コイルの突入電流が流れる理由について

Question

コイル（誘導負荷）に突入電流が流れる理由を教えてもらえないでしょうか？

容量に突入電流が流れるのはわかります。
しかし、コイルに流れる理由がいろいろ調べてはみたのですが　いまいちはっきりわかりません。

あと、誘導負荷には直流電源でも突入電流が流れると考えていいのでしょうか？

すいませんが教えてください

burahuman · Accepted Answer

8です、質問者さんに一言！

適切な回答がご希望ならばお礼や補足欄に貴方の気持ちを書いた方が良いですよ。
どういう事を想定しての質問なのか、回答者さんの内容で納得したのかしてないのか。
リアクションが無ければ何にも分りません。意思の疎通はとても大事です。

まさかこのまま無言で立ち去るなんて事は無いでしょうけど。

FT56F001 · Answer

>全てについて　はっきり知りたいですね。
>鉄心入り・コイルだけ・モーター　
まず，鉄心の入っていないコイルだけの場合，突入電流と言っても定常電流の2倍になる程度です。これは#4で述べたカラクリです。

鉄心が入ったコイルの場合，磁気飽和が絡んで，突入電流が大きくなります(#9)。定常状態では磁気飽和しないように設計されていても，過渡的には磁気飽和領域に入ってしまい，インダクタンスLが下がったように見えて，大電流が流れます。磁気回路としては定格電圧の1～2割増しくらいまでは飽和しないように設計するようですが，過渡的にはその倍近い磁束が流れることがあり，飽和してしまいます。

モータの場合，電気的な過渡現象(コイルとしての突入電流)に加えて，機械的な過渡現象が絡みます。モータに電源をつないで始動させる時，モータの回転速度が十分上がるまでの間は逆起電力が不足して大きな電流が流れます。モータの出力に比べて，回そうとしている機械的負荷の慣性モーメントが大きい場合，顕著になります。ひどい場合はブレーカをとばしたり，モータを焼いてしまうことがあります。必要ならば，モータに徐々に電流を流して速度を上げるカラクリ(始動装置)をつけます。

el156 · Answer

No.3(6)です。
コイルがコイルでなくなる場合というのは、「励磁が完了するまで」ではなくて、Lが急変(減少)する場合という意図でした。
その原因は、起磁力(アンペアターン)が急減するか、透磁率が急減するかのどちらかで、原理は別々です。
前者はコイルに別巻線があって、2次巻線の電流が影響する場合ということになります。例えば2次側にコンデンサ入力型の整流回路があれば、2次巻線に流れる突入電流が一次巻線の起磁力を打ち消すので、一次巻線にはこれを補う突入電流が流れることになります。
後者は磁気飽和によって透磁率が急減する場合ですが、「突入」電流と呼ぶには最初だけに起きる現象でなくてはなりません。最初だけに起きるのは、偏磁によってどちらか一方の向きに最初だけ定常よりも起磁力が大きくなって、その結果最初だけ磁気飽和の領域に入ってしまう場合です。これはNo.2の方のリンク先や私のNo.6の最後の例に当たりますが、No.9の方の説明が一番わかり易く、かつ正確だと思います。No.9では飽和の限界を定常電流の少し上に設定されています。定常時には飽和しないように磁気回路を設計したとしても、飽和までの余裕が少なければ立ち上げの時に偏磁によって飽和することがあるということが読み取れると思います。
いずれにしても原理的に突入電流が流れるC負荷の場合とはずいぶん違う原理だと考えた方が良いと思います。

foobar · Answer

＃７です。

通常、交流というときには、周期的に変化する電圧や電流を扱います。（より正確には、下記の過渡状態と区別して、定常交流かな。）
周期的に、ということは、電圧や電流の波形を一周期分ずらすと重なる、ということです。
（ということで、コイルに電圧をかけた直後の＃９さんが示された挙動は、通常は交流とは分けて過渡状態と呼びます。）

直流電圧をかけた直後は、この過渡状態ではありますが、周期的に変化するわけではないので交流とはいいません。

直流電圧をかけた後は、次の電圧の式で表されます。（微分方程式の形になっているけどご容赦。）
E=R*i(t)+dψ(t)/dt (Eは電源電圧、直流一定なので時間の関数としていません。i(t)は電流、ψ(t)はコイルの鎖交磁束（L*i(t),ただし、磁気飽和を考えるときにはLは一定ではなくなります。）dψ(t)/dtは鎖交磁束の時間変化。）

電圧をかけた直後は、電流(i(t))が0のため、かかった電圧はすべてdψ/dtになり、磁束の増加に使われます。

また、電圧を加えて十分時間がかかって、電流などが一定になる（定常状態になる）とdψdt=0になって、i=E/Rになります。

その途中は、電圧の一部がR*i(t)として抵抗での電圧降下になり、残りがdψ/dtとして、磁束（≒電流）の増加に対応します。磁束が増加し、電流が増えると、Riの電圧が大きくなり、dψ/dtの分が減って、磁束の増加が鈍ります。
と、このようにして、なだらかに定常状態に向かいます。

ところが、途中で磁気飽和がおきると、そこで鎖交磁束ψがほぼ一定になり、dψ/dtがほぼ0になって、定常状態の同様な状況になり、電流がi=E/Rのところまで一気に増えます。
と、このように磁気飽和があると、電流が急激に抵抗で決まるところまで増加する、という現象はおきますが、それを超えて増加し、戻る、ということは起きません。

FT56F001 · Answer

#4です。ご質問を
>鉄心入りコイルに交流電圧を加えた時の話
と思って回答しています。

基本的には#4で述べたように，
突入電流は，交流電圧をインダクタンスに加えた時，過渡的に載る直流電流の効果です。
ただし，#5さんがおっしゃるように，磁気飽和が絡むと，非常に大きな突入電流が流れます。

磁気飽和の効果は難しいので，シミュレーションしてみます。
インダクタンスL=0.5H，抵抗R=3Ωの直列回路に，実効値V=40V，f=60Hzの交流電圧sin波を加えた時の電流値のシミュレーションです。
磁気飽和なし(赤線)に比べて，飽和あり(青線)の突入電流第一波が，とても大きくなることが分かります。ただし磁気飽和特性をi=L*Isat*atn(i/Isat)，Isat=0.38Aと仮定しました。

同じ飽和ありでも，交流電圧の位相をcosに変えると，突入電流はほとんど見えません(緑線)。
これは定常状態の電流がほぼsin波で，スイッチ投入時に過渡的な直流成分が必要ないからです。

burahuman · Answer

ご質問のイメージが湧かないのですが

１、鉄芯入りコイルに交流電圧を加えた時の話ですか？

２、鉄芯入りコイルに直流電圧を加えた時の話ですか？

３、誘導電動機に交流電圧を加えた時の話ですか？

４、それとも・・・・

foobar · Answer

コイルに直流電圧を加えた場合には、最終的には巻線抵抗と電圧で決まる電流(定常電流）になります。
並列にコンデンサがつながったりしていなければ、定常電流になる過程で定常電流を超えるような電流が流れることはありません。

＃５で書いた磁気飽和が起きた場合、定常電流になるまでの時間が短くなるだけです。
最初は電流が穏やかに増加し、途中から急増して定常電流値になります。

el156 · Answer

No.3です。
コイルが鉄心入りで磁気飽和する場合に関して補足します。
磁気飽和するとLが減少するため、コイルの端子電圧が同じでもdi/dtは大きくなります。
端子への入力が一定の交流電圧なら、磁気飽和を起こす電流に到達する毎にLが減った分だけdi/dtを確保しようとして電流波形が歪んでピーク電流が発生します。しかしこのピークは毎周期同じように発生するので、あまり「突入電流」とは呼ばないと思います。
端子への入力が一定の直流電圧なら、ステップ状の電圧を印加すると電流は直線的に増大し、磁気飽和を起こす電流に到達するとLが小さくなって電流の増大速度が増大し、最終的には直流抵抗で決まる電流で頭打ちになります。この間、磁気飽和があっても無くても、電流は増える一方で減ることは無いので、これも「突入電流」とは呼びません。
仮に電圧を印加する直前に鉄心が偏磁していた場合、偏磁と同じ向きに電圧を引加したとき偏磁が無い場合と比べて飽和が早くやって来ます。この時引加する電圧が一定の交流電圧なら、鉄心が与えた交流によって消磁されるまでの間、その向きの電流が大きくなり、消時されると電流が減るので、この場合は電圧を加えた直後の増大している電流を「突入電流」と呼ぶと思います。

foobar · Answer

コイルに交流電圧を印可したときには、磁束の時間微分dψ/dtが電源電圧と拮抗するだけの磁束が必要です。
コイルに交流電圧を接続した直後を考えると、最初、磁束がほぼ0からスタートし、電圧を積分しただけの磁束が発生していきます。
投入する電圧の位相によっては、増加してゆく磁束が飽和磁束を超えて鉄心が飽和し、必要な磁束を発生するのに必要な励磁電流が増えます。
このように、励磁電流が急増し、突入電流が流れます。

FT56F001 · Answer

コイルに交流電圧をかけると，定常状態では90゜遅れた交流電流が流れます。しかし，コイルに流れる電流の瞬時値は急変できないため，スイッチ投入直後の電流は0です。スイッチを投入する瞬間の交流電圧の位相によって「90゜遅れた交流電流」と「電流は0から始る」の差を埋めるために，過渡的に直流電流が流れます。これが誘導負荷の突入電流と呼ばれるものです。突入電流は回路の抵抗で減衰します。突入電流の大きさは，投入時の交流電圧の位相で変化します。すなわち，交流電圧の瞬時値の最大付近で投入すれば突入電流は小さく，交流電圧瞬時値の0付近で投入すれば，大きな突入電流が流れます。

なお，直流電源にコイルをつなぐ場合は，突入電流は流れません。

コイルの突入電流が流れる理由について

8です、質問者さんに一言！

>全てについて はっきり知りたいですね。

No.3(6)です。

＃７です。

#4です。

ご質問のイメージが湧かないのですが

コイルに直流電圧を加えた場合には、最終的には巻線抵抗と電圧で決まる電流(定常電流）になります。

No.3です。

コイルに交流電圧を印可したときには、磁束の時間微分dψ/dtが電源電圧と拮抗するだけの磁束が必要です。

コイルに交流電圧をかけると，定常状態では90゜遅れた交流電流が流れます。

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