ELT2 ØVELSESVEJLEDNING. Fasekompensering af lysstofarmatur

Transkript

1 ELT2 Fasekompensering af lysstofarmatur ELT2 ØVELSESVEJLEDNING Fasekompensering af lysstofarmatur Advarsel! Vi skal udtrykkelig gøre opmærksom på, at en vekselspænding på 230 V eller derover er forbundet med berøringsfare, og at et elektrisk stød fra en spænding af en sådan størrelse i uheldigste tilfælde kan være dødelig! Alle ledninger i øvelseskredsløbet skal monteres i spændingsløs tilstand, og kredsløbet må først tilsluttes 230 V nettet, når kredsløbet er intakt. Tilslutning af voltmeter kan dog ske, medens kredsløbet er under spænding. Der må ikke bruges oscilloscope Formål: At indøve praktisk brug af visere (phasors ) til kredsløbsberegninger. At anskueliggøre begrebet kompleks effekt som består af aktiv- og reaktiv effekt. V.hj.a. fasekompensering, at kunne reducere den nødvendige strøm i forsyningsnettet. CJ, revideret den ,

2 Måling på ohmsk-induktiv belastning tilsluttet sinusformet vekselspænding. Viserdiagram. Fasekompensation Introduktion Figuren viser de vigtigste komponenter i et lysrørsarmatur (lysstofarmatur). Ud over lysrøret, som kan regnes rent ohmsk, og drosselspolen, som virker som en "forimpedans" til lysrøret, indeholder armaturet en glimtænder, også kaldet en "starter". Glimtænderens funktion indgår kun i tænding af røret; den kan betegnes som overflødig og opfattes som inaktiv, når først røret er tændt! Yderligere oplysninger om lysrørsarmaturets virkemåde er angivet i appendiks til denne øvelse. Lysrørsarmatur tilsluttes lysnettet, V = 230 V, f = 50 Hz. Værdien, 230 V, er kun en nominel værdi, og man kan i praksis træffe på ret store udsving fra én installation til en anden. Da denne forsyningsspændings værdi indgår i øvelsen, skal den virkelige værdi naturligvis kontrolmåles - for en sikkerheds skyld i forbindelse med hvert sæt målinger! Som bekendt benytter lærebogen, Thomas & Rosa, TR, indledningsvis maksimalværdier som grundlag for viserdiagrammer (phasor diagrams); men vi vil i denne øvelse benytte rmsværdier, som TR gør fra kapitel 16.2, idet man da kan afsætte de aflæste værdier fra universalinstrumenterne direkte i et viserdiagram. Der skal i denne øvelse konstrueres og skitseres 2 målfaste viserdiagrammer, hvorfor det tilrådes at medbringe en lineal og en vinkelmåler. Viserdiagrammerne bør være indeholdt i journalen. Bøsningsforbindelserne på lysrørsarmaturet er vist nedenfor: CJ, revideret den , ELT2 Fasekompensering af lysstofarmatur 2

3 Opgave 1 Bestem ved hjælp af et universalinstrument følgende spændings/strømværdier som rmsværdier: Den påtrykte spænding fra lysnettet: Spændingen over lysrøret: Spændingen over drosselspolen: Strømmen gennem drosselspolen og lysrøret (optaget fra nettet): Drosselspolens kobbermodstand (måles med ohmmeter): V V rør V spole I R Cu Konstruér på basis af ovenstående målinger et viserdiagram indeholdende samtlige spændinger og strømme. Find selv en passende og hensigtsmæssig spændings- og strømmålestok. Hint. for en trekant med siderne a, b og c samt de modstående vinkler A, B og C gælder cosinus-relationen, der f.eks. for vinklen C giver at cosc = (a 2 +b 2 -c 2 ) / (2ab) Bestem herefter ved beregning baseret på målingerne og viserdiagrammet følgende: Den komplekse effekts numeriske værdi for hele armaturet: Faseforskydningsvinklen mellem påtrykt spænding og strømmen gennem drosselspolen og røret (altså for hele armaturet): Effektfaktoren for hele armaturet Den komplekse effekt for hele armaturet: Den afsatte middeleffekt (aktive effekt eller "virkeeffekt") for hele armaturet: Den afsatte reaktiveffekt ("blindeffekt") for hele armaturet: Den afsatte middeleffekt i lysrøret Armaturets virkningsgrad: S θ pf S P Q P rør η = P rør / P CJ, revideret den , ELT2 Fasekompensering af lysstofarmatur 3

4 Opgave 2 Drosselspolen Drosselspolen er ikke en ideel (ren reaktiv (induktiv) komponent); men indeholder en vis resistiv (ohmsk) komponent, som bl.a. skyldes kobbermodstanden, R cu, i viklingen. Men herudover sker der også andre tab i spolen. Disse er nærmere belyst i appendix. Drosselspolens samlede impedans kan herefter udtrykkes ved: Z spole = R spole + jx spole hvor R spole = R Cu +R Fe (R Fe omtales i appendix) Bestem ved beregning baseret på målingerne i opgave 1 følgende størrelser: Lysrørets modstand (antages ren resistiv): R rør Drosselspolens numeriske impedans: Z spole Drosselspolens impedansvinkel: Drosselspolens komplekse impedans: Drosselspolens samlede seriemodstand: Drosselspolens reaktans: Drosselspolens selvinduktionskoefficient: Den afsatte middeleffekt i drosselspolen: arg Z spole Z spole R spole X spole = X L L P spole Hvor stor en del af drosselspolens samlede modstand, R spole er ren kobbermodstand, R Cu : Fasekompensation Med ovenstående målinger er lysrørsarmaturets data fuldstændigt bestemt. Den lave effektfaktor viser, at den optagne middeleffekt leveres med en unødvendig stor strøm, som giver anledning til et tilsvarende stort effekttab i tilledningerne - dels i installationen efter energimåleren (elmåleren), og dels i forsyningsnettet før energimåleren. Disse uheldige forhold kan dog på simpel vis forbedres - nemlig ved brug af fasekompensation, som består i anbringelse af en reaktiv komponent - i dette og i de fleste tilfælde i praksis en kondensator - som optager reaktiv effekt, hvis fortegn er det modsatte af belastningens. Metoder til fasekomkompensation er nærmere omtalt i lærebogens eksempel Lysrørsarmaturer med en optagen middeleffekt på W fasekompenseres oftest med en kondensator på 5,7 µf. Herved opnås en væsentlig forbedring af effektfaktoren, pf, som dog ikke bliver eksakt 1,0 (ren ohmsk). CJ, revideret den , ELT2 Fasekompensering af lysstofarmatur 4

5 Opgave 3. Forbind en fasekompensationskondensator, C = 5,7 µf, over indgangen som vist i figuren nedenunder. Notér den totale strøm, I's værdi, og sammenlign denne med den først målte strøm (opg. 1) Optimal fasekompensation Som det ses, blev effektfaktoren øget, men ikke til 1. Strømmen i tilledningerne blev reduceret; men den kan måske reduceres yderligere. Giv - baseret på beregning - et bud på, hvilken minimal (rms)værdi, strømmen i tilledningerne vil kunne reduceres til. (Det er ikke usædvanligt, at den målte strøm er mindre end den minimalt beregnede. Det skyldes at kurveformen ikke er sinus, men forvrænget af mætningsfænomener i drosselspolen.) Beregn herefter den optimale værdi af C, som indsat over indgangen giver denne minimale strøm. Virkningen af fasekompensation på tab i ledningsnet Lavspændings-forsyningsnettets (230/400 V - tidligere 220/380 V) ledninger kan stort set opfattes som rent ohmske. Vi kan f.eks. forestille os, at lysrørarmaturet forsynes gennem 2 x 100 m 1,5 mm 2 kobber-installationsledning. Kobbers specifikke modstand sættes til ρ = 1/58 Ωmm 2 /m). R w = ρ længde / areal Find overslagsmæssigt den forventede afsatte effekt i denne samlede ledningsmodstand før og efter indsætningen af den ideelle fasekompensationskondensator Uden fasekompensation, Med fasekompensation, P wuden P wmed CJ, revideret den , ELT2 Fasekompensering af lysstofarmatur 5

6 Introduktion APPENDIX Lysrør og lysrørsarmaturer Lysrør - eller "lysstofrør" - har eksisteret som belysning både i erhvervs- og boligbyggeri i ca. et halvt århundrede. Selv om virkningsgraden for lysrørsarmaturer ikke er imponerende, er den dog ca. 3 gange højere end for glødelamper, hvor kun 3-5% af den tilførte effekt omdannes til synligt lys. Dette har gjort, at lysrørsarmaturer i vidt omfang foretrækkes til fabrikshaller og kontorlokaler, medens man endnu stadig de fleste steder foretrækker glødelamper i boliger. Dette skyldes hovedsageligt lyset, som det påstås, har en smukkere farve fra glødelamper end fra lysrør, ligesom lampernes udformning kan gøres arkitektonisk smukkere. De seneste års udbredelse af økonomipærer vil nok betyde en vis ændring af denne indstilling. De første lysrør afgav et hårdt lys, men efter få år fandt man frem til metoder til at ændre lysets spektrale sammensætning og gøre lyset mere gyldent - mere i retning af glødelampelys. Lysrørsarmaturets opbygning Lysrøret består af et langt, højevakueret glasrør påfyldt en passende mængde kviksølv. Lysrør hører til udladningsrør-lyskilderne, som først kan lyse, når der er sket en ionisering af den indeholdte luftart. Dette sker ved at røret først opvarmes i enderne ved hjælp af nogle glødetråde og derefter udsættes for en kortvarig høj spænding. Udladningsrøret virker som en resistiv (ohmsk) modstand med negativ temperaturkoefficient. Dette betyder, at hvis man påtrykte det tændte rør en vis spænding, ville opvarmningen betyde en mindre modstand og dermed en øget optaget effekt, som ville opvarme røret yderligere etc. Derfor forsynes lysrøret med en for-impedans. For at gøre effekttabet i denne mindst muligt, vælges en spole, som - ud over at virke som for-impedans - medvirker til tænding af røret sammen med en såkaldt starter eller en glimtænder. Glimtænderen består af en neonfyldt beholder, se figuren, som ved lavere spænding (mindre end rørets driftsspænding - ca. 100 V for et 40 W rør) har en meget stor modstand. Når man tilfører armaturets tilledninger 230 V, vil næsten hele denne spænding lægge sig over glimtænderens udladningsrør, i hvilket der er indstøbt et bimetalskontaktsæt. I det øjeblik glimrøret tænder, begynder der en opvarmning af bimetalskontakten, som slutter, og dermed kortslutter modstanden i glimrøret. Herved sker følgende: Glimrøret slukker, og med kontakatslutningen øges strømmen gennem lysrørets glødetråde, som forårsager en fordampning af kviksølvet i dette. I løbet af kort tid afkøles bimetalskontakten, som afbryder, og processen starter forfra. CJ, revideret den , ELT2 Fasekompensering af lysstofarmatur 6

7 Under afbrydelsen af bimetalskontakten stiger den samlede modstand mellem lysrørets to sæt tenninaler, og da forimpedansen er en spole, induceres der en spænding over denne store modstand. Hvis afbrydelsen sker lige i strømmens nulgennemgang, bliver den inducerede spænding nul; men hvis afbrydelsen sker i nærheden af strømmens maksimalværdi, vil der induceres en spænding på flere kilovolt, som tænder lysrøret. Når dette er sket, vil spændingen over lysrøret ikke nå over glimtænderens tændspænding, og glimtænderen forbliver da inaktiv, så længe lysrøret er tændt - og kan faktisk fjernes fra armaturet, uden at dette har nogen virkning. Drosselspolen Spolen, som virker som for-impedans under lysrørsarmaturets normale drift, benævnes i fagsproget en drosselspole. Set i svagstrømssammenhæng har den en ret stor selvinduktionskoefficient - på nogle få henry (H). For at opnå dette uden at optage for megen plads er den baseret på jemkerne. Ud over de strømvarmetab, der opstår i viklingens kobbermodstand, opstår der hvirvelstrøms- og hysteresetab i jernkernen. Strømfortrængningstab og hvirvelstrømstab i kobberviklingen er mindre udtalt ved så lav frekvens som netfrekvensen (50 Hz i Europa og 60 Hz i Amerika). Dette gør, at lysrørsarmaturets samlede virkningsgrad, som først og fremmest skyldes lysrørets virkningsgrad, forringes yderligere som følge af tabene i drosselspolen. Flimmer Endnu en mangel ved brugen af lysrør er rørets "manglende træghed" over for netfrekvensen, hvilket bevirker, at røret praktisk taget tænder og slukker 100 gange pr. sekund, hvilket giver en vis flimrende virkning. Dette er dog sjældent nogen nævneværdig gene ved normal brug, men kan undertiden give generende (i sjældnere tilfælde tilsigtet) stroboskopisk virkning. Den tilsvarende flimrende virkning er langt mindre for glødelamper på grund af glødetrådens termiske træghed. Denne gene kan i et vist omfang reduceres for armaturer med to rør ved at disse anbringes i en såkaldt LC-kobling. Denne kobling skal dog ikke nærmere belyses her. Der henvises til faglitteratur. Hvis en lysinstallation med lysrørsarmaturer er fordelt på flere faser, vil man kunne kombinere tre lysrør på hver sin fase, hvilket endog vil kunne reducere flimringsgraden til et niveau under glødelampers. Til trods for at lysrørsarmaturet er en konstruktion med adskillige årtier på bagen, fremstilles det stadig den dag i dag efter samme princip som dengang. For at opnå højere virkningsgrader har man dog udviklet nyere typer af lysrørsarmaturer, og man arbejder stadig på at udvikle bedre principper, som bl.a. bygger på switch-mode-teknik, som erstatter den simple drosselepole. Endelig skal det nævnes, at lysrørets middellevetid er ca timer, imod glødelampemes ca timer. Andre lysgivere af lignende type Andre former for belysningsarmaturer, som på samme måde bygger på udladningsrør, har ligeledes været kendt i årtier og anvendes stadig i stort set samme udformning - nemlig kviksølvsdamplamper, hvis lys indeholder en overvægt af den blå del af spektret, og natriumdamplampen, som afgiver et næsten monokromatisk gult lys. Begge anvendes i vidt omfang til vejbelysning og andre former for udendørs belysning. Sidstnævnte angiveligt på grund af den gode kontrastvirkning. CJ, revideret den , ELT2 Fasekompensering af lysstofarmatur 7