S-menetelmä

Kuristimen virta oikosulkutilanteessa voidaan laskea käyttä­

mällä hyväksi nimellisvirtaa sekä raudalle mitattu näennäis- teho massaa kohden vuontiheyden funktiona -käyrää. Menetelmä on seuraavanlainen.

Mitataan kullekkin rautalaadulle kuristimen näennäisteho S keskipylvään keskimääräisen vuontiheyden funktiona (S=S(B)).

Jaetaan mitattu näennäisteho mitatun rautasydämen massalla.

Saadaan näennäisteho massaa kohden vuontiheyden funktiona ( S1=S(В)/mFe=S1(В) ). Mittaustuloksia käytetään hyväksi seuraavasti. Jaetaan kuristimen oikosulkuvirta kahteen osaan: lineaariseen osaan (ilmaväli) ja epälineaariseen osaan (rauta). Oikosulkuvirran lineaarinen osa saadaan ni- mellisvirrasta kertomalla se oikosulkujännitteen UH ja ni­

mellis jännitteen Un suhteella. Epälineaarinen osa saadaan kertomalla tutkittavan sydämen rautapaino funktion S'(B) arvolla oikosulkuvuontiheydellä ja jakamalla tulos oikosul­

ku j äänitteellä.

I — Ук. I SfB) Mp«

k Un n uu

46

Menetelmä on osittain kokemusperäinen ja sen on todettu an­

tavan oikosulkuvirran käytetyillä rautalaaduilla ja sydänle- vyn leikkaustavoilla tarkasti. Virheet ovat olleet keskimää­

rin alle 4 %. Menetelmä soveltuu hyvin tietokonelaskentaan, koska se on melko yksinkertainen ja tietokone selviytyy las­

kennasta nopeasti. Tämä on tärkeää, koska kuristimen opti­

moiminen tietokoneella on melko aikaavievä laskutoimitusten sarja ja optimoinnin kestäessä oikosulkuvirta joudutaan las­

kemaan useaan kertaan.

3.6 YHTEENVETO VIRTOJEN MÄÄRITTÄMISESTÄ

Kuvassa 3.5 on esitetty graafisesti neljällä eri tavalla määritetty kuristimen virta jännitteen funktiona.

virta/mA

mitattu 1200

elementtimenetelmä

— tietokonelaskenta

220 260 jannite/V

KUVA 3.5 : Eri tavoilla määritettyjä kuristimen jännite—virta -ominaiskäyriä

Kuvasta voidaan havaita eri menetelmien erojen olevan pie­

net. Vasta oikosulkujännitteen arvolla on havaittavissa ero­

ja. Eniten muista eroaa elementtimenetelmällä saatu tulos.

Edellä esitetyn perusteella voidaan kuristimen tietokonelas- kennassa tukeutua S-menetelmää. Menetelmä on nopea, yksin­

kertainen ja ennenkaikkea tarkka tapa laskea kuristimen vir­

ta.

47

4.0. LEVYMITTOJEN JA VAIPAN VAIKUTUS KURISTIMEN VIRTAAN

Suuri osa LTL-leikkauksen mitoista on kehitetty kokemuspe­

räisesti. Muuttamalla mittoja siten, että kuristimen oiko- sulkuvirta pysyy vakiona mutta raudan kulutus pienee, saavu­

tetaan kustannussäästöjä. Kuvassa 4.1 on esitetty tutkimuk­

sen kohteena olleet magneettipiirin kohdat. Levymittojen muutosten vaikutusta on tutkittu mittaamalla, laskemalla tietokonetta apuna käyttäen kohdassa 3.2 esitetyllä tavalla sekä laskemalla elementtimenetelmällä.

KUVA 4.1: Luvussa 4. käsitellyt kuristimen osat

4.1 ALUMIINILANGAN KOLON VAIKUTUS VIRTAAN

LTL-leikkaustavassa kuristimen ilmaraon pituuden oikeaksi säätämisessä käytetään alumiinilankaa, joka on asetettu T- palassa sijaitsevaan koloon (kuva 4.2). Lanka pursuaa ulos kolosta ja määrää ilmaraon pituuden. Samalla lanka vakioi ilmavälin pituuden koko kuristimen matkalla. Lankamateriaa- lin ominaisuuksien vuoksi ilmavälin pituutta on helppo sää­

tää ja pituus säilyy myös virityksen jälkeen.

48

alumnmianka

KUVA 4.2 : Alumiinilangan kolo

Kolo aiheuttaa magneettipiiriin kaventuman ja täten vuonti- heyden kasvun keskipylväässä kolon kohdalla. Kolo kaventaa piiriä 14.6% 1.4mm:n matkalla. Vuontiheys ei kuitenkaan nouse samassa suhteessa, koska hajavuot kasvavat ilmavälissä vuontiheyden noustessa. Osa vuosta pyrkii kiertämään kaven­

nuksen. Taulukossa 4.1 on esitetty kolon vaikutus virtaan verrattuna kolottomaan kuristimeen. Taulukon arvoista kum­

mankin jännitteen ensimmäinen sarake esittää virran abso­

luuttista suurentumaa verrattuna kolottomaan kuristimeen ja toinen sarake suhteellista muutosta.

TAULUKKO 4.1 : Alumiinikolon vaikutus virtaa U=161V;

Syntyvä oikosulkuvirran kasvu aiheuttaa sen, että paketin pituutta joudutaan lisäämää sen verran, että virran kasvu kompensoituu. Toinen tapa kompensoida virran kasvua on li­

sätä kierroslukua, jos käämiaukkoon mahtuu.

4.2 L-PALAN ALAKULMAN VAIKUTUS VIRTAAN

Kuvassa 4.3 on esitetty L-palan ilmaraonpuoleinen kulma suu­

rennettuna. Kuvaan on katkoviivoin piirretty erilaisia ka- vennuksi ko. osaan. Kuvan mitta d vaikuttaa sen rautarainan leveyteen, josta L-palat leikataan. Mitä suurempi kavennus sitä kapemmaksi raina voidaan tehdä. Kuvassa 4.4 on esitetty graafisesti mitan d vaikutusta kuristimen virtaan verrattuna nykyisen LTL-leikkauksisen kuristimen virtaan. Kuvassa on kaksi käyrää, joista toinen edustaa tietokoneella laskettua ja toinen elementtimenetelmällä saatua virran riippuvuutta ko. mitasta oikosulkutilanteessa (Uk=242V). Nimelliskäytössä vuontiheydet ovat niin pieniä, että ko. kavennusten vaikutus virtaan on minimaalinen. Voidaan todeta, että liiallinen kulman kaventaminen johtaa hyvin jyrkkään virran nousuun.

KUVA 4.3 : L-palan alakulman

erilaisia kavennuksia

virran muutos/%

24

'■■■'■

20 - V- 1 1: 1 1 •

--- tie tokon el asken ta --- FEM —analyysi

KUVA 4.4 : L— palan alakulman kavennus-säteen vaikutus kuristimen virtaan

4.3 IKKUNAN YLÄLAIDAN VAIKUTUS VIRTAAN

Jos nykyisen LTL-leikkauksen käämi-ikkunaa suurennetaan, voidaan käämissä käyttää paksumpaa lankaa. Tämä puolestaan pienentää resistanssia ja täten kuparihäviöitä. Jos kuristi­

men ulkomittoja ei kuitenkaan haluta muuttaa, täytyy joko pylväitä tai ikeitä kaventaa. Taulukossa 4.2 on esitetty T- palan ikeen kaventamisen 0.6 mm vaikutus oikosulkutilantees­

sa verrattuna nykyiseen LTL-leikkaukseen. virtasarakkeista ensimmäinen on jälleen absoluuttinen muutos ja toinen suh­

teellinen virran muutos.

TAULUKKO 4.2 : Ikkunan ylälaidan vaikutus kuristimen virtaan virran abs. muutos virran suht. muutos

mitattu 7.0 mA 0.60 %

laskettu 49.6 mA 4.28 %

elementtime­

netelmä

50.0 mA 4.32 %

51

Mittausten ja laskettujen tulosten ero on huomattava. Osa erosta johtuu siitä, että mittauksessa käytetty kuristin on jouduttu purkamaan mittausten välillä, jotta iestä olisi voinut kaventaa. Tämä on kuitenkin vaikuttanut kuristimien ilmaraon pituuteen ja puskusaumoihin jääviin ilmarakoihin ja täten muuttanut viritystä. Lasketuissa tuloksissa virhettä aiheuttaa se, että entistä suurempi osa vuosta hakeutuu kul­

kemaan vaipassa kavennuksen ohi, eikä tätä ole laskelmissa otettu huomioon. Todellinen tämän kavennuksen vaikutus jää siis 0.6%: n ja 4.3%: n väliin.

52

5.0. VAIPAN VAIKUTUKSET

Useat valmistajat, niiden joukossa OY HELVAR, käyttävät ku- ristimiensa rautasydämen ympärillä vaippaa. Se on yleensä tehty kylmävalssatusta teräksestä. Vaipan paksuus vaihtelee 0.5 mm:n ja 1.5 mm:n välillä. Useissa kuristimissa vaippa on täysin mekaanisista syistä. Se pitää kuristimen rautapaketin kasassa. Osittain tämä pitää paikkaansa myös OY HELVARin kuristimissa, joissa on käytetty LTL-leikkaustapaa. Vaipalla on myös muita ominaisuuksia. Se vaikuttaa kuristimen impe­

danssiin, lämpenemään, hajakenttiin ja käyntiääneen.

Vaipan vaikutusta kuristimen ominaisuuksiin voidaan tutkia kahdella tavalla; mittaamalla sama kuristin vaipallisena ja vaipattomana, jolloin saadaan selville vaipan osuus mittaus­

tuloksista nykyisessä LA-sarjan kuristimissa tai mittaamalla kaksi eri kuristinta, joiden ulkomitat ovat samat ja joista toisessa on vaippa, toisessa ei. Jälkimmäisessä mittauksessa saadaan selville vaipan kustannusvaikutukset. Tämä on poh­

jana kuristimen tuotekehitykselle. Suunnittelun lähtökohtana on kuristimelle asetettu tietyt laatuvaatimukset, jotka kä­

sittävät nimelliskäyttövirran, -lämpenemän, -häviöt ja haja- kentän sekä oikosulkulämpenemän ja -häviöt. Lisäksi on lyöty lukkoon kuristimen profiili so. korkeus•leveys. Kuristimen pituutta ja käämi-ikkunan kokoa muuntelemalla etsitään hal­

vin lähtöarvojen rajoissa oleva kuristin. Optimointi joudu­

taan suorittamaan erikseen sekä vaipattomalle että vaipalli- selle vaihtoehdolle.

5.1 VAIPAN SÄHKÖISET VAIKUTUKSET

Taulukko 5.1 esittää tuloksia mittauksista, joissa sama ku­

ristin on mitattu sekä vaipallisena että vaipattomana. Mit­

tauksissa on käytetty normaalia sarjatuotanto kuristinta L65A 220V 50Hz.

53

TAULUKKO 5.1 : Vaipallisen ja vaipattoman kuristimen mit­

taustuloksia. Profiili muutuu.

vaipallinen vaipaton

In 0.670 A 0.679 A

9.25 W 9.40 W

PnП F'Q 2.95 W 2.60 W

pn_trotz 12.10 W 12.00 W

suhteellinen hajakenttä 258 354

lie 1.159 A 1.245 A

28.17 W 32.50 W

n Fe 7.13 W 5.58 W

rtotрК. 35.30 W 38.80 W

Vaippa alentaa kuristimen virtaa. Tämä johtuu siitä, että osa vuosta hakeutuu vaippaan ja siten varsinaisen rautasydä- men vuontiheys pienenee. Pienentynyt virta puolestaan vähen­

tää kuparihäviöitä, jotka ovat suoraan verrannollisia virran toiseen potenssiin. Rautahäviöt puolestaan nousevat vaipan johdosta. Nyrkkisääntönä voidaa pitää vaipan aiheuttavan 0.3 W lisähäviöitä nimelliskäytössä ja 1.5 W oikosulkutilan- teessa. Nimelliskäyttötilanteessa kuparihäviöiden lasku ja rautahäviöiden nousu kumoavat toisensa vaipallisessa kuris­

timessa verrattuna vaipattomaan, mutta oikosulkutilanteessa vaipattoman kuristimen rautahäviöiden lasku ei riitä kumoa­

maan virran noususta aiheutuvaa kuparihäviöiden nousua. Vai­

pattoman kuristimen häviöteho on siis oikosulussa suurempi kuin vaipallisen.

Vaippa myös vaimentaa voimakkaasti hajakenttiä. Tästä syystä vaipallisen kuristimen käyntiääni valaisimessa jää pienem­

mäksi kuin vaipattoman.

54

5.2 VAIPAN KUSTANNUSVAIKUTUKSET

Taulukossa 5.2 on esitetty kahden eri L40A-P kuristimen mit­

taustulokset. Kuristimien profiilit sekä sekä rautapaketin pituus ovat samat. Toisessa kuristimessa on vaippa, toisessa ei. Tässä tilanteessa vaipattoman kuristimen laitapylväät ovat vaipan paksuuden verran paksummat kuin vaipallisen vaihtoehdon.

TAULUKKO 5.2 : Vaipallisen ja vaipattomen kuristimen mit-tuloksia. Profiili sama molemmissa kuristi­

missa

suhteellinen hajakenttä 180 205

lämpenemä 54.5 °C 60.0°C

I* 0.800 A 0.807 A

P£~ 26.05 W 26.51 W

5.65 W 4.00 W

pK r tot 31.70 W 30.51 W

lämpenemä 153.5°C 172.0°C

Koska tässä tilanteessa vaipattoman kuristimen laitapylvästä ei ole kaventamassa vaippaa, ovat kuristimien virrat suurinpiirtein samat. Täten ei myöskään kuparihäviöissä ole juuri eroja. Sen sijaan rautahäviöiden erot ovat samaa suu­

ruusluokkaa kuin edellisessä kohdassa. Tässä tilanteessa päinvastoin kuin edellisessä ovat vaipattoman kuristimen häviöt pienemmät.

Vaipallinen kuristin, jossa jäähdytyspinta-alaa on enemmän, 55

lämpenee huomattavasti vähemmän kuin vaipaton vaihtoehto.

Maksimilämpenemä on yksi tärkeimpiä kuristimen mitoituspe­

rusteita. Jotta vaipattoman kuristimen lämpenemä saataisiin pienennettyä, täytyy paketin pituutta lisätä. Tämä puoles­

taan aiheuttaa kustannuslisää. Pienempi hajavuo puoltaa vai- pallista vaihtoehtoa myös tässä tapauksessa.

56

6. YHTEENVETO

Luvun 2. perusteella voidaan sanoa saavutetun entistä tar­

kempi tieto vuon kulusta kuristimessa. Tärkeä havaintona on tieto vuontiheyden pienenemisestä lineaarisesti siirryttäes­

sä magneettikentän tasapotentiaalipintaa magneettipiirin sisälaidalta ulkolaidalle. Tätä tietoa on voitu käyttää hy­

väksi kohdassa 3.2 virtaa laskettaessa, joka menetelmä myös on kehitetty työn yhteydessä.

Kuristimen virran määrittäminen eri tavoilla antaa yllättä­

vän yhdensuuntaisia tuloksia. Vaikka menetelmän poikkeavat periaatteiltaan toisistaan melkoisesti, ovat tulokset pien­

ten marginaalien sisällä. Tietokonelaskentaan soveltuu par­

haiten S-menetelmä, joka on yksinkertainen, mutta silti riittävän tarkka.

Levymittojen vaikutusta kuristimen virtaan ei ole ennen näin laajasti tutkittu. Nyt saadut tulokset antavat hyvän pohjan LTL-leikkauksisen kuristimen jatkosuunnittelulle, joskin saadut tulokset olivat ennalta odotettujen kaltaisia. Vaipan vaikutusten tutkiminen jäi hyvin yleiselle tasolle. Mitään yksityiskohtaista tulosta onkin hankala saada, koska vaipan vaikutukset ovat hyvin tapauskohtaiset ja tulee tutkia kul­

lekin kuristinvaihtoehdolle erikseen.

57

LÄHDELUETTELO

1. DIN 49865 beiblatt: Vorschaltgeräte für Leuchtstoff­

lampen mit vorgeheizten Elektroden für Starter­

berieb; Schaltpläne und Kennzeichnung der Ver- drachtung. - 1975, 4 s.

2. IEC Standard Publication 81: Tubular fluorescent lamps for general lighting. - 1984, 151 s.

3. IEC standard Publication 82: Ballast for tubular fluorescent lamps. - 1980, 101 s.

4. IEC standard Publication 404-2: Magnetic materials part 2: Methods of measurement of magnetic, electrical and physical properties of magnetic sheet and strip. - 1978, 85 s.

5. Jokinen, Tapani: Sähkölaitteiden tuotekehittely (323).—

Espoo, Otakustantamo, 1972, 115 s.

6. Luomi, Jorma: Opetusmonisteet (opintojakso 1.17.140).

Espoo, TKK Sähkömekaniikan laboratorio, 1986,

- 154 s. . ...

7. SFS standardi 4372 : Lääkintätilojen sähköasennukset. -1979, 38 s.

8. Suomen Sähköurakoitsijaliitto RY, Suomen valoteknilli-nen seura RY: Valaistustekniikan käsikirja I. - Helsinki, Sähköliikkeiden Palvelu ja Kustannus OY, 1977, 299 s.

9. Voipio, Erkki: Sähkömittaustekniikka. - Espoo, Otakus­

tantamo, 1975, 230 s.

58

Teknillisen Korkeakoulun Sähköteknilliv - osaston

käsikirjasto

LIITE I

vsuomco]?

CO] SUORAT

Ci] 'ANNA Di, D2, L, KUU Oi, KUU02, IJ1 [23 APUifO

C3] VUO APUÍC63 a keskimääräinen vuo keski pyiäässä я

C43 BAVEfFI If( ( APUiCi3 fAFUÍC43),(APU1C23 fAFU1C 53)) ñ vuon ti he у det päissä n C53 MAPUiC33INTES BAVE)f393 a integrointi n

C63 OfI,BAVE a tulostus a

VINTEGC03?

[03 VAS*НАТКА INTEG ВИINНАХ

Ш n OHJELMA LASKEE MAGNEETTIKENTIN VI IVAINTEGRAALI N PITKIN SUORAA [23 n PITUUS ON MUUTTUJA MATKA

[33 DELTAXfMATKAfASKEL

[43 Bf EMI NMAXC13+( i ASKEL) x( BMI NMAXC 23-BMI NMAXC13) e-ASKEL [53 VA5>DELTAXx(+/(KÄYRÄ E))

[63

ft OHJELMA LASKEE KOLMION MALLISEN KAPPALEEN MAGNETOINTI VIRRAN (L65A) ft KOLMION SIVUT JOISTA VUO KULKEE SIääN JA ULOS OVAT Di JA D2 JA NÄIDEN ft VÄLINEN KULMA ON MUUTTUJA 'KULMA'

1 ANNA Di,D2,KULMA,KVUOi,U' AFUfO

VUO APUC53 n Lasketaan keskimääränen vuon keski pylväässä a BAVEfFIIf(<APÜEi3fAPUE43),(APUC23fAPUC43)) a Vuontiheys MATf < ( Í APUC 13 ^t2)*2)+( ( APUC 23 *23*2) -( 0.5x APUC 13 xAFUC 23 x(

If(MAT INTEG BAVE)f393 a integrointi a OfI,BAVE a tulostus a

kolmion sivuilla 2oftPUC 33 3 )3*0,5 a

a

cosi ni lau

9VU0C037 [03 VUO LI

C13 FI I f 0. 5xi.4142xljf(oí00)x393x0,íí956

In document Erään loistelamppukuristimen magneettipiirin analyysi (sivua 46-0)