环形变压器上电浪涌电流抑制热敏电阻阻值选用及功率选择-华巨电子

变压器在通电瞬间会产生一个很大的电流尖峰叫浪涌电流，这种输入浪涌电流的出现原因是：当变压器电源在正弦输入电压的过零点起动时，变压器磁芯的磁化在前几个周期中被迫进入一种不平衡状态。结果，磁芯在每个半周饱和。而在此时，产生的励磁电流仅由较小的漏电感寄生电阻来抑制，这会产生很大的输入浪涌电流。

浪涌电压/电流产生的原因

1、变压器空载合闸瞬间会产生特别大的电流，叫励磁浪涌，检测励磁浪涌有两种方式：

峰值励磁浪涌（Peak Inrush Current）和均方有效值浪涌（RMS Inrush Current）

a）、峰值励磁浪涌（Peak Inrush Current）:  指变压器在合闸瞬间产生的最大峰值电流；

b）、均方有效值浪涌（Rms Inrush Current）：指变压器在合闸过程中一个或几个（FLUK435测试仪标定为第一个浪涌波形25ms）的均方有效值；

2、一般变压器励磁浪涌衰减很快，第五个波形就达到稳态，这样，峰值励磁浪涌和均方有效值浪涌差别很大，对供电系统设备的影响也不同，不同的供电网络设备考虑浪涌模式是不同的：

a）、峰值励磁浪涌（Peak Inrush Current）:  主要考虑供电网络电压畸变的考量依据

b）、均方有效值浪涌（Rms Inrush Current）：是变压器上游开关跳闸和上游熔丝和继电器选择的主要考量依据

3、合闸浪涌的测试

合闸浪涌测试最真实数据是在使用现场合闸，利用FLUK435捕捉浪涌（Peak或Rms）信号,有些变压器厂家提供的出厂合闸浪涌测试数据，和使用现场的测试数据差别非常大，造成用户合闸使用时，上游开关跳闸，系统电压畸变超标，这是因为设计变压器时没有考虑到实际现场的供电参数，而且没有考虑峰值励磁浪涌（Peak Inrush Current）的数据，以及均方有效值浪涌（Rms Inrush Current）和峰值励磁浪涌（Peak Inrush Current）两组数据之间的最佳比例。

4、有些变压器生产厂家通过加装抑制或旁路励磁浪涌的回路方法来达到上游开关不至于因太高的合闸浪涌造成跳闸。但旁路励磁浪涌方法其合闸浪涌始终在系统存在，甚至造成上游第二级开关跳闸和系统电压畸变超标；抑制浪涌办法会造成系统电压骤升问题，另外增加的元器件造成系统操作复杂化，系统可靠性降低，国外已经不允许采用这两种方法。

5、峰值励磁浪涌（Peak Inrush Current）和均方励磁浪涌有效值（RMS Inrush Current）的转换

根据UL、IEC的研究以及国外ABB、MGE、APC、ETON、SOCOMEC、DCD等的研究结果，机房变压器的浪涌峰值电流在1.9-2.2倍的25ms均方浪涌有效值范围内为最佳。  

由于电压突变引起的当变压器合闸时正是电源正弦波的波形进入零的位置时，变压器会产生很大的冲击电流，甚至会造成变压器保护动作跳闸。不过这种概率很低，所以平时变压器合闸时，其冲击电流都很小 变压器在空载合闸时会出现激磁涌流。其大小可达稳态激磁电流的80-100倍，或额定电流的6-8倍。涌流对变压器本身不会造成大的危害，但在某些情况下能造成电波动，如不采取相应措施，可能使变压器过电流或差动继电保护误动作。 变压器励磁涌流是变压器全电压充电时在其绕组中产生的暂态电流. 变压器投入前铁芯中的剩余磁通与变压器投入时工作电压产生的磁通方向相同时,其总磁通远远超过铁芯的饱和磁通量,因此产生较大的涌流,其中最大峰值可达到变压器额定电流的6-8倍.励磁涌流与变压器投入时系统电压的相角,变压器铁芯的剩余磁通和电源系统阻抗等因素有关.最大涌流出现在变压器投入时电压经过零点的瞬间(该时磁通为峰值).变压器涌流中含有直流分量和高次谐波分量,随时间衰减,其衰减时间取决于回路电阻和电抗,一般大容量变压器约5-10S,小容量变压器约为0.2S左右一般在工厂生产检验时在电源输入处串接设定电流的保护开关（如常用的 DZ47-63  C20）开机时不发生跳闸就说明激磁涌流小于该保护开关的额定电流当然要多开关几次测试实际的激磁涌流可以用用示波器，在输入电源串接一小无感电阻，用示波器监测开机瞬时的涌浪电流的峰值但变压器浪涌电流最大是在开机时刚好在电源正弦波的波形进入零的位置时。人工开机时间是随机的在最大值的机率很小要用专用罗氏线圈来测量，目前全球做的最好的是pearson这一家的，很贵，动辄几万，一般的不具备。

华巨电子推出的浪涌电流抑制热敏电阻分为NTC热敏电阻和PTC热敏电阻两种类型能有效抑制变压器通电瞬间产生的浪涌电流。具体方法如下:

问题陈述与提出：

变压器引起浪涌电流，浪涌电流超过了影响变压器铁芯磁性的饱和电流。甚至变压器的二次启动时无负载时也会发生。浪涌电流的大小取决于在变压器打开时的瞬时AC 波。如果这个瞬间正好是AC 电压波正在经历它的峰值，那么将没有浪涌电流产生。如果这样的话，浪涌电流的量将保持正常无负载值。如果这个瞬间正好是AC 电压波经历它的零值时，那么引起的电流将非常高而超过饱和电流（见图一）。这种情况下，变压器就必须受到保护不受浪涌电流的损坏。

华巨电子变压器浪涌电流抑制保护方案：

此应用提供了一个方便的解决方案（图2）来处理变压器中浪涌电流超过饱和电流的问题。这个方案是用 NTC 热敏电阻与初级线圈串联。在开关打开时热敏电阻有个高阻值来抑制浪涌电流。短时间之后，NTC热敏电阻由于自热，阻值降低到一个很低的值而不影响正常工作。

华巨电子提供的大功率NTC热敏电阻能够满足这一要求，其最大电流可以达到32A的稳态电流，在220V中功率可达7KW的的变压器提供浪涌保护功能。

具体参数参阅华巨电子SCD系列大功率热敏电阻：http://www.sinochip.net/ntcremin/scd.htm

每个额定变压器：1000VA, 

每个变压器下降：30V

总额定变压器：2000VA

使用的滤波电容：30V,2300uF

华巨电子提供的大功率NTC热敏电阻能够满足这一要求，其最大电流可以达到32A的稳态电流，在220V中功率可达7KW的的变压器提供浪涌保护功能。

具体参数参阅华巨电子SCD系列大功率热敏电阻：http://www.sinochip.net/ntcremin/scd.htm

每个额定变压器：1000VA, 

每个变压器下降：30V

总额定变压器：2000VA

使用的滤波电容：30V,2300uF

华巨电子与AMETHERM互换对照表

NTC热敏电阻浪涌抑制方法如下

华巨电子推出的SCD系列大电流NTC热敏电阻最大电流可以达到35A,可以应用在一些大功率变压器上用于浪涌电流抑制，在开启驱动系统、逆变器或电源等电气设备时总会出现大电流，由于过大的 浪涌电流会损坏敏感元件如电源中的整流器或者烧坏保险丝，因此需要采取防护措施（图1）。对于浪涌电流的限制有两 种基本方式：在电源电路中简单地布置防护设备作为浪涌电流限制器(ICL)，或者在浪涌电流峰值消退后使用主动旁路电 路。这两种方式也分别被称为被动和主动ICL电路。对于特定应用来说，浪涌电流抑制技术的选择取决于多个因素。最重 要的是电源功率、设备遭受的浪涌电流的频率、工作温度范围以及系统成本要求。

图1：使用及不使用ICL时的浪涌电流

被动浪涌电流限制

对于额定功率最多为几瓦的小功率电源，最简单实用的浪涌电流限制方案是与负载串联一个普通电阻器。不过对于有着 更高额定功率的电源，固定电阻的功率损耗会显著影响整体效率。在这些情况下，NTC热敏电阻用作被动电流限制业已 成为标准的ICL解决方案（图2）。

图2：使用NTC ICL的被动浪涌电流限制

NTC热敏电阻在温度较低时阻值较高，在温度较高时阻值较低。在温度较低的状态，NTC ICL较高的初始电阻能够有效 地吸收峰值浪涌电流。由于电流负载的作用以及随之而来的自热作用，ICL阻值接着会降低为其室温阻值的百分之几。这 一特性能够减小ICL在连续运行下的功率消耗，因此NTC ICL可以在电容器完全充满电后仍留在电路中。最后，使用NTC ICL的成本较低，方案也易于实现。专注于更高功率水平应用的低损耗解决方案 电源的设计越来越集中于尽可能地消除功率损耗。一旦额定功率超过越500W，被动电路解决方案的缺点就变得非常明显。如果ICL总是与负载串联，则其带来的功率损耗会非常大。设备的额定功率越高，典型工作时间越长，附带功率损耗便越明显。假设NTC ICL的功率损耗占设备总功率的1%，电源的效率为92%，则大约12.5%的总损耗都是由NTC引起的。

主动浪涌电流限制 因此对较高的功率水平，标准的做法是一旦浪涌电流峰值已经消退便使用继电器或可控硅旁路ICL。根据应用要求的不同，主动浪涌电流限制电路可以采用功率电阻、NTC热敏电阻或PTC热敏电阻（图3）作为ICL部件。比如PTC热敏电阻经常用于混合动力或电动汽车的插入式车载充电器(OBC)，此类充电器的额定功率通常达到了几千瓦。虽然主动浪涌电流限制的益处对于额定功率大于500W的情况下才最为明显，不过该方法对于提高较低功率水平应用的性能可能也是必要的。尽管主动浪涌电流限制自身系统成本稍微偏高，但是对于较低的额定功率应用，其可以减少功率损耗，而且可以采用 相对便宜的额定值较小的开关和半导体器件。

华巨电子大功率NTC热敏电阻参阅：http://www.sinochip.net/ntcremin/scd.htm

PTC在浪涌电流抑制中的应用

NTC热敏电阻并不总是电源中的浪涌电流限制器(ICL)的必然选择。在有着特别严格温度和功率要求的应用场合，PTC热敏电阻能够提供更为可靠的防护。华巨科技(SINOCHIP) PTC ICL额外的好处是能够提供短路防护能力。

图3：主动浪涌电流限制

何时适宜采用PTC热敏电阻作为ICL

在某些应用中，使用PTC热敏电阻作为ICL可提供优异的性能。NTC ICL在电源打开时的阻值取决于环境温度。在较低的 环境温度下NTC热敏电阻的阻值会比较高，导致充电电流较低、充电时间较长。而另一方面，较高的环境温度会限制 NTC ICL抑制浪涌电流的能力，因为NTC热敏电阻已经处于低阻状态。这种温度依赖性会对部分应用，特别是工作温度 范围较宽的应用造成问题。比如，在北方冬季使用的户外电源，可能永远难以升得足够热以使电阻值降得足够低。

相反，热水循环泵在启动时可能已经很热了，这会使得NTC热敏电阻无法限制浪涌电流。在系统关闭后，NTC热敏电阻 的冷却时间通常在30S至120S间变动，具体时间取决于特定的设备、安装方式以及环境温度。仅当NTC ICL完全冷却后 才能够再次限制充电电流。在很多情况下，该冷却时间已经足够快；但是有时在NTC充分冷却之前便需要对浪涌电流进 行有效的限制。这可能出现在直流母线电容器的快速放电中，在逆变器驱动的家用电气如新型洗衣机和烘干机中便会出 现这种情况。在短暂的断电之后必要的冷却时间是非常关键的。因此，主动浪涌电流限制设计必须总是考虑到所有可能 的NTC ICL仍在低阻状态时浪涌电流峰值出现的情况。在这两种情况下，华巨科技(SINOCHIP) PTC热敏电阻都可以提供有 效的浪涌电流限制方案。

内置自我保护功能

在正常的工作条件下，PTC ICL作为一个普通电阻使用。当电源打开，元件温度与环境温度相同时，PTC ICL依型号不同 阻值在20 欧至500 欧之间变动。这已足够限制浪涌电流峰值。一旦直流母线电容器完全充电，PTC ICL便被旁路掉。如果充电电路出现故障，PTC热敏电阻的特殊功能便可发挥作用保护电路。当电流通过该元件，PTC热敏电阻温度会升 高，阻值也会显著增加。因此，得益于其自保护功能，PTC热敏电阻在以下失效模式下有着先天的优势：

– 电容器短路

– 当直流母线电容器充电后电流限制元件未被旁路（开关元件失效）。

所有这些失效模式都有一个共同点：电流限制元件受到热应力。有两种方式可以保证ICL元件不会在类似情况下损坏：使 用一个具有足够额定功率的功率电阻或者使用PTC热敏电阻。华巨科技(SINOCHIP) PTC ICL的设计使得其在直接连接至最 大额定电压的供电电压时也能工作，且无需额外的电流限制措施，因为PTC ICL具有自保护功能。在出现过大电流如短 路的情况下，PTC温度会升高，从而导致其阻值显著上升，这样PTC热敏电阻自己便可以将电流限制至非临界水平（图4）。

图4：电容器短路时的电流曲线

华巨科技(SINOCHIP) PTC热敏电阻在一些应用中作为主动浪涌电流限制的ICL元件有着一些关键优势：

– 其ICL功能不会受到极端工作温度的影响。

– 一旦负载关闭便可以实现有效的浪涌电流限制，冷却已经在正常工作时进行。

– 对由电路故障引发的电流过载有着自保护功能。

得益于华巨科技(SINOCHIP) ICL广泛的产品组合，您可在苛刻的温度条件下，实现对电源高浪涌电流和短路的可靠保护。

储能电容的充电控制电路

自我防护式充电电阻器以PTC（正温度系数）陶瓷为基础，用于平滑电源中的电容器。当发生短路时，它们会将电流限定在安全水平。普通电阻在电容充电时常用来限制电流。不过，这常有技术风险。举例来说，当短接电容器时，如果电容器短路或者继电器失灵，电阻器将持续暴露在大功率电平下。这可能导致电阻器或者整个系统遭到破坏。华巨电子采用基于PTC陶瓷的新式WMZ12A-XXDXXXTXXXR系列充电电阻器，现已研发出一种专业解决方案：在自我防护的同时，还实现了相对紧凑的尺寸。

WMZ12AICL系列的典型应用范围为500 W至50 kW功率范围内的工业电源、变频器以及UPS（不间断电源）系统。在这些应用中，链路电容器用于平整生成的直流电压或者在链路中用作储能装置。当电容器充电时，通常需要串联一个电阻器来限制充电电流，以免产生超过允许范围的强电流峰值。一般是采用固定式普通电阻或负温度系数（NTC）电阻实现这一功能。在大多数情况下，会在充电之后使用一个由时间或电压控制的继电器来短接限流元件。充电电流的制约对整流器和转换器系统来说非常重要，因为产生的冲击电流峰值如果未得到限制，可能会触发熔丝或使整流器遭受超过允许范围的强电流。图1所示为传统整流器或转换器系统的方块图。

如果运行时没有干扰，那么上述普通电阻器和继电器的组合足以限制充电电流。不过，在充电期间或充电后发生的干扰可能会导致这些电阻器彻底失灵，并因此导致系统其它元件的全面故障。

为处理典型故障，比如电容器短路或短路开关失灵，建议使用ICL系列PTC自我防护式充电电阻器。在无故障充电中，这些元件的作用就像固定式普通电阻器，可制约充电电流的峰值。当发生故障时，PTC陶瓷的温度和内阻将随加大的欧姆损耗一同增加（见图2），并将电流限定在安全级别。

相比之下，如果将固定电阻器用作充电电流限制器，上述故障将导致电阻器产生相当高的功率耗损，这会要求元件要有一定大的尺寸，这很不经济。以下特殊实例（见图3）可清楚说明这一功能原理。

上述电路采用三相桥式整流器，并将其接至相导线电压为400 VRMS的电源中。其中平滑电容器的电容为940 μF。并联电路含有两个WMZ12A-14D130T100R型充电电阻器，用于限定冲击电流。亦称为零电位电阻器，其额定电阻在25℃的环境温度下为100 Ω。在这种情况下，需要并联两元件：因为电能必须在充电期间内传到电容器，这会使单个WMZ12A-14D130T100R电阻器开始发热，直至温度高出允许范围，结果便导致电阻大大加强。这一情况应当避免，否则将无法对链路电容器进行彻底充电。

可以使用下面的公式计算出所需WMZ12A-14D130T100R系列元件的数量：

如果说元件WMZ12A-14D130T100R大约有2 J／K的热容，参考温度为130℃，那么既可串联也可并联两元件。满足上述等式可确保PTC陶瓷在充电完毕之前不会超出参考温度，并且维持在低电阻范围内。

当达到电容器95％的极限充电电压时，并联的WMZ12A-14D130T100R元件将被短路，同时将接入负荷（以260 Ω固定电阻器为代表）。因此两个J204元件构成的并联电路的性能与一个50 Ω的固定电阻相当。有关无故障充电的情况，请参见图4所示电流时间图。

在这两种情况下，充电电流的时间曲线几乎相同。PTC陶瓷与固定电阻在电流特性方面的细微差别的产生原因是：

* PTC热敏电阻的电阻温度特性形状特殊；另外，

* PTC陶瓷在开启时的对电压的依赖性非常强。在计算峰值冲击电流时，一定要考虑电压依赖性。

约过190 ms之后，充电完毕，充电电阻器便会短路。能量吸收曲线以及加热程度同样相差无几（见图5）。二者的最高点均与电容器在短路时的能量相对应。

当发生故障时，PTC热敏电阻用作限流元件的优势就会十分明显。如果继电器接通失败，负荷电流将流经充电电阻器，并产生强大的热应力，这要求电阻器有相应的尺寸。若采用基于PTC陶瓷的充电电阻器，其电阻会由于强大的起始功率损耗而升至数10 k，从而能够在故障发生期间限定电流（参见图6）。在约三秒之后，先流经两电阻器然后流经总体电路的电流已跌至数10 mA。有关吸取能量的比较，请参见图7。

在进入高阻状态后，PTC陶瓷将能量吸收限定为非关键值，而固定欧姆电阻器的吸收能量则呈直线上升。在该实例中，考虑到温度降额，固定电阻器必须具有200 W以上的额定功率，才能防止过热以及随后的损坏。

故障——电容器在充电开始时发生短路

强大的冲击电流在约150 ms之后使两个自我防护式充电电阻器产生高电阻性，进而限制电流。而流经固定电阻器的电流则仅由极低的电源线电阻进行限定，因此固定电阻器中会产生非常高功率的能量转换。

在短时间内，并联的两个自我防护式充电电阻器与外界达到热平衡，同时由于PTC陶瓷的高电阻值，吸收的能量仅有略微上升。最终产生的能量吸收与图7所示类似。

上述故障——电容器在充电开始时发生短路——表示：充电电阻器上存在极高的负荷。因此，J201充电电阻器需要额外使用一个固定电阻器限定短路电流。不过充电电阻器J202和J204的应用则无需使用固定电阻器作任何额外保护。

华巨电子浪涌保护PTC热敏电阻参阅：http://www.sinochip.net/ptcremin/wmz12acap.htm

华巨电子热敏电阻厂家：www.sinochip.net