如何为工业设备提供开机浪涌电流保护

当工业设备开机时，通常会产生远高于正常工作电流的冲击电流（称为浪涌电流）。根据设备类型的不同，这种开机浪涌可能是稳态电流的 10 到 30 倍。这种极端浪涌电流瞬时产生，会造成巨大的电气和机械应力。

如果不进行适当的控制，浪涌电流会导致断路器跳闸、保险丝熔断、敏感元器件损坏，甚至降低电源连接器和电源的性能。因此，制定有效的浪涌电流管理策略，对于工业系统可靠、安全地运行至关重要。

管理开机浪涌的一种方法是在设备电源输入端串联浪涌限流器 (ICL)。在各种类型的 ICL 中，负温度系数 (NTC) 热敏电阻因其设计简单、易于集成而得以广泛使用。NTC 热敏电阻是一种温度敏感型电阻，其电阻值随温度升高而减小。

图 1：Panasonic Electronic Components 的 ERT-J0EG103FA NTC 热敏电阻，25°C 时标称电阻为 10 kΩ，电阻容差为 ±1%。(图片来源：Panasonic Electronic Components）

当工业电气设备的关机时，NTC 元件的电阻相对较高。NTC 元件与负载串联。这种高冷态电阻能减缓开机时的初始冲击电流，相当于一个电流缓冲器。

流经热敏电阻上流过有限的浪涌电流时，会由于电阻热效应使而发热。当热敏电阻发热时，其电阻值会急剧下降，会远远小于冷态电阻值。在很短时间内，热敏电阻就会过渡到低电阻状态。此时，输入电容器已充满电，可以流过正常的工作电流。

浪涌事件结束后，NTC 彻底退出保护状态，在稳态运行时近似短路状态。例如，冷态电阻为 10 Ω 的 NTC 在充分加热后其阻值可能会降至 0.5 Ω 以下。这样，就可确保工业设备在稳定状态下以接近全电压运行，同时最大限度地减少热敏电阻自身的能量损耗。

实施 NTC 限流器时的设计注意事项

为保证可靠、高效地运行，在实现基于 NTC 的浪涌限流器时必须考虑几个设计参数。

1. 冷态电阻值

冷态电阻 (R₂₅) 是 25°C 时的额定电阻，用于确定限制浪涌电流时的初始阻抗。根据所需的最大浪涌电流和电源电压，可以估算所需的最小电阻。工程师会使用欧姆定律计算该电阻值：R = V_峰值/I_{最大（浪涌）}。例如，在 230 VAC 单相系统中（峰值电压约 325 V_峰值），如果要将浪涌电流限制在 20 A_峰值，则需要 325/20 ≈ 16 Ω 的冷态电阻。

TDK Electronics、Vishay Ametherm 和 Amphenol Advanced Sensors 等制造商提供具有如 2 Ω、5 Ω、10 Ω、22 Ω、47 Ω 等标准值（25°C 时）的 NTC 产品。选择合适的冷态阻值是关键，因为 R₂₅ 越高浪涌抑制效果越好。不过，该值过高可能会过度限制充电电流，增加启动时间，并导致过大的初始压降。

图 2：EPCOS - TDK Electronics 的 B57164K0220K000 引线式 NTC 热敏电阻，25°C 时的电阻值为 22 Ω，电阻容差为 ±10%。(图片来源：EPCOS - TDK Electronics）

2. 工作电阻值

工作（热态）电阻值表示残存串联阻抗和持续耗散。实际上，热态电阻值远远小于 R₂₅，通常是标称电流下冷态电阻的 2% 至 5%。例如冷态电阻为 10 Ω 的 NTC，其阻值在额定电流下可能会降至约 0.3 Ω。

降低热态电阻有利于提高效率，但这意味着需要更大的热敏电阻器。设计人员必须确保，在应用的稳态电流下，NTC 的发热足以使其电阻值降至可接受的低水平。如果设备过大，可能无法充分自发热，导致电阻值高于预期。

为了获得高性能，正常工作电流至少应为 NTC 最大额定值的 30%，以使其工作温度足以达到 R-I 曲线的平坦部分。如果负载电流远小于 NTC 的电流承受能力，则工程师应考虑使用电流更小的热敏电阻器，以确保热敏电阻器被该电流加热时其阻值会降到一个较小的值。

3. 最大持续电流

NTC 必须能够在稳定状态下持续承受额定 RMS 电流或 DC 电流，而不会过热。选择 NTC 时，必须确保最大电流等于或大于系统的标称工作电流。如果稳态电流超过 NTC 的允许连续额定电流，热敏电阻器会过热，超过其设计极限，从而造成热失控或器件损坏的风险。

请务必查看设备的降额曲线，以确定热敏电阻器在机柜内或热源附近是否会发热。如果设计电流接近 I_max，则必须使用一些安全裕量或在热敏电阻器周围采取散热措施。

4. 能量激增能力

热敏电阻器的额定能量是一个关键参数。热敏电阻器必须能承受因浪涌电流产生的焦耳 (J) 能量而不会损坏。对于容性输入，浪涌能量的一阶估算值是电容器充电所需的能量。例如，将 100 μF 电容器充电至 325 V 需要约 5.3 焦耳的能量。所选热敏电阻器的额定浪涌能量应高于这一水平，以应对最严重的情况。

同样，对于电机或变压器负载，设计人员可以测量浪涌电流波形并计算积分 (∫I²R dt)，以确保通过热敏电阻器的 I²t 保持在其规格范围内。制造商会为一次性浪涌提供 I²t 或额定焦耳值，如果设备频繁开关，有时还会提供额定重复浪涌值。

图 3：Amphenol Advanced Sensors 的 AL03006-535K-145-G1 NTC 热敏电阻器，电阻值为 1 MΩ，工作温度高达 250°C 且稳定。(图片来源：Amphenol Advanced Sensors）

如果选择和实施得当，基于 NTC 热敏电阻的浪涌限制器能够提供可靠地开机浪涌保护。该器件提供一种瞬态串联电阻，在其工作完成后会自行退出电路。

结语

随着工业系统规模的扩大和高能耗设备的引入，控制启动时的能量浪涌变得至关重要。基于 NTC 的浪涌电流限制器已经过了现场验证，在设计、成本和可靠性之间实现了良好平衡。无需增加控制复杂性，设计人员即可使用这种限流器实现软启动保护，从而确保工业系统高效运行。