea maximă ce trebuie comutată.
Rezistența efectivă pentru schimbări uzuale ale curentului poate fi aproximată cu formula:
RNTC = k × In [Ω],
unde 0.3 × Imax < I ≤ Imax
k, n, B – parametri ai NTC
I – curentul continuu prin NTC
Caracteristicile termistoarelor NTC EPCOS ICL
• Certificat QS9000
• Aprobat UL (E69802)
• Fiabilitate ridicată (IEC 68-2-2, 68-2-3, 68-2-14)
• Gamă largă, toleranța R ±10%
• Capabilitate mare de absorbție a energiei la pornire
• Putere mică disipată în regim normal
• Configurații diferite de terminale
Nota 1.
Elementele de circuit R, L, C se comportă diferit la aplicarea bruscă a tensiunii de alimentare DC.
La conectarea bruscă de tensiune DC, inductanța (L) și capacitatea (C) se comportă diferit:
– în L: tensiunea crește brusc, iar curentul crește cu întârziere
– în C: curentul crește brusc, iar tensiunea crește cu întârziere
Nota 2.
Elementele de circuit R, L, C se comportă diferit la aplicarea tensiunii de alimentare la rețeaua AC.
La conectarea la rețeaua AC inductanța (L) și capacitatea (C) se comportă diferit:
– în L: curentul este în urmă cu 90° față de tensiune
– în C: tensiunea este în urma cu 90° față de curent
Detalii la: www.learnabout-electronics.org
ECAS
ELECTRO este distribuitor autorizat al produselor EPCOS:
Capacitoare aluminiu, Capacitoare film, Capacitoare de putere, Ferite, Filtre absorbante de curenţi mari, Inductoare, Supresoare ceramice pentru tensiuni tranzitorii, Termistoare NTC, Termistoare PTC, Transformatoare, Varistoare.
www.epcos.com
www.ecas.ro
Autor:
Ing. Emil Floroiu
ECAS ELECTRO
emil.floroiu@ecas.ro
www.ecas.ro