جریان هجومی چیست؟ – به زبان ساده

جریان هجومی (Inrush Current) حداکثر جریانی است که یک مدار الکتریکی در لحظه وصل شدن متحمل می‌شود. این جریان در تعداد کمی از سیکل‌های شکل موج ورودی ظاهر می‌شود. مقدار جریان هجومی بسیار بزرگ‌تر از جریان حالت مانای مدار است و این جریان زیاد می‌تواند سبب آسیب رساندن به تجهیزات یا فعال شدن بریکر (مدارشکن) شود. جریان هجومی عموماً در همه تجهیزاتی که هسته مغناطیسی دارند، مانند ترانسفورماتورها، موتورهای صنعتی و... وجود خواهد داشت. جریان هجومی به عنوان «جریان خیز ورودی» (Input Surge Current) یا «جریان خیز روشن شدن» (Switch-On Surge Current) نیز شناخته می‌شود.

عوامل مختلفی وجود دارند که سبب ایجاد جریان هجومی می‌شوند؛ مثلاً تعدادی از دستگاه‌ها یا سیستم‌ها که شامل خازن جداساز یا خازن هموارساز هستند و برای تغییر آن‌ها جریان زیادی می‌کشند. شکل زیر تفاوت بین جریان هجومی، جریان پیک و جریان حالت مانای یک مدار را نشان می‌دهد.

جریان پیک (Peak Current): حداکثر مقدار جریان یک شکل موج، چه منفی و چه مثبت، است.

جریان حالت مانا‌ (Steady-State Current): به عنوان جریانی تعریف می‌شود که در هر بازه زمانی در مدار ثابت باقی می‌ماند. جریان حالت مانا وقتی حاصل می‌شود که $$di / dt = 0$$. این بدین معناست که جریان نسبت به زمان بدون تغییر باقی می‌ماند.

مشخصه‌های جریان هجومی عبارتند از:

• به صورت لحظه‌ای و وقتی که دستگاه روشن می‌شود اتفاق می‌افتد.
• برای مدت کوتاهی ظاهر می‌شود.
• بالاتر از مقدار نامی مدار یا دستگاه است.

چند مثال از مواردی که در آن‌ها جریان هجومی رخ می‌دهد، به شرح زیر هستند:

• لامپ رشته‌ای
• راه‌اندازی موتور القایی
• ترانسفورماتور
• روشن شدن منابع تغذیه سوئیچینگ

جریان هجومی در ترانسفورماتور

جریان هجومی ترانسفورماتور به عنوان حداکثر جریان لحظه‌ای کشیده شده توسط ترانسفورماتور (وقتی که ثانویه بدون بار بوده یا در شرایط مدار باز باشد) تعریف می‌شود. این جریان هجومی به مشخصه مغناطیسی هسته آسیب وارد کرده و سبب عمل کردن ناخواسته بریکر ترانسفورماتور می‌شود.

فیلم آموزش ماشین های الکتریکی ۱ – مرور و حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

اندازه جریان هجومی به نقطه‌ای از شکل موج AC بستگی دارد که در آن ترانسفورماتور شروع به کار می‌کند. اگر ترانسفورماتور (در حالت بی بار) شروع به کار کند، در حالی که ولتاژ‌ AC در حال عبور از صفر باشد، آنگاه مقدار جریان هجومی بسیار بالا بوده و از جریان اشباع عبور می‌کند.

جریان هجومی در موتورها

موتورهای القایی، مشابه ترانسفورماتورها، مسیر مغناطیسی پیوسته‌ای ندارند. رلوکتانس موتور القایی به دلیل فاصله هوایی بین روتور و استاتور بالا است. به دلیل این رلوکتانس بالا، موتور القایی به جریان مغناطیس‌کنندگی بالایی برای تولید میدان مغناطیسی گردان در راه‌اندازی نیاز دارد. شکل زیر، مشخصه راه‌اندازی موتور را نشان می‌دهد.

همان‌طور که در شکل می‌بینیم، جریان و گشتاور راه‌اندازی، هر دو، در لحظه شروع بسیار زیاد هستند. این جریان راه‌اندازی بالا، که به عنوان جریان هجومی شناخته می‌شود، می‌تواند به سیستم الکتریکی خسارت وارد کند و گشتاور بالای اولیه نیز می‌تواند بر سیستم مکانیکی موتور تأثیرگذار باشد. اگر ولتاژ اولیه را به اندازه ۵۰ درصد کاهش دهیم، آنگاه گشتاور موتور ۷۵ درصد کاهش می‌یابد. بنابراین، برای غلبه بر این مسائل، مدارهای تغذیه توان با راه‌اندازی نرم (یا همان سافت استارترها) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

محدود کردن جریان هجومی

باید همواره جریان هجومی در موتورهای القایی، ترانسفورماتورها و مدارهای الکترونیکی را که شامل سلف، خازن یا هسته مغناطیسی هستند، در نظر بگیریم. همان‌طور که قبلاً گفتیم، جریان هجومی حداکثر جریان پیکی است که در سیستم اتفاق می‌افتد و ممکن است دو تا ده برابر مقدار جریان نامی باشد. این جریان ناگهانی ناخواسته، هر بار که رخ دهد، می‌تواند به تجهیزاتی مانند ترانسفورماتورها آسیب بزند و در مدارشکن‌ها موجب تریپ شود. تنظیم تلورانس بریکر می‌تواند به مقابله با جریان هجومی کمک کند، اما اجزای آن باید در مقدار پیک هجومی مقاومت کنند.

در مدارهای الکترونیکی، برخی اجزا مشخصاتی دارند که می‌توانند در بازه کوتاهی در مقابل جریان‌های هجومی زیاد مقاومت کنند، اما اگر مقدار جریان هجومی بسیار زیاد باشد، برخی اجزا بسیار داغ شده یا آسیب می‌بینند. بنابراین، هنگامی که یک مدار الکترونیک یا PCB را طراحی می‌کنیم، بهتر است از یک مدار محافظ در برابر جریان هجومی استفاده کنیم.

برای محافظت در برابر جریان هجومی، می‌توانیم از یک دستگاه اکتیو یا پسیو استفاده کنیم. انتخاب نوع حفاظت به فرکانس جریان هجومی، عملکرد، هزینه و قابلیت اعتماد بستگی دارد.

مثلاً می‌توان از یک ترمیستور NTC (ضریب دمایی منفی) استفاده کرد که یک قطعه پسیو است و مانند یک مقاومت الکتریکی کار می‌کند که مقاومت آن در دمای پایین بسیار بالاست. ترمیستور NTC به صورت سری با خط ورودی منبع تغذیه قرار می‌گیرد. این قطعه در دمای عادی محیط مانند یک مقاومت بسیار بزرگ عمل می‌کند. بنابراین، وقتی از این قطعه استفاده کنیم، مقاومت بالای آن جریان هجومی را محدود می‌کند. وقتی جریان به طور مداوم برقرار باشد، دمای ترمیستور بالا رفته و و مقاومت آن به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. بنابراین، ترمیستور جریان هجومی را پایدار کرده و اجازه عبور جریان حالت مانا در مدار را می‌دهد. ترمیستور NTC، به دلیل طراحی ساده و هزینه کم، استفاده گسترده‌ای در محدودسازی جریان دارد. ترمیستور البته معایبی نیز دارد، مانند اینکه در شرایط آب‌وهوایی بحرانی نمی‌توان به عملکرد آن اطمینان کرد.

تجهیزات اکتیو گران‌تر هستند و اندازه سیستم یا مدار را افزایش می‌دهند. این تجهیزات از بخش‌های حساسی تشکیل شده‌اند که جریان ورودی زیاد را سوئیچ می‌کنند. برخی از تجهیزات اکتیو عبارتند از: سافت استارترها، رگولاتورهای ولتاژ و مبدل‌های DC/DC.

این دستگاه‌ها برای محافظت یک سیستم الکتریکی و همچنین مکانیکی با محدود کردن جریان هجومی لحظه‌ای به کار می‌روند. نمودار شکل بالا مقدار جریان هجومی را با وجود مدار محافظ و بدون آن نشان می‌دهد. تأثیر محافظت در برابر جریان هجومی در این شکل کاملاً مشخص است.

اندازه‌گیری جریان هجومی

احتمالاً دوچرخه را دیده‌اید که برای حرکت دادن آن دوچرخه‌سوار باید نیرویی را به کار گیرد. هنگامی که دوچرخه شروع به حرکت کند، نیروی مورد نیاز کاهش می‌یابد. این نیروی اولیه همان معادل جریان هجومی است. به طور مشابه، در موتورها، هنگامی که روتور شروع به حرکت کرد، به حالت پایدار می‌رسد و در این حالت نیازی به جریان زیاد برای کار کردن آن نیست.

ابزاری به نام کلمپ‌متر (مولتی‌متر) وجود دارد که با استفاده از آن‌ می‌توان جریان هجومی را اندازه‌گیری کرد.

مراحل اندازه‌گیری جریان هجومی با کلمپ‌متر به شرح زیر است:

• دستگاه تست شده باید ابتدا خاموش باشد.
• سلکتور را روی $$\text{Hz}-\tilde{A}$$ قرار دهید.
• سیم را درون چنگک قرار دهید.
• مطابق شکل بالا، دکمه جریان هجومی را روی کلمپ‌متر فشار دهید.
• دستگاه را روشن کنید. نمایشگر کلمپ‌متر، مقدار جریان هجومی را نشان خواهد داد.

اگر این مطلب برایتان مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های مهندسی قدرت
• آموزش ماشین‌های الکتریکی ۲
• مجموعه آموزش‌های مهندسی برق
• آموزش الکترونیک صنعتی و مبدل ها
• انواع اینورترهای خورشیدی — به زبان ساده
• منبع تغذیه سوئیچینگ — به زبان ساده
• اینورتر منبع امپدانس (Z-source Inverter) — از صفر تا صد

^^