A technologybank for designing ballasts for discharge lamps

(1)

A technologybank for designing ballasts for discharge lamps

Citation for published version (APA):

Oortwijn, E. (1987). A technologybank for designing ballasts for discharge lamps. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPA0430). Technische Universiteit Eindhoven.

Document status and date: Published: 01/01/1987

Document Version:

Publisher’s PDF, also known as Version of Record (includes final page, issue and volume numbers)

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

(2)

STAGEREPORT

TITLE

AUTHOR

ABSRTACT

PRODUCT DEVELOPMENT LIGHT OSS

OVO 4000/87 Deel 1

A TECHNOLOGYBANK FOR DESIGNING BALLASTS

FOR DISCHARGE LAMPS

E. OORTWIJN

MARCH 1987

Because of the fast succession of new

ballast-designs,

Philips Oss would like to have a flexible program to make

calculations on ballast-designs leading to an optimal design.

In a word, a technologYbank.

Therefor an analysis has been made

on the theory concerning

ballast-technology after which a technologybank was developed

following the example of the existing C.F.T.

technolo~ybanks

(C.F.T.

= Centre For manufacturing Technology).

The first part of this report contains the theory on

ballast-technology that was used for the ballast-technologybank, the second

part describes the realization of the program.

KEYWORDS

LANGUAGE

Technology bank

Designing of ballasts for discharge

lamps

Magnatic induction

Watt-loss

Airgap

Winding parameters

DUTCH

(3)

MAILING LIST:

Examencommissie: Prof. Ir. F. Doorschot

(voorzitter)

Prof. Ir.

J. Balkestein

Ir. P. Mikkers

lng. F. Langemeijer

Ir. P. Wijnands, Philips Oss

De heren

Beekmans

Droomers

van Esch

van de Helm

van Merrienboer

Paulusse

Penning

van Riel

Smit

Streefland

Teunisse

Thiessens

van de Wielen

(4)

FORMULERING EINDOPDRACHT VOOR: E. Oortwijn

TU-Eindhoven

Faculteit der Werktuigbouwkunde

Afstudeerhoogleraar: Prof.Ir. F. Doorschot

OPDRACHT:

Het ontwerpen van een technologiebank voor het berekenen van voorschakelapparaten (V.S.A.'s), ten behoeve van Philips 055. Het voorschakelapparaat zorgt voor het stabiel branden en goed starten van een gasontladingslarnp. Bij de ontwikkeling van een nieuw type lamp, hoort ook de ontwikkeling van een nieuw type V.S.A. dat voor de nieuwe lamp optimaal funktioneert.

Daar de nieuwe lamptypen elkaar steeds sneller opvolgen, is de technologiebank een gewenst hulprniddel om snel tot maakbare V.S.A.-ontwerpen te kornen.

Bij het ontwerp van de technologiebank dient erop gelet te

worden dat deze in de toekornst nog uitgebreid moet kunnen worden.

AANPAK:

-Analyseer de bestaande technologie op het gebied van het ontwerpen van V.S.A.'s, en forrnuleer deze op een wijze die in de vorrn van een algoritrne is te schrijven.

-Analyseer het V.S.A.-ontwerpproces en korn op grond daarvan tot een een rnogelijke structuur voor de technologiebank.

-Zet de beide uitgevoerde analyses om in een werkend programma.

Oktober 1986 Ir. P.N.G. Wijnands Philips 055 Prof.Ir. F. Doorschot

TU-Eindh'J;4

(5)

~---Inhoudsopgave deel 1: Abstract Opdrachtomschrijving Inhoudsopgave Symbolenlijst Samenvatting Voorwoord Inleiding

Boofdstuk 1 : Waarom VSA's

?

bIz. 3 5 8 9 10

§ _1.1_{De functies van het voorschakelapparaat}

11 11 14 16 17 18

§ _{1.2 Een weerstand als VSA}

§ _{1.3 Een spoel als VSA}

§ _{1.4 Een kapaciteit. als VSA}

§ _1.5_{De keuze}

Boofdstuk 2: De functie van een t.echnologiebank 20

§ 2.1 Technologieprogramma's 20

§ 2.2 Technologieprogramma voor VSA ontwerpen 21

Boofdstuk 3: De bouw van het VSA

§ 3.1 Onderdelen en afmet.ingen

Boofdstuk 4: Berekeningen bij het. ont.werp

§ 4.1 Bet ontwerpproces § 4.2 Bet wikkelen § 4.2.1 Wikkelmethoden 23 23 28 28 29 29

§ 4.2.2 Bet orthocyclisch maximum 30

§ 4.2.3 Bet technisch maximum 31

§ 4.3 De Iuchtspleet 33

§ 4.3.1 Afleiding van de formule 33

§ 4.3.2 De permeabiliteit van het blik 35

§ 4.3.3 Berekening korrektie faktoren 36

§ 4.3.4 VergeIijking met bestaande

programma 38

(6)

bIz. § 4.4 De vermogensverliezen 38 § 4.4.1 De specifieke Watt-verliezen in ijzer 39 § _{4.4.2 De anisotropie faktor} § _{4.4.3 De deformatie faktor} § _{4.5 De induktie} § _{4.6 De materiaalkosten} § 4.7 De stapelhoogte § 4.8 De draaddiameter

Hoofdstuk 5: Vergelijking en conclusies

§ 5.1 Vergelijking met metingen en

huidige berekeningen § 5.2 Conclusies en aanbevelingen Literatuuropgave Bijlagen 40 41 42 44 45 46 47 47 48 50

(7)

Lijst van gebruikte symbolen,

a A ex ex B B Bo d do

dksch

D

Dmpt

Dmax

t. f

fa

fd

Fij

¢ ~

Pootbreedte van het blikprofiel

Fluxoppervlak binnen een winding

Relatieve verhoging van Watt-verliezen in

gedeformeerd blik

Richtingscoijfficiijnt in de relatie tussen

8 (gemeten) en 8(berekend)

Netto wikkelbreedte

Magnetische induktie

Induktie waarop genormeerd wordt

Induktie in de luchtspleet

Induktie in het stootvoeg gebied

Induktie in het ijzercircuit

Konstante in de relatie tussen 8(gemeten)

en 8(berekend)

Kerndraaddiameter

Kerndraaddiameter waarop genormeerd word

Kopschotdikte

Overall diameter van de gerekte draad

Middelpuntsafstand tussen twee draden in

een laag windingen

Overall diameter van de ongerekte draad

Luchtspleetgrootte

Lengterek in de draad

Netfrequentie

Anisotropiefaktor

Deformatiefaktor

Stapelfaktor

Flux van de spoel

Korrektiefaktor voor de stootvoeg en

de circuit onderbreking

l'

Verbeterde korrektiefaktor voor de stootvoeg

h

hs

H H

Ha

en de circuit onderbreking

Hoogteverschil tussen twee lagen windingen

Stapelhoogte

Netto wikkelhoogte

Veldsterkte

Aangelegde veldsterkte

(m) (m2 ) (-) (-) (m)

(Tesla)

(TesIa)

(m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) em) (-)

(Hz)

(-) (-) (- )

(V*sec)

(m) (m) (m) (m) (m) (Aim) (Aim)

(8)

Ho

Ha'

Hij

I k

k'

kbr

lij

1gem

L L n

Northo

Nmax

Nproef

Nextra

w PI.O Pl,oll Pl J 5

I I

Pi nd

I I

Veldsterkte in de luchtspleet

Veldsterkte in het stootvoeg gebied

Veldsterkte in het ijzercircuit

Stroomsterkte

Korrektiefaktor voor de luchtspleet

Verbeterde korrektiefaktor

v~~r

de

luchtspleet

Kernbreedte van de spoel

Gemiddelde lengte van veldlijnen in

ijzercircuit

Gemiddelde lengte van een winding

Aantal lagen met windingen

Coefficient van de zelfinduktie

Aantal windingen

Orthocyclisch wikkelmaximum

Technisch wikkelmaximum

Technisch wikkelmaximum uit proeven

Aantal windingen dat eventueel extra

(Aim)

(A/m)

(A) (-) (-) (m) (m) (m) (-) (Ohm) (-) (-) (-) (-)

in het wikkelvenster zou passen

(-)

Permeabiliteit van het vacuUm (4x*10-

7 )

(Vsec/Am)

Relatieve permeabiliteit bij een

wisselveld

. Hoekfrequentie

Specifieke Watt-verliezen bij

1,0 Tesla

Specifieke Watt-verliezen bij

1,0 Tesla in walsrichting

Specifieke Watt-verliezen bij

1,0 Tesla loodrecht op walsrichting

Specifieke Watt-verliezen bij

1,5 Tesla in walsrichting

Specifieke Watt-verliezen bij

1,5 Tesla loodrecht op walsrichting

Specifieke Watt-verliezen bij een

induktie in walsrichting

Specifieke Watt-verliezen bij een

induktie loodrecht op walsrichting

(-) (-)

(Watt/kg)

(9)

Wcu

Watt-verliezen in de koperdraad

(Watt)

Wfe

Watt-verliezen in het blik

(Watt)

z

Impedantie

(Ohm)

(10)

Samenvatting,

Bij de ontwikkeling van een nieuw type V.S.A. is de ontwerper

gebonden aan eigenschappen van de lamp (lampspanning,

lampstroom) en aan afmetingen die gestandaardiseerd zijn in

verband met het produktieproces (stapelhoogte en

blikpro-fiel).

Maar ook heeft de ontwerper een aantal vrijheden zoals o.a.

het aantal windingen en de te gebruiken draaddiamater.

Binnen deze vrijheden moet de ontwerper het V.S.A.

optimali-sereno Hierbij kan een technologiebank een goed hulpmiddel

zijn. In het eerste deel van het verslag is de funktie en de

opbouw van een V.S.A. vastgelegd, alsmede de modelvorming die aan de basis van de technologiebank staat. De belangrijkste

.delen van dit model beschrijven het wikkelen van de spoel,

het berekenen van de luchtspleet in het V.S.A. en de

bereke-ning van de vermogensverliezen in het V.S.A.

Het tweede dee 1 van het verslag laat zien hoe uitgaande van

de ontwerpberekeningen het technologiebank programma werd

opgesteld. In dit deel is ook een beschrijving van het

gerealiseerde programma gegeven.

De berekeningsresultaten die met het opgestelde programma

werden bereikt geven aan dat vooral de berekening van de

Watt-verliezen in het blikpakket nog niet de gewenste

(11)

Voorwoord,

Als afronding van mijn studie aan de TU Eindhoven, faculteit

der werktuigbouwkunde, heb ik mijn afstudeeropdracht

uitge-voerd bij de Nederlande Philips Bedrijven B.V.

De opdracht omvatte het ontwikkelen van een technologiebank programma ten behoeve van de VSA ontwikkeling bij Philips in

055. Hierbij was het gewenst dat het voorbeeld werd gevolgd

van technologiebanken die eerder werden ontwikkeld bij het

C.F.T. (het Centrum voor Fabricage Technieken van Philips).

De opdracht viel uiteen in twee delen: het verzamelen en

analyseren van de huidige technologie op het gebied van de VSA ontwikkeling en het onderbrengen van deze technologie in een programma.

Het eerste gedeelte van mijn afstudeerwerk heb ik daartoe

uitgevoerd bij Philips in Oss waar de VSA ontwikkeling en

produktie plaatsvindt. De realisatie van het programma werd op het CFT in Eindhoven uitgevoerd.

Ook de verslaglegging van deze opdracht is op die wijze in

twee delen gesplltst. Deel 1 bevat de theorie en de analyse

van de VSA technologie terwijl deel 2 de realisatie van het

programma beschrijft.

Mijn dank gaat uit naar de heren Doorschot, Wijnands en

Paulusse die mij gedurende mijn afstudeerperiode uitstekend begeleid hebben. Verder bedank ik iedereen met wie ik in deze

periode zo prettig heb samengewerkt. Zonder volledig te zijn

noem ik: A. van Merrienboer, C. Smit, A. Teunisse, F.

Droomers,

J.

Pannekoek en F. de Klein. Zij allen hebben

ervoor gezorgd dat mijn afstudeerperiode niet aIleen een zeer

leerzame periode werd maar daarnaast ook een zeer leuke

periode was.

Bijzondere dank ben ik verschuldigd aan Petra Wij5beck die

mij enorm heeft geholpen door a1 het typewerk voor mij te

verzorgen.

Eindhoven. maart 1987

41:,e::>

(12)

Inleiding,

In dit deel van het verslag wordt de theorie beschreven die

in het tweede deel wordt verwerkt in de technologiebank.

Om

goed te kunnen begrijpen wat er bij het ontwerp van een

V.S.A. allemaal van belang is wordt eerst de funktie en de

opbouw van een V.S.A. behandeld. Hierna worden aIle

bereke-ningen die aan het V.S.A. worden uitgevoerd geanalyseerd en

dusdanig geformuleerd dat zij in de technologiebank kunnen

(13)

Hoofdstuk 1: Waarom VSA's ?

I 1.1

De

functles van het voorschakelapparaat,

Om de functies van het voorschakelapparaat (VSA) te

begrij-pen, dient eerst wat dieper op de werking van SL, PL, en TL lampen, de gasontladingslampen, in te worden gegaan.

In principe is de lamp een met gas gevulde buis waarin aan

beide uiteinden een elektrode is ingesmolten. Wanneer over

deze elektroden een voldoende groot spanningsverschil wordt

aangebracht, dan zullen er elektronen van de kathode naar de

anode worden geemitteerd. Doordat de buis gevuld is met een

gas zullen er botsingen gaan optreden tussen de gasatomen en

de elektronen. Bij deze botsingen zijn drie situaties te

onderscheiden:

1. De botsing is elastisch. er ontstaat bij deze botsing

enkel warmte. Voor lichtproduktle gaat deze energie

verloren.

2. De botsing brengt het gasatoom in aangeslagen toestand.

Dat wil zeggen, door de botsing wordt binnen het gasatoom een elektron in een hogere energetische toestand gebracht

waaruit het na korte tijd weer terugvalt. Bierbij komt de

energie vrij in de vorm van licht.

3. De botsing maakt een elektron geheel vrij uit het gas

atoom. Na de botsing zijn er dus twee ~lektronen en een

gasion, waarvan de elktronen op hun beurt weer atomen

kunnen aanslaan of ioniseren. Bet ion verplaatst zich naar

de kathode om daar elektronen vrij te maken zodat de

stroomdoorgang gegarandeerd is.

ioniseren aangeslagen figuur 1 ,.--... /' " A I " .. - , \l,r I I ' \ J , I (i) I ~\ I \ \ \ I I ,.'

f'

" ' - - ' .f ...

_'--

...---- i

'"

"

,

-/ -/' 'S,-"':1

, I 4' Ln-1 \ _{\ ,}~ I-'~:" _r _{.... ,} , - _ ... I

"

...

__

..

"'" elastisch ....

--/ .... I / ' - " , I I \ \ : 1 0 I J _ \ , \ ,_",,~ I / ~_\ ... 1

...

...

_-;

(14)

"'-Het hierboven beschreven proces treedt pas op wanneer de

spanning over de elektroden een minimum waarde overschrijdt:

de ontsteekspanning. Pas bij deze ontsteekspanning is de

veldsterkte in de lamp voldoende hoog om elektronen aan de kathode vrij te maken en gasatomen te ioniseren. Wanneer het ionisatieproces eenmaal op gang is gebracht kan de

lampspan-ning weer iets dalen terwijl het ionisatieproces in stand

blijft.

De ontsteekspanning is niet veer iedere lamp gelijk maar is

afhankelijk van een aantal faktoren.

Het soort gas waarmee de buis gevuld is.

De ionisatiespanning is een soortelijke eigenschap van het gas.

- De gasdruk.

Bij een lage gasdruk zijn er weinig gasatomen in de

buis aanwezig, zodat de kans dat een elektron en

gasatoom treft erg klein is. Ook bij een hoge gasdruk

is er weinig ionisatie: de elektronen bot sen zo vaak op een atoem dat de elektronen tussen twee botsingen te weinig tijd hebben om voldoende snelheid voor een

volgende ionisatie te verkrijgen. Zowel hoge als lage

gasdruk vraagt dus een hoge ontsteekspanning. Er

tussen in bevindt zich een optimum, waar de ontsteek

spanning minimaal is - De buisdiameter

Bij een kleine buisdiameter is er relatief een groot

glasoppervlak aanwezig. De elektronen hebben dus een

grote kans om de glaswand te treffen. inplaats van een

gasatoom. Een kleine buisdiameter vraagt dus een

hogere ontsteekspanning.

- Bet materiaal en de vorm van de elektrode.

Een elektrode met een puntige, scherpe, vorm verhoogt

plaatselijk de veldsterkte hetgeen het emitteren van

elektronen bevordert.

Ook kan men de elektrode bedekken met een materiaal

dat gemakkelijk elektronen uitzendt (bijv. BaO of

(15)

- De lengte van de buis.

Hoe langer de buis is, hoe hoger de spanning zal zijn

die nodig is om elektronen aan de kathode ~rij te

maken. Om het ontsteken toch te vergemakkelijken kan

men gebruik maken van een hulpelektrode halverwege de buis.

Het leveren van de piekspanning die voor de ontsteking nodig is, is de eerste funktie van het VSA.

Na ontsteking van de lamp zal de gasontlading zich gedragen

volgens een negatieve spanning-stroom karakteristiek. Dit

houdt in dat bij een toenemende stroomsterkte, de spanning om de gasontlading in stand te houden afneemt.

figuur 2

u

i

--- R,

AU _ :

R.t

I I I I I •

.

dR <0

dl

1-+

Spanning-stroom Karakteristiek.

Het gevolg van zo'n karakteristiek is. dat een zelfstandige

gasontlading niet stabiel is. Wanneer de stroom door de lamp

met ~I toeneemt, neemt ook het aantal vrije elektronen in de

buis toe, waardoor er meer ionisatie gaat optreden. De

geleidbaarheid neemt hierdoor toe waardoor de lamps spanning

kan afnemen tot de waarde die bij de nieuwe stroomsterkte

hoort. Indien de lampspanning toch constant gehouden wordt.

dan zal deze spanning, die hoger is dan strikt noodzakelijk

voor het in stand houden van de gasontlading, de lampstroom blijven opjagen totdat de lamp defekt raakt.

Het blijkt dus nodig om de gasontlading te stabiliseren en op

die wijze de lampstroom te begrenzen. Dit is de tweede

functie van het VSA.

Een eis die aan het VSA gesteld moet worden, is dus dat het

een positieve spannings-stroom karakteristiek bezit, zodat de serieschakeling van VSA en lamp een karakteristiek heeft die, tenminste gedeeltelijk, positief en dus stabiel is.

(16)

/

, / ~.

~/:::'~=-·

___

--.JI...l,_-=:::t=t:=:==-gasontlading

figuur 3

De weerstand of impedantie van het VSA mag niet te klein zijn

omdat er dan bij kleine variaties in de netspanning de

stroomsterkte te sterk gaat varieren. De spanning-stroom

karakteristiek gaat namelijk vlakker lopen naarmate de

impedantie van het VSA afneemt. Daar er altijd fluctuaties in

de netspanning ~ullen optreden moet hier weI degelijk

rekening mee worden gehouden; anders zouden de elektroden het door deze fluctuaties al begeven.

De twee hiervoor beschreven functies, leveren van

piekspan-ning en stabilisatie, kunnen worden gerealiseerd door een

weerstand, een spoel, een kapaciteit of kombinaties hiervan als VSA toe te passen.

I

1.2 len weeratand ala

VSA

R

starter·

(17)

yl

Uonts

figuur 4 I I I I I

I

k

)I

donkerperiode

t

---+

Ulamp

Wanneer een weerstand als VSA wordt toegepast treedt er geen

fasedraaiing op tussen netspanning, lampstroom en

lampspan-ning. De lamp zal ontsteken zodra de netspanning groter wordt

dan de herontsteekspanning. Daarna loopt de netspanning

verder op tot zijn maximum en zakt de lam~spanning iets terug

tot zijn stabiele waarde. Het verschil tussen de door het net

toegevoerde energie en de door de lamp opgenomen energie

wordt in de weerstand gedissipeerd. Zodra de netspanning weer

onder de herontsteekspanning daalt dooft de lamp tot nieuwe

ontsteking volgt. Het gevolg van deze donkerperioden is dat

de lamp flikkert.

Het starten van de lamp moet gebeuren door eerst bij gesloten

starterschakelaar de elektroden middels de kortslultstroom

voor te verw?rmen, waarna bij opening van de schakelaar het spanningsverschil over de lamp moet doen branden.

De spanningspiek die nodig is om de lamp te starten wordt

niet, of slechts met moeite, geleverd: het starten gaat

slecht. Op het moment dat de starterschakelaar (het

glimmer-licht) zich opent is de spanning over de elektroden gelijk

aan de netspanning. De lamp zal aIleen starten wanneer zijn

ontsteekspanning zo laag is dat hij onder de netspanning

(18)

De nadelen van een weerstand als VSA zijn nu:

1., Laag rendement (± 50 %)

2. Stroboscopisch effekt (relatief grote donkerperioden) 3. Grote stroomvervorming

4. Start problemen

Het voordeel van een weerstand VSA is de lage prijs.

I 1.3

Ken spoel als VSA

glimmerlicht

lamp

Ulamp

figuur 5

In feite is de spoel een serieschakeling van een zuivere

zelfinduktie en een kleine weerstand. Doordat er in de

zuivere zelfinduktie een fase draaiing van 90° optreedt lopen

de netspanning en de lampstroom niet meer in fase. Op het

moment dat de lampstroom door nul gaat is de netspanning

boven de herontsteekspanning van de lamp zodat de lamp direkt

weer stroom gaat voeren en blijft branden. Er is dus geen

donkerperiode meer.

Ook het starten van de lamp gaat goed met de spoel. Op het

moment dat de starter opent ontstaat een spanningspiek ter

(19)

Voordelen van de spoel als VSA

1. Hoog rendement

2. Geen donkerperioden

3. Geringe stroomvervorming

- 4. Geen startproblemen

Een nadeel is het feit dat deze oplossing duurder is dan een

weerstand.

§

1.4 Een kapaciteit als VSA

-

glimmerlicht

vl

!lamp

figuur 6

Deze

oplossing is niet zondermeer toepasbaar. Wanneer de

spanning van teken wisselt ontlaadt de condensator met een

heel hoge stroom over de lamp hetgeen een te grote belasting

van de elektroden inhoudt.

Om toch de kapaciteit toe te kunnen passen moet men de stroom

begrenzen door de kapaciteit te kombineren met een spoel, of

door te werken bij hoge frequenties. In die gevallen kan men

toch nog gebruik maken van het voordeel van de kapaciteit,

namelijk het hoge rendement. Samenvattend geldt dus:

(20)

Bet voordeel van een kapaciteit als VSA is - het hoge rendement.

De nadelen zijn:

- de beperkte toepasbaarheid - de grote stroomvervorming

- de aanwezigheid van donkerperioden

i

1.5

De

keuze

Om tot een nog beter funktionerend voorschakelapparaat te

komen, kan een kombinatie van de

worden gebruikt. In de meest optimale

elektronische VSA waarmee exact de

elektroden, het ontsteektijdstip, de

lampstroom kunnen worden ingesteld.

beschreven komponenten situatie ontstaat een voorgloeitijd van de ontsteekspanning en de

De nadelen van zo'n elektronische VSA zijn vooral de hoge

kostprijs en daarnaast de temperatuursafhankelijkheid van

zo'n circuit.

Vandaar dat het VSA zoals het bij Philips in Oss geproduceerd wordt, bestaat uit een spoel, die, mede gelet op de relatief

lage kostprijs, van de genoemde oplossingen de beste

eigen-schappen heeft. De positieve spanning-stroom karakteristiek

van de spoel met ijzerkern is te be1nvloeden door een

luchtspleet in de ijzerkern aan te brengen. Door de

lucht-spleet te varieren kan de karakteristiek van de

gasont-ladingslamp met VSA geoptimaliseerd worden, zodat een goede

(21)

/ aHeen

_{- - - ---aUeen IJzer}

lucht

..

/,1

ijzerkern met luchtspleet

/1

/~

ul

I

(22)

Hoofdstuk 2: De functie van een Technologiebank

I 2.1 Technologie progra.aa's

Voor nieuwe VSA

ontwerpen geldt net als voor aIle nieuwe

produkten dat de nieuwe typen elkaar snel opvolgen. Hierdoor

is er voor de ontwikkelaar slechts weinig tijd om ontwerpen

die aan de nieuwe eisen voldoen te realiseren. Voor het snel

maken van de

juiste keuzes kan de technologiebank,

of

analyseprogramma, een goed hulpmiddel zijn.

Onder een technologiebank dient men

een combinatie van

computerprogramma's en gegevensbestanden te verstaan. Hiermee

kan de ontwikkelaar zelfstandig tot nieuwe ontwerpen komen.

De voordelen van het gebruik van de technologische kennis die

in de technologiebank gelntegreerd is, zijn (lit. [lJ):

- hoge nauwkeurigheid

- goede controle en terugkoppeling mogelijk

- optimalisatie van het ontwerp

- mogelijkheid tot integratie in C.A.D. systemen

- inzicht in tolerantie gevoeligheid

- geen beperkingen door problemen bij toepassing van de,

soms complexe, theorie.

De opbouw van een technologiebank is voor iedere toepasssing

gelijk: een invoergedeelte, een informatie- en rekengedeelte

en een uitvoergedeelte.

In het invoergedeelte legt de gebruiker een aantal variabelen

vast die nodig zijn om de berekening uit te kunnen voeren.

Deze invoer is een keuze van de gebruiker welke hij maakt op

basis van de eisen die hij aan zijn ontwerp stelt.

Het informatie- en rekengedeelte leest gegevens uit het

data-bestand van het programma en voert hierna de gewenste

berekening uit.

De nauwkeurigheid van de modelvorming die in

dit gedeelte gehanteerd wordt, bepaalt de nauwkeurigheid van

de berekeningsresultaten.

Deze resultaten worden in het uitvoergedeelte tesamen met de

(23)

gepre-I

2.2 Technologieprogramma voor VSA ontwerpen.

Het ontwerp van nieuwe VSA typen kent vele aspecten op grond waarvan men het ontwerp kan beoordelen. Dit zijn aspecten als kostprijs, verlies aan rendement (Watt-verliezen), opwarming,

standaardisatie en grootte van de toegepaste luchtspleet.

Deze laatste twee punten hangen samen met de keuze van

voorkeurswaarden voor bepaalde afmetingen van het VSA. De

andere aspecten volgen tevens uit berekeningen die aan het

elektrische circuit van het VSA worden uitgevoerd.

Juist doordat er bij dit ontwerpproces deze combinatie van

voorkeursafmetingen en rekenalgoritmes bestaat, is de

toepassing van een technologiebank voor de hand liggend. De

technologiebank ligt qua werking immers tussen het

software-pakket met rekenalgoritmen en het zelflerende expertsystem

met ervaringsgegevens in.

Het gemak van een computerprogramma als hulp bij het

ontwerp-proces is uiteraard reeds eerder onderkend. Vandaar ook dat

er bij Philips in Oss reeds een programma is ontwikkeld. Aan dit programma kleven echter wat nadelen.

In de eerste plaats betreft het het gebruikersgemak.

Drie variabelen die van primair belang voor het ontwerp zijn,

en slechts een aantal diskrete waarden kunnen aannemen,

kunnen aIleen via afgeleide variabelen worden ingegeven. Dit

houdt tevens in dat de gebruiker zelf buiten het programma

om, een kleine berekening moet uitvoeren om via de afgeleidde variabele de gewenste waarde voor de primaire variabele in te kunnen voeren. Voorbeelden hiervan zijn:

- Het aantal windingen van de spoel dat via de

koper-vulfaktor wordt ingevoerd. Deze is gedefini~erd als de

verhouding tussen de ruimte beschikbaar voor de

win-dingen en de door de winwin-dingen ingenomen ruimte in het VSA.

De draaddiameter die via de spoelstroom en de stroom dichtheid in de draad wordt ingegeven.

- De lengte van het blikpakket die via de induktie wordt ingevoerd.

(24)

Het gevolg hiervan is dat men de opgewekte induktie in een aantal decimalen dient te berekenen om de gewenste, diskrete,

waarde van de stapelhoogte in het ontwerp te krijgen. Dit

geldt analoog voer de draaddiameter en het aantal windingen.

In de tweede plaats zijn er nadelen bij het bestaande

programma omtrent de mogelijkheid tot het aanpassen en

uitbreiden ervan. Het programma werkt veelvuldig met sprongen

naar regelnummers en subroutines, hetgeen tesamen met het

ontbreken van commentaar, zorgt voor een onoverzichtelijk

geheel. In het programma zijn de variabelen ook niet

duide-lijk herkenbaar doordat geen duideduide-lijke, zinvolle, naamgeving

is toegepast. Onderhoud of aanpassingen aan het programma

zijn hierdoor niet meer mogelijk.

Een derde nadeel is het feit dat met het huidige programma

geen inzicht wordt verkregen omtrent de eventuele optima veer de variabelen en de tolerantiegeveeligheid daarvan.

Het nieuw te ontwerpen technologieprogramrna moet de hiervoor

genoemde problemen ondervangen. De technologiebank zal door

toepassing van ervaringsgegevens en voorkeursafmetingen

moeten zorgen voor rnaakbare, optimale, ontwerpen die aan de

vooraf gestelde specificaties voldoen.

Dankzij de standaard opbouw van het technologieprogramma kan het in de loop van zijn bestaan steeds worden aangepast en

verbeterd, simpelweg door een stukje uit het rekenhart, of

het databestand, te vervangen of er wat aan toe te voegen.

Wanneer er een flexibele bruikbaarheid van het programma

wordt gecreeerd kan men het entwerp uit vele hoeken

benade-ren. Zo kan men dan bijvoorbeeld een ontwerp maken op grond

van minirnale kostprijs, minimale verliezen, danwel voor een

vaste luchtspleet of vaste lengte van het blikpakket.

Het te ontwikkelen programma moet op een effektieve wijze

VSA-ontwerpen leveren en werken met een modulaire opbouw, die

er voor zorgt dat het programma gemakkelijk in onderhoud is

(25)

HQofdstuk 3: De bouw van bet YSA

I 3.1 Onderdelen en afmetingen

Het VSA is opgebouwd uit een negental componenten die ieder

hun invloed op de uiteindelijke eigenscbappen van bet VSA

hebben. Eerst moeten deze componenten even op een rijtje

gezet worden, s~men met de karakteristieke afmetingen van bet

VSA, zodat in bet volgende boofdstuk de verschillende

berekeningen die binnen het ontwerpproces moeten worden uitgevoerd, kunnen worden besproken.

..0

c

figuur 8 "L Cu" wiklletinv :to .1111." ... 1 S. _ _ mplaal 4. K""ocftOl s. Konl ... lv ... n; •. Nome. Ilol."e 7. LUChl.p . . . I ... ullinll· I. .000 .... "I •• h .. III"II'

2---+

6---~::;;-'

4 Sl; ..

~~:~

3

8

1

~--7

Naamgeving bij de belangrijkste afmetingen zoals die in de

rest van dit verslag wordt gebanteerd:

a - Stapelboogte in (m) b Profielboogte in ( m) c - Profielbreedte in (m) d Kernbreedte in (m) e - Lucbtspleet in (m) f - Wikkelboogte in (m) g - Wikkelbreedte in (m)

23

(26)

De componenten:

1. Koperdraad met coating,

In principe kan men slechts een beperkt aantal

draaddia-meters toepassen. Binnen het pakket dat door de firma Pope

kan worden geleverd worden een aantal voorkeurdiameters

gehanteerd. Voor de SL en PL VSA's gebruikt ean diameters

varierend van 0,18 rom tot 0,224 rom. In de TL VSA wordt

dikkere draad toegepast, namelijk 0,25 rom tot 0,43 mm.

De koperen kerndraad is bekleed met een lak die voor

isolatie zorgt. Wanneer men spreekt over een draad van

diameter 0,18 mm, duidt men op de kerndraad. De diameter

met coating heet over-all diameter. Voor de bekleding van de draad bestaan twee typen coating die in dlkte

verschil-len. Een coating grade 2 is dikker dan grade 1 en geeft

dus een betere isolatie.

2. Blikpakket

Het blikpakket is een opeenstapeling van gestampte

profielen. De lengte van dit bllkpakket, de stapelhoogte,

is aan vaste afmetingen gebonden. Indlen men nieuwe

stapelhoogten gaat invoeren brengt dit, door de nodige

aanpassingen in de assemblage lijn, hoge kosten met zicht

mee.

instelbare luchtspleet

voor SL/PL" TL

figuur 9

vaste luchtspleet

voor

HK

De blikprofielen zijn momenteel opgebouwd uit twee delen. Voor SL/PL en TL VSA's is dlt een T en een U profiel, voor

(27)

Het afvalpercentage bij rechtstreeks samen met het

het stampen van het blik hangt blikprofiel. Ook de verliezen

en het VSA hangen hierrnee sarnen, imrners wanneer men het

blikprofiel uit meerdere delen samenstelt komen er meer

onderbrekingen in het ijzer circuit en daarmee nemen de

verliezen toe.

Het soort blik dat momenteel toegepast wordt (silicium

ijzer) bestaat uit twee typen. geklassificeerd naar de

specifieke Watt-verliezen en heeft een dikte van 0,5 mrn.

3. De bodemplaat.

De bodemplaat dient ter bevestiging van het VSA in het

armatuur van de lamp. Tevens geeft de bodemplaat het VSA

zijn stijfheid. In de bodemplaat treedt ook enig

Watt-verlies op, dit ligt in de orde van 0,1 Watt, hetgeen in

dit verslag verder niet wordt meegenomen.

·i. Het kopschot,

De kopschotten worden bij assemblage gebruikt voor bet

wikkelen van de spoel. De kopschotten worden hierbij

namelijk op de wikkeldoorn geplaatst waarna de spoel om de kopschotten wordt gewikkeld.

De spoel wordt nu met de kopschotten op de T-profielen

geschoven.

De kopschotten aan beide uiteinden van het VSA zijn

verschillend, in een van beiden zijn de kontakten

ge-plaatst waarmee het VSA wordt aangesloten.

Onder de dikte van het kopschot verstaan we de maat die in bet onderstaande figuur is aangegeven.

I' _·c::::':: .'-.

koota

kt

...

_cv .lI: .lI: ro c. .lI: '

-.0

---

~

kopscho

tdikte

figuur 10 25

(28)

5. De kontakten,

Het gebruikte kontakt bezit twee verschillende zijden. De zijde waar de spoel wordt aangehecht wordt gevormd door

een I.D.C. (isolation displacement contact) of een

krimpkontakt. De andere zijde is een insteek kontakt

waarmee het VSA wordt aangesloten. Voor de verschillende

kategorieen draaddiameters worden ook verschillende

kontakten toegepast. Ze worden geleverd door de firma's

A.M.P. en Grote und Hartmann.

6. De nomex,

Tussen de windingen en het blikpakket zit een laag nomex

ter isolatie van de koperdraden. Bij hoogkant VSA's

bevindt zich de nomex slechts aan een zijde van het pakket met koperwindingen.

De andere zijden worden afgeschermd door de kunststof

spoelkoker, die als basis bij bet wikkelen van de spoel

wordt gebruikt. Bij hoogkant VSA's zijn de kopschotten met elkaar doorverbonden d.m.v. de kunststof spoelkoker.

nomex

nomex-+~

spoelkoker

figuur 11

7. De luchtspleetvulling,

De lucbtspleet in SL/PL en TL VSA's is instelbaar door de

T meer of minder in de U te drukken. De ingestelde

lucbtspleet wordt op maat gebouden door wrijving tussen de blikprofielen. De luchtspleetvulling wordt aangebracht ter voorkoming van bromo Deze vulling bestaat uit het weinig compressibele materiaal vicotex.

(29)

n-,...,.~.

[a s

, vast

figuur12

8. De bodemplaatvulling,

Tussen het T-profiel en de bodemplaat bevindt zich de

bodemplaatvulling. Indien deze zou worden weggelaten, zou de bodemplaat onder invloed van het wisselende magnetische veld gaan trillen en hierdoor brom veroorzaken.

9. De impregneerlak,

Na assemblage wordt het VSA ge~mpregneerd met lak. Dit

heeft meerdere bedoelingen. Door de uithardende lak is er

geen beweging meer mogelijk tussen de VSA componenten

onderling. De lak voorkomt dus bromo Verder vormt de lak

een beschermende laag rondom het VSA. bijvoorbeeld tegen

corrosie. Als laatste is er het estetische oogpunt: het

(30)

HQofdstuk 4: Berekeningen bij bet ontwerp

I 4.1

Bet ontwerpproces.

Indien er een nieuw type VSA bij een nieuwe lamp moet worden ontworpen, krijgt de ontwerper gegevens en eisen waara an bet

VSA moet voldoen. De gegevens zijn de spanning en stroom

waarbij bet VSA moet funktioneren, alsmede de netfrequentie

en bet type blikprofiel dat bepaald wordt door het type lamp.

Tevens ligt het maximum vast wat er aan Watt-verliezen mag

optreden, het VSA mag immers niet te veel opwarmen.

Op grond van deze gegevens moet nu het VSA gedimensioneerd

worden. Of we 1 de volgende eigenschappen moeten worden

bepaald:

1. Bet aantal windingen

2.

De Watt-verliezen

3. De afmeting van de luchtspleet

4.

De induktie

5. De materiaalkosten

6. De stapelhoogte

7.

De draaddiameter

D~~ genoemde eigenschappen staan allen met elkaar in verband

en vormen dus een stelsel vergelijkingen dat de ontwerper

d:lent op te lossen. Hij moet hierbij een aantal variabelen

kiezen waarna hij de rest kan

ontwerper doet is afhankelijk

berekenen. Welke keuze de

van de prioriteiten die hij

stelt. Wil hij in eerste plaats een bepaald aantal windingen

r~,aliseren of moet de luchtspleet een vaste waarde krijgen ?

Wil hij de Watt-verliezen minimaliseren of moet een gegeven

stapelhoogte worden gerealiseerd ?

De keuze verscbilt dus van ontwerp tot ontwerp. Hoe de in

deze paragraaf genoemde eigenschappen worden berekend en boe

ze samenhangen met de andere ontwerpparameters, wordt in de

(31)

I 4.2 Bet wikkelen

i

4.2.1 Wikkel.ethoden.

Er

bestaan drie methoden voor het wikkelen van een spoel. Het

ideale proces is het orthocyclisch wikkelen waarbij de draden

in een dichtste pakking op elkaar komen te liggen. Op deze

wijze krijgt men het grootst aantal windingen in een vaste

ruimte. Bet andere uiterste is het wilde wikkelen waarbij de

w:lndingen volstrekt willekeurig ten opzichte van elkaar komen

te liggen. Tussen de windingen bevindt zich nu veel loze

ruimte.

Bier tussen in ligt het proces dat voor de VSA produktie in

055 wordt toegepast: gericht wild wikkelen. Men tracht het

orthocyclische wikkelproces zo goed mogelijk te benaderen,

maar door optredende wikkelfouten kan men het orthocyclische

proces slechts tot op zekere hoogte benaderen. De

wikkel-fouten ontstaan doordat de wikkelmachines een eindige

bE~wegingsnauwkeurigheid bezi tten.

Bet maximum aan windingen dat men met orthocyclisch wikkelen

in het ter beschikking staande wikkelvenster kan plaatsen, is

exact te berekenen. Het is een theoretisch maximum. Het

tE~chnisch, werkelijk haalbare gericht wild gewikkelde maximum leert men uit de praktijk. Het ligt momenteel op ongeveer

(32)

I

4.2.2

He~ or~hoeyeliseh

maximum.

De ruimte in het wikkelvenster, dat beschikbaar is voor het leggen van windingen, is het bruto wikkelvenster verminderd

met de ruimte die de aangebrachte nomex inneemt. Dit netto

wikkelvenster wordt gevuld volgens 'het orthocyclische

patroon.

B

...'-"<-1.

ex

figuur 13

Bij het wikkelen wordt eerst de grondlaag gelegd. waarbij aan

het einde van de laag een halve draaddiameter ruimte moet

worden uitgespaard om de volgende laag goed te kunnen

plaatsen. De draaddiameter waarmee gerekend dient te worden

is de diameter van de door het wikkelen gerekte draad met

coating. De lengterek in de draad ontstaat door buigen van en

trekken aan de draad bij het wikkelen. De exacte grootte van

deze rek wordt momenteel bepaald in een aantal wikkelproeven. Totdat de resultaten hiervan bekend zijn is de aanname dat de rek 3 % bedraagt.

De diameter van de te wikkelen draad is, uitgaande van volume invariantie:

D

=

Dmax

* .(

(1/ (1 + l

»

(

m )

In de breedte van het netto wikkelvenster kunnen n draden

liggen, waarbij n altijd een geheel getal moet zijn:

B - O,5D

n

= [

J

( - )

( [ J=

entier funktie)

D

Het aantal draden dat nu is berekend wordt nu gelijkmatig

over de wikkelbreedte verdeeld waarbij de middelpuntsafstand

(33)

wikkel-De middelpuntsaftand tussen de draden is:

B - O,5D

1 Dmpt

= [ ( - - - - -

• )] *

stapgr.

(m)

n

stapgr.

Nu moet worden berekend hoeveel lagen met windingen er in de

wikkelhoogte kunnen worden gelegd, we noemen dit aantal

L:

h

= {

(D2 - O,25Dmpt

2 ) (m)

H - D

L

= [

]

(-)

{(D2 - O,25Dmpt2)

+

1

figuur 14

Bet orthocyclisch maximum aantal windingen is dus:

Northo

=

n

*

L (-)

i

4.2.3 Bet technisch maximum,

Voor de bepaling van het technisch maximum aantal windingen,

als functie van het gebruikte blikprofiel en de gebruikte

draaddiameter,

zijn er drie methoden die men zou kunnen

hanteren:

1. Men gebruikt de gegevens die naar voren komen uit de

wikkelproeven. Momenteel zijn er echter hieruit nog te

weinig gegevens beschikbaar om

voor iedere draaddiameter

en bij ieder blikprofiel een waarde voor Nmax

te kunnen

geven. Bovendien wordt in de proeven aIleen gecontroleerd

of een gegeven aantal windingen gewikkeld kan worden. Dit

santal is niet per definitie gelijk aan Nmax.

:2.

Men gebruikt de gegevens van alle tot nu toe ontworpen VSA

typen en bekijkt daarbij van ieder type wat het maximum

aantal windingen

is dat in het verleden is toegepast. Ook

hier is het niet zeker dat dit aantal het echte technische

maximum is.

(34)

3. Men gebruikt uit de wikkelproeven de gegevens over het

aantal windingen en de daarbij bereikte spoeldikte. De

spoeldikte is gedefinieerd als de kernbreedte plus

tweemaal de wikkelhoogte en mag maximaal 25,5mm bedragen,

daar anders het U-blik niet meer over de spoel past. Uit

deze gegevens kan dan een indicatie voor Nmax worden

bepaald.

Er is gekozen voor deze derde methode. In de tabel van

bijlage I staan in de eerste drie kolommen de draaddiameter,

het aantal windingen uit de proef en vervolgens de

spoel-dikte. Hieruit is een schatting gemaakt van het aantal

windingen dat nog extra geplaatst zou kunnen worden. Daarbij

is de volgende formule gebruikt:

25,5 - spoeldikte B

Next r a

=

_*

(-)

2

*

d d

De indicatie v~~r Nmax is dan:

<Nmax>

=

Nproef + Nextra (-)

Voor de punten<Nmax> is vervolgens de best passende kurve

gezocht, met een regressie methode. De resultaten hiervan

staan in de volgende kolom. Als dan de wikkelefficientie

(Nmax/Northo) wordt berekend blijkt deze te schommelen rond de 89,5 %.

In het technologie programma kan nu of weI de exponentiele

kurve voor Nmax worden verwerkt, of we 1 een berekening van

Nmax via de wikkelefficientie. Deze tweede manier is gekozen omdat er daarbij een connectie blijft bestaan tussen Nmax en

Northo en dus ook tussen Nmax en de afmetingen van het

wikkelvenster. Dit is van belang omdat Nmax dan ook berekend

kan worden voor blikprofielen met nieuwe afmetingen. Wanneer

voor het gebruik van de exponentiele kurve van Nmax zou zijn

gekozen, dan zou voor ieder blikprofiel, bij gelijke

draad-diameter, dezelfde waarde voor Nmax gelden. Dit is niet in

overeenstemming met de werkelijkheid.

(35)

Omdat er bij de HK profielen geen afmetingen van spoeldlktes voor hand en waren, is de wikkelefficientie daarvoor, evenals

voor de niet standaard blikprofielen, constant genomen op

0,9.

Steeds blijft gelden:

Nmax

=

wikkelefficientie

*

Northo (-)

§ 4.3

De

luchtspleet,

De luchtspleet in de ijzerkern van de spoel dient ervoor om

de impedantie van de spoel op de gewenste waarde in te

stellen. Daarnaast heeft toepassing van een luchtspleet,

zoals gezegd in § 1.5, een gunstige invloed op de vorm van de

stroom-spanningskarakteristiek van het VSA.

De formule die voor de luchtspleet berekening in de volgende paragrafen wordt afgeleid bevat twee onbekende faktoren. Deze

worden later met behulp van gemeten waarden ingevuld.

Uiteindelijk zal de gevonden formule nog worden vergeleken

met de berekening die in het bestaande computerprogramma

wordt ultgevoerd.

I 4.3.1 Afleiding van de formule,

veldlijn

flguur 15

De afmeting die in figuur met

0

is aangegeven omvat een zone

in het circuit die door de aanwezigheid van een kleine

luchtspleet, de stootvoeg en door aanwezigheid van

stampde-formatie een verhoogde weerstand tegen het aangelegde

(36)

De grootte van de luchtspleet

die afhankelijk zijn van het

is te

vari~ren

binnen grenzen

gekozen blikprofieltype. Het

minimum wordt bepaald door de minimale maat van de toe te

passen luchtspleetvulling.

De maximale luchtspleet mag niet

overschreden worden omdat dan het T-profiel niet diep genoeg

in de U is geplaatst en er dus een te grote onderbreking in

het ijzer circuit ontstaat.

Voor de reactantie van de spoel vinden we (zie bijlage

II):

2

_*

'1[

*

j.,lo

* f * n2 * A * Fij

w

_*

_L

₌

(Ohm)

ll.i

/.Ar

+

_{k * 6}

₊_~

Waarin k

en

(f

nog onbekende

corrigeert

v~~r

het feit dat

faktoren

zijn.

De faktor k

in verband met het grillige

de luchtspleet plaatselijk veel

verloop van de luchtspleet,

kleiner is dan de nominale waarde.

De term

~

verrekent de

grootte van de aanwezige stootvoeg en de storende invloed die

deze op het magnetisch circuit heeft.

Voor de weerstand van de spoel wordt in bijlage III afgeleid:

R

=

n

*

f

*

nOl

*

A

*

Fij

=> {(

Z2 - R2)

₌

(Ohm)

l i . j

(37)

I 4.3.2

De

permeabllitelt van het bIik,

Voordat we de grootte van k en

r

kunnen bepalen moet nog

worden. vastgelegd hoe de relatieve permeabillteit zich

gedraagt als funktie van de induktie.

Uit de grafieken die door de blikleverancier E.B.G. worden

geleverd (bijlage V) is het verband tussen de induktie en de

permeabiliteit af te lezen. Dit is gedaan in de tabel van

bijlage VI. Deze funktie is in gedeelten te beschrijven door de volgende kurven, die gevonden zijn met lineaire regressie. Ter vergelijking van de exacte waarden van de permeabiliteit

Bo ~r

=

100 (-) Bo

₌

1 Tesla

Grafisch wordt dat:

veroel i jk i.nQ tu .... e .... l'1u.exAk t en l'1u.ber.

7 I>

....

~+ ... ~ I -' A _'\ - ~ /

_\

-

,n 1

-"'"

...

u .... ,:.

.-

...

-

of. =. ~ _.._~':' ₃ f~ ,:.

.'

.:.. 2 l'

t

\

..,

\

...

\.

I

./

_~

.

..

~ ~ ~

....

figuur 16 0.8 1. ~ lndu~t.e l'e~l~1

(38)

Duidelijk is te zien dat het weinig zinvol is, de induktie kleiner dan 0,5 Tesla of groter dan 1,4 Tesla te kiezen. De relatieve permeabiliteit van het blik wordt dan zo laag dat

het blik te veel weerstand biedt tegen het aanleggen van een

magnetisch veld: het blik is verzadigd.

I 4.3.3 Berekening

ko~rektie

faktoren,

Voor 35 bestaande VSA ontwerpen wordt nu met de afgeleide

formule de luchtspleet berekend. Voor de korrektie faktoren

gebruiken we in eerste instantie k ::: 1 en

'6:::

0. De op die

wijze berekende luchtspleten worden vergeleken met de gemeten

waarden. De korrektie faktoren worden dan zodanig bijgesteld

dat de berekende en gemeten waarden aan elkaar gelijk worden.

Indien bij deze korrektie faktoren reeds de juiste waarden

voor de luchtspleet worden berekend dan liggen aIle berekende

punten op een lijn onder 45 graden in de grafiek van de

gemeten luchtspleet tegen de berekende luchtspleet. Zo niet, dan bestaat er een lijn die het verband tussen 6 (gemeten) en 6 (berekend) vastlegt.

J

(ber)

(39)

_A

*

Fij lij ~'

0 =

-

---

(m)

k'

*

..f (Z2 - R2 ) k'*ur k'

en

_3'

De korrektie faktoren k'

eerder gekozen waarden k en ~ en

zijn te berekenen uit de

de waarden voor a en

a.

(Stel hiervoor beide laatste

gelijk) .

k

k'

=

(

-

) _en

_t'

₌

_-f3

*

_k'

a

vergelijkingen aan elkaar

(m)

De afleiding van a en

f3

is, voor ieder profiel afzonderlijk,

gebeurd in bijlage VI. De juiste korrektie faktoren zijn

geworden: profieltype korrektiefaktoren

SL/PL

a = 1,113 k' = 0,898 (-)

f3

= -0,027 ~' = 0,024 (mm)

TL

a = 1,466 k' = 0,682 (-)

a

=

-0,133 _~' = 0,091 (mm)

HK

a = 1,215 k'

₌

0,823 (- )

f3

=

-0,037

_0'

= 0,030 (mm)

(40)

I 4.3.4 Veraelijking .et bestaande proaramma,

Wanneer nu met de juiste korrektie faktoren de Iuchtspleet

wordt uitgerekend en men vergelijkt deze antwoorden met de

uitkomsten van het oude computerprogramma en met de gemeten

waarden, dan blijkt er een verbetering te zijn opgetreden. De

gemiddelde afwijking met de gemeten Iuchtspleet is tot de

helft (of minder) gereduceerd. Voor TL en HK profielen is de

verbetering minder dan voor SL en PL profielen. De reden is

dat in de afleiding enkel de permeabiliteit van

STABOLEC 170-50A blik is gebruikt, terwijl voor TL en HK

profielen meestal STABOLEC 260-50A wordt toegepast. Er is dus een nog grotere verbetering mogelijk.

(Zie v~~r de vergelijking ook bijlage VII)

Profieltype SL/PL TL HK

Gern.verschil

oud prograrn- 0,0291 (mm) 0,0600 (rom) 0,0208 (rnrn)

rna-gerneten Gem.verschil

nieuwe for- 0,0100 (rom) 0,0271 (rnrn) 0,0116 (rnrn)

mule-gerneten

Verhouding 1 : 0,34 1

.

0,45 1 : 0,56

• 4.4

De

vermogensverliezen,

DE~ vermogens- of Watt-verliezen van het VSA zijn in twee

delen te splitsen. Het eerste en grootste gedeelte bestaat

uit de Watt-verliezen die in de koper windingen optreden, het

tweede gedeelte van de verliezen ontstaat in het ijzer

circuit. In het algerneen zijn de verliezen in het

koperge-deelte twee tot drie maal zo hoog als in het ijzergekoperge-deelte. Over de verliezen in de koperdraad kunnen we kort zijn:

ze zijn enkel afhankelijk van de weerstand van de draad en de

stroornsterkte. In bijlage III is de weerstand in de draad

reeds berekend. Het in de draad ontwikkelde vermogen is dan:

(41)

Voor de verliezen in het ijzergedeelte spelen meer zaken een

rol. De verliezen worden bepaald door de specifieke

eigen-schappen van het blik, namelijk de specifieke Watt-verliezen

en de anisotropie en verder door de stampdeformatie in het

blik en de induktie waarbij het VSA wordt gebruikt. Uit het

werk van H. Coppelmans (lit [3J), uitgevoerd bij Philips in

Oss, is gebleken dat de berekening van de ijzer Watt-verlie-zen vol gens onderstaande formule kan gebeuren:

van het blikprofiel, de stapelhoogte en de dichtheid van het

gebruikte ijzer. De induktie wordt verder besproken in §

4.5.

D~~ overige faktoren worden in de komende paragrafen

toege-licht.

§

4.4.1 De

specifieke

Watt

verliezen in bet ijzer,

De specifieke Watt verliezen worden gedefinieerd bij een

vaste induktie en een bepaalde richting van het aangelegde

magnetische veld. De induktie waarbij deze specifieke

verliezen worden vastgelegd is 1,0 of 1,5 Tesla. De verliezen

zijn altijd het laagst wanneer de veldlijnen van het

aange-legde veld evenwijdig lopen met de walsrichting van het blik.

Het verschil tussen de verliezen in walsrichting en in de

richting loodrecht daarop, wordt uitgedrukt met het anisotro-pie percentage.

anisotropie %

=

PI

J 0

.1 -

PI J 0 / /

*

100 % (-) PI , 0

1-

+ PI I 0 / /

Wanneer wordt gesproken over de Watt verliezen bij 1,0 Tesla

(Pl,O) dan is dit het gemiddelde van de verliezen in beide

richtingen:

(42)

In de formule die wordt gebruikt ter berekening van de ijzer

Watt-verliezen, wordt aIleen P1,O// meegenomen. Via de

anisotropiefaktor fa wordt al rekening gehouden met het feit dat de verliezen in verschillende richtingen anders zijn. De

relatie tussen de verliezen en de hoogte van de induktie

wordt door de faktor B2 verrekend. De te gebruiken faktor

Pl,O/1

kan worden gemeten aan het blik maar men kan hem ook

berekenen uit P1,O en het anisotropie percentage die beiden uit tabellen zijn af te lezen.

I 4.4.2 De

anisotropie faktor,

Middels deze faktor houdt men er rekening mee dat de

veld-lijnen niet in ieder deel van het blikprofiel evenwijdig

lopen aan de walsrichting van het blik. Terwiji weI gerekend

wordt met de specifieke Watt-verliezen in walsrichting. De

anisotropie faktor wordt berekend bij de induktie waarbij het VSA moet werken.

Wanneer de verhouding van de verliezen in beide richtingen

van het blik bekend is bij 1,0 Tesla en 1,5 Tesla, dan kan

hij ook worden berekend voor het werkpunt van het VSA.

Hiervoor wordt de volgende lineaire relatie gebruikt:

Pi ndl. Pl.

o.l

(PI , 5 .l I PI, 5 I I ) - (PI, 0

.l

I PI, 0 I I )

*

(ind - 1,0) (-)

Ptnd/I PI,ol1 (1,5 - 1,0)

De verliezen wanneer de veldlijnen onder 45 graden met de

walsrichting Iiggen, worden op het gemiddelde gesteid van de

verliezen in walsrichting en loodrecht daarop.

Pi nd " Pi nd

.1

Pind II

=

{ + }

_*

0.5 (-)

Pi nd II Pind II Pi nd II

(43)

In het blikprofiel zijn drie gebieden te onderscheiden: )

I Het gebied waar de ~eldlijnen evenwijdig aan de

wals-richting zijn (=

OP~.

I)

II

Het gebied waar d~ veldlijnen loodrecht staan op de

walsrichting (= OPPf II)

III

Het gebied waar de veldlijnen onder

45

graden met de

walsrichting staan

~=

Opp. III)

I

wa[srichting :

figuur 18

i

De anisotropiefaktor W01dt nu gedefinieerd als:

fa=

(Pi nd / / IPi nd / / )*OPPI\+ (Pi ndllPi nd / /) *OppII+ (Pi nd", IPi nd / / )*OppIII

i

TOraal profiel oppervlak

I 4.4.3

De

deformatie faktor.

De deformatie faktor verdiskonteert het extra Watt-verlies

dat optreedt ten gevolge van (stamp) deformatie langs de

gehele omtrek van het blikprofiel. Hiertoe is fd als volgt

gedefinieerd:

ongedeformeerd volume + gedeformeerd volume

*

a

fd

=

(-)

totaal blik volume

41

(44)

Hierin geeft a de verhouding aan tussen Watt verliezen in een

bepaald volume van gedeformeerd blik ten opzichte van dat

zelfde volume blik maar dan ongedeformeerd. In plaats van

volumes kan men in de formule ook het oppervlak van het

blikprofiel invullen.

Het gedeformeerde oppervlak is gelijk aan de omtrek van het

blikprofiel vermenigvuldigd met de dikte van de deformatie

zone, welke volgens metingen van K.H. Schmidt gelijk is aan

0,35

mm

(bijlage VIII). De deformatie faktor is nu te

herschrijven tot:

omtrek*deformatie dikte omtrek*deformatie dikte

fd=

*a+(l-

)

totaal opp totaal opp

=>

fd

=

1 + (a - 1)

*

perc. gedeformeerd oppervlak (-)

De bepaling

hand van 1

van a is door H. Coppelmans uitgevoerd aan de

berekening. Er werd toen voor a de waarde 2

gevonden. Beproeving van de formule gaf nu echter aan dat

deze waarde te laag is. Daarom is in bijlage IX opnieuw de

bepaling van a uitgevoerd. Het resultaat is:

a

=

3,8 (-)

§ 4.5 De

induktie.

Uit het oogpunt van de kostprijs van het VSA zou men de

induktie liefst zo hoog mogelijk kiezen. Het VSA kan dan het

meest compact worden gebouwd. De stapelhoogte en dus de

ijzerkosten, worden daarmee geminimaliseerd.

Men kan dit echter niet zonder meer doen omdat verhoging van

de toegepaste induktie ook andere, nadelige, gevolgen heeft.

(45)

Verder zullen er bij een hoge induktie enige trillingen ontstaan tussen de ijzeren componenten van het VSA onderling.

Dit veroorzaakt een hinderlijke bromo Een te hoge induktie

vervormt de spanning-stroom karakteristiek van het VSA. Een

vaste variatie in de netspanning, bijvoorbeeld plus of min

10% van de nominale waarde, veroorzaakt een vergrootte

variatie in de stroomsterkte.

ul

figuur 19

u ...

u;.

u,..

vsa1

B(vsa1) c::::B(vsa2)

---1-+

De laatste beperking van de induktie wordt door de ijzer

Watt-verliezen opgelegd. Zoals in § 4.4 te zien is nemen deze

verliezen toe met het kwadraat van de induktie.

Voor de berekening van de induktie wordt de volgende formule

gehanteerd:

..f2

*

U

B

=

(Tesla)