جریان هجومی

جریان هجومی به جریان مصرفی بار الکتریکی در لحظهٔ اتصال بار به منبع تغذیه گفته می‌شود. مقدار این جریان در وسایل مختلف متفاوت است به‌طوری‌که در یک ترانسفورماتور با هستهٔ آهنی (مثلاً در بالاست‌های سنتی لامپ‌های فلورسنت) می‌تواند بین ۵ تا ۱۰ برابر جریان نامی باشد که ناچیز تلقی می‌شود و در وسایل الکترونیکی مدرن مانند منابع تغذیه، ممکن است تا ۲۰ برابر جریان حالت عادی باشد. این جریان اغلب طول عمر کوتاهی دارد (در حد میلی‌ثانیه) با این وجود می‌تواند باعث عملکرد ناخواستهٔ مدارشکن‌ها شود.

نمونه‌ای از جریان هجومی گذرا در زمان اتصال یک بانک خازنی به شبکه.

جریان هجومی در وسایل مختلف

تجهیزات روشنایی

یک لامپ تخلیه به علت داشتن خازن اصلاح ضریب‌توان و نیز عمل یکسوسازی در لحظهٔ اتصال، جریان هجومی خواهد داشت؛ جریان هجومی خازن تنها حدود ۱٫۵ میلی‌ثانیه طول می‌کشد.

وجودجریان‌های هجومی در لامپ‌های التهابی مانعی برای استفاده از مدولاسیون پهنای پالس در آن‌ها است.

لامپ‌های رشته‌ای با رشتهٔ تنگستن در لحظهٔ اتصال جریان هجومی لحظه‌ای بسیار بالایی دارند. علت این جریان بالا این است که مقاومت سرد تنگستن بسیار پایین است. برای نمونه یک لامپ رشته‌ای ۱۰۰ وات در ولتاژ نامی خود حدوداً دارای مقاومت گرم ۱۴۴ اهم است، اما مقاومت سرد همین لامپ ۹٫۵ اهم است. بر این اساس جریان عملکرد عادی لامپ در ولتاژ ۱۲۰ ولت ۰٫۸۳ آمپر و جریان هجومی آن (که بر پایهٔ ولتاژ پیک ۱۷۰ ولت محاسبه می‌شود) ۱۷٫۹ آمپر خواهد بود. تقریباً ۶ سیکل (برابر ۰٫۱ ثانیه در فرکانس ۶۰ هرتز) زمان می‌برد تا جریان هجومی تا مقدار عادی خود افت کند. این موضوع باید در انتخاب کلید مناسب که کنتاکت‌هایش تحمل این جریان را داشته باشند در نظر گرفته شود.

موتورهای الکتریکی

جریان هجومی در زمان راه‌اندازی موتورهای الکتریکی می‌تواند باعث نوسان‌یافتن ولتاژ شبکه شود. برای جلوگیری از ایجاد مشکل برای وسایل الکترونیکی مجاور مانند رایانه‌ها باید این جریان فیلتر شود در غیر این صورت می‌تواند باعث چشمک‌زدنِ روشنایی‌ها یا در موارد شدیدتر راه‌اندازی مجدد رایانه‌ها شود. با استفاده از موتورهای سرعت‌متغیر می‌توان جریان هجومی را کاهش داد. اکثر موتورهای الکتریکی دارای دو جریان نامی هستند که توسط سازنده مشخص می‌شوند: جریان بار کامل یا همان جریان بار نامی و جریان روتور قفل‌شده، در موتورها اغلب به جریان روتور قفل‌شده جریان هجومی می‌گویند که عموماً ۵ برابر جریان نامی بار است ولی با توجه به کوتاه بودن مدت جریان داشتنش، معمولاً می‌توان آن را در محاسبات اندازهٔ سیم‌ها دخالت نداد. جریان هجومی در هر بار راه‌اندازی موتورها، باعث واردآمدن تنش روی بالشتک و سیم‌پیچ‌های موتور می‌شود.

میزان جریان هجومی موتور در انتخاب فیوز مناسب برای آن دارای اهمیت است و فیوزهای بدون تأخیر با توجه به جریان هجومی زیاد موتور مناسب نخواهند بود.

در ژنراتورهای القایی نیز برای غلبه بر مشکلات جریان هجومی از راه‌اندازی نرم استفاده می‌شود.

ترانسفورماتورها

اغلب ترانسفورماتورها در لحظهٔ آغاز به کار از ژنراتورها جریان هجومی می‌کشند که این جریان به عوامل گوناگونی بستگی دارد و در هر بار اتصال ترانسفورماتور به شبکه ممکن است متفاوت باشد. از جمله عوامل تأثیرگذار بر اندازهٔ این جریان، می‌توان به ظرفیت اتصال کوتاه و ولتاژ منبع نیز اشاره کرد.

در زمان کلیدزنی نیز ترانس به علت رخ‌دادن پدیدهٔ دوتاشدگی شار وارد حالت اشباع می‌شود و جریان تحریک شدیدی از شبکه می‌کشد. این جریان شدید گاهی تا ۱۰۰ برابر جریان حالت عادی ترانس بالا می‌رود که نیروی الکترومغناطیسی شدیدی بر سیم‌پیچ‌های ترانس وارد می‌کند و به همین علت سیم‌پیچ‌ها باید به خوبی مهار شده باشند. به این پدیده در ترانس‌ها پدیدهٔ هجوم جریان گفته می‌شود. در عمل به علت وجود خاصیت باقی‌ماندگی هسته، جریان هجومی از مقدار محاسبه‌شده روی کاغذ نیز بیشتر می‌شود. این جریان‌ها طی چندین ثانیه به تدریج کاهش می‌یابند تا اینکه به حالت پایدار سینوسی می‌رسند.

با فرض اینکه پیش از متصل‌شدن هستهٔ ترانس مغناطیس شده و دارای شار باقی‌ماندگی $B_{0}$ وبر بر متر مربع باشد، پش از متصل شدن ترانس به شبکه و با فرض مثبت و رو به افزایش بودن ولتاژ در لحظهٔ اتصال، طبق قانون القای فاراده شار ترانس با افزایش ولتاژ در آن افزایش می‌یابد و شار کل ترانس از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:

$B(t)={\frac {\phi (t)}{A}}={\frac {1}{NA}}\int _{0}^{t}e(t)dt+B(0)$

در صورتی که شار باقی‌ماندگی به اندازهٔ کافی زیاد باشد، روی منحنی B-H وارد ناحیهٔ اشباع خواهیم شد که با افزایش ناچیز B، مقدار H به شدت افزایش می‌یابد و بزرگ‌شدن $H(t)$ مطابق قانون مداری آمپر با بزرگ‌شدن $i(t)$ همراه خواهد بود. این مشکل تا چند سیکل ادامه می‌یابد.

جریان هجومی ترانس‌ها سینوسی نیست و دارای مؤلفهٔ دی‌سی بزرگی است. از آنجایی که جریان‌های هجومی عادی ترانس ممکن است در حد جریان‌های اتصال کوتاه زیاد باشند، در تدابیر حفاظتی ترانس باید روشی برای تشخیص این دو جریان از یکدیگر اندیشیده شود.

یکسوسازها

معمولاً یکسوسازها دارای روش‌های راه‌اندازی نرم هستند که مانع جریان هجومی بالا در لحظهٔ کلید زدن یسکوساز می‌شود. این جریان به علت استفاده از خازن در یکسوسازها می‌تواند بسیار بزرگ باشد و در صورت کنترل‌نشدن ممکن است موجب آسیب دیدن تجهیزات داخلی یکسوساز مانند دیودهای آن شود.

منابع تغذیه

برای کاهش جریان هجومی در منابع تغذیه، به‌ویژه در مواردی که توان مصرفی به حداکثر توان نامی شاخهٔ ورودی نزدیک باشد، از مدارهای راه‌اندازی نرم استفاده می‌شود. منبع تغذیه معمولاً خودشان از یک منبع دی‌سی یا ای‌سی تغذیه می‌شوند که در بیشتر موارد خط ورودی یک خط ای‌سی با فرکانس ۵۰، ۶۰ یا ۴۰۰ هرتز است. یکی از تست‌های اولیه روی این منابع بررسی میزان جریان هجومی ورودی به آن‌هاست. برای اندازه‌گیری دقیق جریان هجومی لازم است منبع ای‌سی آزمایش به گونه‌ای انتخاب شود که امپدانس آن در حد امپدانس منبعی که قرار است در عمل استفاده شود پایین باشد، در غیر این صورت جریان هجومی کمتری اندازه‌گیری خواهد شد. جریان هجومی را معمولاً در ۰ یا ۹۰ درجه اندازه‌گیری می‌کنند که این موضوع بستگی به استانداردهای مورد استفاده دارد. جریان ۹۰ درجه بدترین حالت ممکن است. پیش از انجام آزمایش تمامی خازن‌های واحد را دشارژ می‌کنند و بیشترین بار مجاز را در خروجی آن قرار می‌دهند. ولتاژ با اندازه، فرکانس و فاز معین به واحد اعمال می‌شود و جریان هجومی آن ضبط می‌گردد.

منابع تغذیهٔ سوئیچینگ

اگر تمهیداتی برای کنترل جریان ورودی توسط طراح در نظر گرفته نشود، منابع تغذیهٔ سوئیچینگ می‌توانند در زمان راه‌اندازی جریان هجومی با بشینهٔ بسیار بالا داشته باشند که حاصل شارژ شدن خازن‌های صافی است. خازن‌ها در زمان راه‌اندازی امپدانس بسیار پایینی در برابر جریان متناوب نمایش می‌دهند که عمومی برابر مقاومت معادل سری آنهاست. این جریان‌های ضربه‌ای در صورت کنترل‌نشدن می‌توانند تا صدها آمپر باشند. برای کنترل جریان هجومی در این منابع از ترکیب مقاومت -ترایاک یا ترمیستورهای دارای ضریب دمایی منفی استفاده می‌شود.

روش مقاومت-رله

در این روش رله‌ای که با یک مقاومت قدرت موازی شده، تا زمانی که رله عمل نکرده جریان به وسیلهٔ مقاومت محدود می‌شود، پس از مدتی رله بسته می‌شود تا مقاومت را از مدار خارج کند. در انتخاب رله‌ها باید به درجه‌بندی کنتاکت‌های آن‌ها توجه داشت. همچنین کنتاکت‌های رله‌ها به گرد و غبار حساسند و این موضوع می‌تواند مشکل‌ساز شود.

روش مقاومت-ترایاک یا مقاومت-اس‌سی‌آر

یک قطعهٔ حالت جامد می‌تواند نقش رله را بازی کند. این قطعه می‌تواند یک اس‌سی‌آر یا یک ترایاک باشد. در انتخاب رله‌ها باید به درجه‌بندی کنتاکت‌های آن‌ها توجه داشت. همچنین کنتاکت‌های رله‌ها به گرد و غبار حساسند و این موضوع می‌تواند مشکل‌ساز شود. یک مقاومت موازی‌شده با ترایاک، با خط تغذیه سری می‌شوند. پس از اینکه خازن‌های صافی ورودی شارژ می‌شوند ترایاک دو سر مقاومت را اتصال کوتاه می‌کند تا از مدار خارج شود. مسلم است که این روش نیاز به یک مدار آتش خواهد داشت که در لحظهٔ مناسب ترایاک را روشن کند. در طراحی باید به انتخاب چاههٔ گرما توجه داشت تا بتواند جریان ورودی را در زمان روشن‌بودن تحمل کند. بر خلاف رله‌ها که افت ولتاژ ندارند، نیمه‌هادی استفاده‌شده دارای افت در بایاس مستقیم خواهد بود. در انتخاب رله‌ها باید به درجه‌بندی کنتاکت‌های آن‌ها توجه داشت. همچنین کنتاکت‌های رله‌ها به گرد و غبار حساسند و این موضوع می‌تواند مشکل‌ساز شود.

روش ترمیستوری

در این روش ترمیستور ان‌تی‌سی می‌تواند روی خط جریان متناوب و خط جریان مستقیم (پس از پس یکسوساز) جای بگیرد. در لحظهٔ روشن‌شدن ان‌تی‌سی که هنوز سرد است در برابر جریان هجومی مقاومت می‌کند. با گرم‌شدن ترمیستور رفته‌رفته مقاومتش کاهش می‌یابد و در صورت انتخاب ترمیستور مناسب می‌توان از اثر ترمیستور در بازدهی کلی مدار منبع تغذیه صرف نظر کرد.

باید توجه داشت که ترمیستورها قطعات کندی هستند و در فرکانس‌های بالا می‌توانند موجب بروز ولتاژهای ضربهٔ مضر برای واحد شوند از این رو هنگام آزمایش منابع تغذیه‌ای که از این روش استفاده می‌کنند باید دقت کافی را مبذول داشت.

منابع تغذیهٔ بدون وقفه

جریان هجومی بر عملکرد منابع تغذیه بدون وقفه نیز تأثیرگذار است. یک منبع تغذیهٔ بدون وقفه معمولاً می‌تواند به مدت ۱ ثانیه تا دو برابر ظرفیتش جریان فراهم کند. جریان هجومی بارهای رایجی مانند رایانه‌های شخصی، بخاری‌های برقی، و لامپ‌های التهابی می‌تواند بین ۴ تا ۱۰ برابر جریان نامی و تا حدود ۶۰–۱۲۰ میلی‌ثانیه باشد. اگر همهٔ بارها هم‌زمان وارد شوند، یوپی‌اس احتمالاً بر اثر اضافه‌بار وارد حالت کنارگذر می‌شود. این موضوع در زمان قطع برق مسئله‌ساز می‌شود، برای نمونه اگر برق روشنایی اضطراری یک ساختمان از لامپ‌های تانگستن هالوژن—که دارای جریان هجومی بالایی هستند—تأمین شود، ممکن است در لحظهٔ قطع برق موجب اضافه‌بار یوپی‌اس و خاموشی کامل گردد. این عامل را باید در زمان انتخاب ظرفیت یوپی‌اس اضطراری در نظر گرفت. منابع تغذیهٔ بدون وقفه‌ای که یک موتور را تغذیه می‌کنند باید جریان هجومی را در نظر بگیرند.

جستارهای وابسته

• پسماند

منابع

• Glover, J. Duncan; Sarma, Mulukutla S.; Overbye, Thomas Jeffrey (2011). Power System Analysis and Design (به انگلیسی). Cengage Learning. Retrieved 2013-04-05.
• Mullin, Ray C. (2004). Electrical Wiring Residential: Based On The 2005 National Electrical Code (به انگلیسی). Cengage Learning. Retrieved 2013-03-31.
• Crandall, Earl (1997). Power supply testing handbook: strategic approaches in test cost reduction (به انگلیسی). Springer. Retrieved 2013-03-31.
• U.A.Bakshi, M.V.Bakshi (2009). Transformers & Induction Machines (به انگلیسی). Technical Publications. Retrieved 2013-03-30.
• Kularatna, Niahl (1998). Power Electronics Design Handbook: Low-power Components and Applications (به انگلیسی). Newnes. Retrieved 2013-03-30.
• Rashid, Muhammad (2011). POWER ELECTRONICS HANDBOOK (به انگلیسی). Elsevier. Retrieved 2013-03-30.
• Joshi, Hemant (2008). Residential, Commercial and Industrial Electrical Systems: Equipment and selection (به انگلیسی). Tata McGraw-Hill Education. Retrieved 2013-03-30.
• (ECA), Electrical Contractors' Association (2012). Guide to the IET Wiring Regulations: IET Wiring Regulations (BS 7671:2008 incorporating Amendment No 1:2011) (به انگلیسی). John Wiley & Sons. Retrieved 2013-03-30.
• Whitman, William C.; Johnson, William M.; Tomczyk, John A. (2005). Refrigeration & Air Conditioning Technology (به انگلیسی). Cengage Learning. Retrieved 2013-03-30.