DC Blocker – jak działa i czy skutecznie eliminuje składową stałą?
Czym jest DC blocker?
DC blocker jest rodzajem filtra przeznaczonego do tłumienia składowej stałej z przebiegu przemiennego. Najczęściej budowa takiego układu bazuje na kondensatorze dużej pojemności szeregowo połączonym z obciążeniem.
Taki kondensator musi być zabezpieczony przez skutkami rezonansu oraz przed przekroczeniem napięcia znamionowego kondensatorów np. układem przeciwsobnym diod prostowniczych.
Kondensator o dużej pojemności, zatem o małej reaktancji pojemnościowej stanowi małą impedancję dla prądu przemiennego. W stanie ustalonym, w idealnych warunkach taki sam kondensator stanowi przerwę w obwodzie.
Maksymalna wartość napięcia składowej stałej filtrowanej przez układ będzie ograniczona napięciem przewodzenia diod prostowniczych, typ. 0,7 V / diodę.
Poniżej zamieszczono schemat prostego filtru składowej stałej.
Dlaczego składowa stała jest niepożądana?
Straty mocy, harmoniczne
„W przypadku, gdy rdzeń transformatora jest podmagnesowany składową stałą strumienia (na skutek występowania składowej stałej prądu w uzwojeniu wtórnym transformatora, która nie jest transformowana na stronę pierwotną), kształt prądu pobieranego przez transformator ulega odkształceniu i staje się asymetryczny. Wypadkowa indukcja maksymalna (od składowej stałej prądu i sinusoidalnego napięcia zasilającego) może osiągać wartości zbliżone do indukcji nasycenia. Występuje wzajemne oddziaływanie na siebie obu składowych wynikające z charakterystyki magnesowania.
W zależności od reluktancji* drogi magnetycznej dla strumienia podmagnesowujacego, wpływa on w różny sposób na nasycenie obwodu magnetycznego.”
Źródło: Krzysztof MAJER, Politechnika Łódzka, Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych, 8 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 93 NR 7/2017
*Opór magnetyczny obwodu magnetycznego
Z tym zjawiskiem wiąże się wzrost prądu pracy transformatora, spadek sprawności oraz znaczny wzrost harmonicznych.
Powód zwiększonego hałasu
„Drgania magnetostrykcyjne mogą zawierać także harmoniczne nieparzyste, w przypadku podmagnesowania rdzenia składową stałą strumienia.”
Krzysztof MAJER
Politechnika Łódzka, Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 91 NR 2/2015
Drgania magnetostrykcyjne są głównym powodem hałasu transformatora. W przeprowadzonych przeze mnie badaniach układu blokującego składową stałą transformator pracujący przy kilkuset miliwoltach napięcia stałego pracował zdecydowanie głośniej.
Wpływ na pętle histerezy
„Powyższy rysunek pokazuje typowy wynik przy indukcji 1,5 T, dla czystej sinusoidy w porównaniu do sinusoidy z 3% offsetem DC.
W rzeczywistym transformatorze spowodowałoby to powstawanie szkodliwych harmonicznych w napięciu wtórnym. Efekt ten jest oczywiście bardziej wyraźny przy wyższych gęstościach strumienia lub wyższych składowych napięcia DC.”
Źródło:
Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, VOL 61. NO 7/s, 2010, 123-125 Philip Marketos, Anthony J. Moses, Jeremy P. Hall
Układ pomiarowy nr 2 - transformator jako obciążenie
Źródłem zasilania był transformator separacyjny 800 VA zasilony napięciem 230 V. Prąd zmierzono przy wykorzystaniu oscyloskopowej sondy prądowej 10 A / 0 – 800 kHz. Napięcie U1 na wejściu transformatora T2, U2 na wyjściu oraz napięcie Vdrop – spadku napięcia na filtrze zmierzono przy pomocy sond różnicowych.
Składową stałą wprowadzono do układu pomiarowego przy pomocy zasilacza laboratoryjnego „DC source”.
Dioda D1 służy zabezpiecza zasilacz przed pojawieniem się na jego zaciskach ujemnego napięcia.
Obciążenie stanowił transformator separacyjny o mocy 160 VA obciążony rezystancją o wartości 2,7 kΩ.
Wyniki badań
Składowa stała 0 V
Pierwsze pomiary wykonano przy braku składowej stałej.
Zastosowanie filtra spowodowało obniżenie się wartości skutecznej prądu o ponad 10 mA oraz spadek wartości międzyszczytowej prądu o 80 mA. Kształt prądu oraz napięcia bez zauważalnej różnicy.
Obciążenie strony pierwotnej transformatora:
S = 408,92 mA * 218,17 V = 89,2 VA
Obciążenie strony wtórnej:
P = S =176,21V^2 / 2,7 kΩ = 15,26 VA.
Składowa stała 20 V
Ostatni pomiar wykonano przy składowej stałej wynoszącej 20 V. Podczas tej próby moc pozorna transformatora badanego była przekroczona 3,5 – krotnie.
Obciążenie strony pierwotnej transformatora:
S = 2,88 A * 195,73 V = 563 VA
Obciążenie strony wtórnej:
P = S =176,21^2 / 2,7k = 11,49 VA
Porównanie pracy z filtrem oraz bez filtra
Wykonano po 9 pomiarów układzie pomiarowym z filtrem oraz bez niego. Wyniki pomiarów oscyloskopowych przedstawiono w postaci graficznej poniżej.
Napięcie pierwotne (Uwej) badanego transformatora, wynoszące około 218 V wynika z obciążenia transformatora separacyjnego odkształconym prądem badanego transformatora. Transformator separacyjny T1 zasilony był napięciem 224 V AC.
Bez filtra:
Wzrost prądu w funkcji wartości napięcia składowej stałej był liniowy i wynosił 0,3 A / 2,5 V.
W przypadku napięcia wyjściowego (I2) spadek napięcia wynosił 2,5 – 3,9 V / 2,5 Vdc.
Z filtrem:
Wzrost prądu w funkcji wartości napięcia składowej stałej powyżej 2,5 Vdc był liniowy i wynosił 0,3 A / 2,5 V.
W przypadku napięcia wyjściowego (I2) powyżej 2,5 Vdc spadek napięcia wynosił 2,4 – 3,9 V / 2,5 Vdc.
Widoczne jest działanie filtra do wartości napięcia składowej stałej 2-2,5 V. Przy tej wartości napięcie na układzie ogranicznika diodowego wynosiła około 1,47 Vrms przy 80 mV składowej zmiennej.
Układ z filtrem bardzo dobrze separował składową stałą do wartości około 2-2,5 V składowej stałej. Powyżej tej wartości ogranicznik napięcie na ograniczniku wynosiło około 1,39 V RMS, 1,5 Vmax, przy czym składowa zmienna wynosiła 150 mV .
Przebiegi prądu bez filtra
Przebiegi prądu z filtrem
Badania uzupełniające, a co gdyby usunąć ogranicznik diodowy?
Ogranicznik diodowy zapobiega rezonansowi, jednak co spowoduje jego usunięcie?
Oscylogram poniżej prezentuje układ z transformatorem, filtrem bez ogranicznika diodowego przy zasilaniu ze składową stałą wynoszącą 30 V.
Pomimo próby z największą wartością składowej stałej wartość prądu pierwotnego transformatora jest najniższa ze wszystkich badanych. W stanie ustalonym całe napięcie składowej stałej odłożone było w kondensatorach. W przypadku załączenia układu z rozładowanym kondensatorem, a załączonym wymuszaniem składowej stałej czas na ustabilizowanie się układu wynosił kilka sekund. W tym czasie prąd pierwotny zmniejszał się przez kilkanaście sekund z wartości około 4 A do 380 mA.
Zagrożenie rezonansem
Warunkiem rezonansu jest jednakowa reaktancja cewki i kondensatora. Jako cewkę można potraktować uzwojenie pierwotne transformatora.
Co się dzieje podczas rezonansu szeregowego kondensatora i cewki?
1. Prąd płynący przez transformator oraz kondensator znacząco wzrasta. Ograniczony jest jedynie rezystancją wypadkową sieci, kondensatora oraz samego uzwojenia transformatora.
2. Napięcie na kondensatorze i uzwojeniach transformatora znacząco wzrasta.
3. Wysokie prądy oraz napięcia w układzie mogą być źródłem zakłóceń elektromagnetycznych.
Reaktancja pojemnościowa zastosowanych kondensatorów wynosiła 0,6 Ω. Reaktancja indukcyjna uzwojenia pierwotnego badanego transformatora wynosiła około 530 Ω przy prądzie biegu jałowego. Transformator jest elementem o nieliniowej charakterystyce indukcyjności wynikającej z właściwości zastosowanego rdzenia. Indukcyjność transformatora maleje wraz z jego obciążeniem. Stąd realne jest zagrożenie rezonansem transformatora z pojemnością filtra składowej stałej.
Przez zastosowanie kondensatora o dużej pojemności przesuwamy częstotliwość rezonansową poniżej częstotliwości pracy transformatora.
Dla transformator o reaktancji ind. = 530 Ω, przy f = 50 Hz (dla biegu jałowego) ind. wynosi 1,687 H.
Przy pojemności 5300 uF częstotliwość rezonansowa wynosi 1,68 Hz.
Przy tej samej indukcyjności i częstotliwości rezonans może wystąpić przy pojemności 6 uF – mało realna wartość ze względu na dużą reaktancję pojemnościową.
Zmienić się może wartość indukcyjności transformatora.
Rezonans przy pojemności 5300 uF i częstotliwości 50 Hz wystąpi przy indukcyjności 1,91 mH.
Skutki w praktyce
„
Rozdzielnia (rys. 4) w momencie wystąpienia awarii pracowała w warunkach bardzo małego obciążenia, w związku z czym przy biegu jałowym silników sprężarek (160kW) i przy jednoczesnym załączeniu silników sprężarek (250kW) nastąpiło włączenie maksymalnej liczby członów baterii kondensatorów układu automatycznej kompensacji mocy biernej. W tych warunkach powstał dla 7-mej harmonicznej obwód rezonansowy układu: bateria kondensatorów – transformator zasilający. Należy zaznaczyć, że silniki napędu kompresorów (250kW) podczas rozruchu są przyczyną pojawiania się 7-mej harmonicznej napięcia przekraczającej 2% wartości składowej podstawowej.
W związku z tym w obwodzie rezonansowym pojawiła się 7-ma harmoniczna prądu o wartości ok. 10kA powodując zadziałanie zabezpieczenia zwarciowego, którego prąd pobudzenia
ustawiono na wartość 6,72kA, z nastawą czasową ok. 0,3s. Jednocześnie wartość prądu była mniejsza od wartości prądu koniecznego do przepalenia wkładek bezpiecznikowych baterii kondensatorów w tak krótkim czasie. Dlatego też bateria przez cały czas przebiegu awarii pozostawała załączona na szyny zbiorcze rozdzielni.
Wskutek zadziałania zabezpieczenia i przerwania prądu (o dużej wartości) wystąpiły w układzie przepięcia przekraczające wytrzymałość elektryczną izolacji w niektórych miejscach rozdzielni, powodując uszkodzenie części aparatury. Przedstawiony obraz zjawisk mających miejsce podczas awarii
w omawianej sieci jednoznacznie wskazuje na fakt wystąpienia rezonansu szeregowego w układzie transformator – bateria kondensatorów. Impedancja wypadkowa omawianego układu dla częstotliwości rezonansowej ma bardzo małą wartość, w związku z czym prąd osiągnął bardzo dużą wartość.”
Andrzej MICHALUK, POLITECHNIKA WROCŁAWSKA, INSTYTU T ENERGOELEKTRYKI „Rezonans w układach nieliniowych z uwzględnieniem transformatora zasilającego”
Autor artykułu zwraca uwagę na ryzyko występowania rezonansu w układzie transformator – kondensator. Takie zjawisko w skutkach prowadzi do przepływu prądu przeciążeniowego, podczas którego istnieje ryzyko powstania przepięć o wysokiej wartości.2
Wpływ nieliniowości elementów indukcyjnych na rezonans
Grafika poniżej przedstawia wykres indukcyjności dławika na rdzeniu żelaznym w funkcji prądu. Po przekroczeniu prądu nasycenia, w tym przypadku około 5 A nastąpił gwałtowny spadek indukcyjności.
Na grafice poniżej zestawiono reaktancję pojemnościową z kilkoma krzywymi reaktancji indukcyjnej dławika w zależności od prądu pomiaru.
Każde przecięcie reaktancji indukcyjnej z pojemnościową oznacza rezonans. Na tym rys. rezonans występuje przy częstotliwości 65 Hz, 125 Hz, 150 Hz, 215 Hz.
Badany dławik był wykorzystany w filtrze 3 harmonicznej, miał zadanie tłumić 3 harmoniczną podczas rezonansu szeregowego.
Istnienie pętli histerezy, która tłumaczy nasycanie się rdzenia magnetycznego i spadek indukcyjności powoduje, że określenie warunków rezonansu może być utrudnione, ale nie niemożliwe.
Wnioski
Klasyczny układ DC blocker-a posiada spore ograniczenia filtrowania składowej stałej. Jego skuteczność zależy od zastosowanych podzespołów. Zbyt mała pojemność kondensatora szeregowego wiąże się ze spadkiem napięcia przy przepływie prądu przemiennego i może wiązać się z ryzykiem rezonansu.
Bardzo dobre wyniki filtrowania składowej stałej osiągnięto przez zastosowanie samego kondensatora szeregowo z transformatorem. Takie połączenie jest jednak niewskazane, ponieważ w razie wystąpienia rezonansu nie będzie elementu będącego w stanie zabezpieczyć zasilany odbiornik oraz kondensatory przed uszkodzeniem.
