【實作實驗室】電燈瞬間閃一下？原來是「湧浪電流」在作怪

Posted By StrongPiLab on 1 月 16, 2024 in 實作派StrongPiLab, 教學文, 科普, 科普教育, 電子學 | 0 comments

發動汽車時，燈光有時會有暗一下的現象，車內音響的背光面板也是，同樣的現象也發生在工廠，當大型機具啟動時，周遭的日光燈會同時閃一下，這是為什麼呢？今天就來討論一下機電裝置啟動瞬間特有的怪現象。

https://www.youtube.com/watch?v=0Un_QaOCykM

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，這邊先從日常經驗說起。

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，這種現象在機電領域稱為湧浪電流 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。

直到水流即將結束，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，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 0 V 就跳躍成 5 V，它中間一定會經過 0.1 V、0.2 V 之類的電壓，差別只有時間快慢而已。如果電壓很快的從 0 V 衝到 5 V 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。

為什麼電燈會暗一下？

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（圖片來源：實作派提供）

假設湧浪電流是 100 A，銅線的電阻為 0.1 ohm，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 100 A 就會產生 V=100*0.1=10 V 的壓降，如果電源接點有髒汙接觸不良，壓降就會更大，所以隔壁 A 點的電燈，就會在馬達啟動的瞬間短少了 10 V，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，當馬達穩定旋轉時，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；你也可以想像馬達在旋轉時本身就像一台發電機，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 427.8 mA，電流峰值達約為 1.414 倍，也就是 605 mA，等會你會看到實際的湧浪電流，就可以比較。