Nghiên cứu phát triển hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng led

LoRaWAN Long Range Wide Area Network Mạng diện rộng dải dài LPWAN Low Power Wide Area Network Mạng diện rộng công suất thấp MCU Memory Controller Unit Khối điều khiển bộ nhớ OCP Over

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Minh Phương

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Ngô Cao Cường

Phản biện độc lập 1: PGS.TS Võ Ngọc Điều

Phản biện độc lập 2: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ kỹ thuật cấp Trường vào 08 giờ 30 phút, ngày 26 tháng 3 năm 2021 tại Trường Đại học Công nghệ Tp Hồ Chí Minh

Thành phần Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Trường gồm:

01 GS.TSKH Nguyễn Xuân Quỳnh Chủ tịch

03 GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến Phản biện 2

04 PGS.TS Trương Đình Nhơn Phản biện 3

07 PGS.TS Nguyễn Thanh Phương Ủy viên Thư ký

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

- Đại học Bách khoa Tp.HCM

- Đại học Công nghệ Tp.HCM

2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADR Adaptive Data Rate Tốc độ dữ liệu thích nghi

AHB Asymmetrical Half Bridge Nữa cầu bất đối xứng

APIs Application Programming Interfaces Giao diện chương trình ứng dụng

BAS Building automation system Hệ thống tự động hóa tòa nhà

BLB Bridgeless Boost Tăng áp không cầu

CCT Correlated Color Temperature Nhiệt độ màu tương quan

CMS Central Management Software Phần mềm quản lý trung tâm

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra dự phòng theo chu kỳ

CSS Chirp Spread Spectrum Trải phổ Chirp

CF Carrier Frequency Tần số sóng mang

CPWM Chaos-Based Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung dựa trên nhiễu

DM Differential Mode Chế độ vi sai

DSP Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số

EMC Electro-Magnetic Compatibilty Tương thích điện từ

EMI Electro-Magnetic Interference Nhiễu điện từ

EMS Energy Management System Hệ thống quản lý năng lượng

ESD Electro-Static Discharge Xả tĩnh điện

EUT Equipment Under Test Thiết bị đang thử nghiệm

FHA First Hormonic Approximation Xấp xỉ hài bậc nhất

FML Fiber Metal Laminate Tấm kim loại

FEC Forward Error Correction Sữa lỗi chuyển tiếp

FECC Forward Error Correction Code Mã sữa lỗi chuyển tiếp

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

GUI Graphical User Interface Giao diện người dùng đồ họa

HBR Half-Bridge Resonant Cộng hưởng bán cầu

HPS High-Pressure Sodium Natri cao áp

IDBB Intergrated Double Buck-Boost Tích hợp Bụk-Boost

IoT Internet of Things Internet vạn vật

LCD Liquid-Crystal Display Màn hình tinh thể lỏng

LED Light Emitting Diode Điốt phát sáng

LISN Line Impedance Stabilization Network Mạng ổn định trở kháng

LoRa Long Range Radio Vô tuyến tầm xa

LoRaWAN Long Range Wide Area Network Mạng diện rộng dải dài

LPWAN Low Power Wide Area Network Mạng diện rộng công suất thấp

MCU Memory Controller Unit Khối điều khiển bộ nhớ

OCP Over-Current Protection Bảo vệ quá dòng

PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in

PFC Power Factor Correction Điều chỉnh hệ số công suất

PFM Pulse Frequency Modulation Điều chế tần số xung

PLC Power-Line Communication Truyền thông đường dây điện

PSD Power Spectral Density Mật độ phổ công suất

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

R2P2 Reduced Redundant Power

Processing

Giảm quá trình xử lý năng lượng dự phòng

RDM Remote Device Management Quản lý thiết bị từ xa

RSSI Received Signal Strength Indicators Cường độ tín hiệu thu

RTC Real-Time Clock Đồng hồ thời gian thực

SCU Smart Control Unit Bộ điều khiển thông minh

SGC Streetlight Group Coordinator Điều phối viên nhóm chiếu

sáng đường phố

SLS Smart Lighting System Hệ thống chiếu sáng thông minh

SMPS Swtiching Mode Power Supply Nguồn cung cấp chế độ chuyển mạch

SmSL Smart Street Lighting Chiếu sáng đường phố thông minh

SMS Short Message Services Dịch vụ tin nhắn ngắn

SNR Signal Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu nhiễu

SSFM Spread Spectrum Frequency Modulation Điều chế tần số trải phổ

TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền

THD Total Harmonic Distortion Tổng độ méo dạng sóng hài

Wi-SUN Wireless Smart Utility Network Mạng tiện ích thông minh không dây

WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây tầm ngắn

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

ZVS Zero Voltage Switching Chuyển mạch điện áp không

6LoWPAN Ipv6 Over Low Power

Wireless Personal Area Networks

Mạng khu vực cá nhân không dây công suất thấp

4

CHƯƠNG 1: TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN 1.1 Công nghệ LED trong chiếu sáng công cộng

Với những tính năng vượt trội về mức sử dụng năng lượng thấp, tuổi thọ cao

và đặc biệt cho phép điều khiển độ sáng một cách linh hoạt và hiệu quả, đèn LED đang là lựa chọn tốt nhất trong việc thiết kế lắp đặt hay cải tiến hệ thống chiếu sáng nói chung và hệ thống chiếu sáng công cộng nói riêng đồng thời LED đã trở thành công nghệ hàng đầu để đáp ứng mục tiêu giảm mức tiêu thụ năng lượng; đóng góp quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề về biến đổi khí hậu và sử dụng hiệu quả các nguồn lực

1.2 Tình hình sử dụng LED trong hệ thống chiếu sáng công cộng

1.2.1 Hệ thống chiếu sáng công cộng trên thế giới

Tại các nước châu Âu, ba mục tiêu chính cho bài toán năng lượng và ảnh hưởng khí hậu năm 2020: Giảm thiểu phát thải khí nhà kính, tạo ra năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo và tiết kiệm năng lượng Một trong những giải pháp để cải thiện hiệu quả năng lượng liên quan với việc giảm nhu cầu sử dụng điện năng trong hệ thống chiếu sáng

Hình 1.2 Biểu đồ dự báo sự phát triển thị trường đèn LED

1.2.2 Hệ thống chiếu sáng công cộng ở Việt Nam

Việc sử dụng đèn LED thay thế các đèn truyền thống để chiếu sáng công cộng vẫn còn khá mới mẻ ở nước ta Thực trạng việc phát triển công nghệ trong nước chưa cho phép triển khai đại trà ứng dụng đèn LED trong chiếu sáng công cộng vì vậy ở các đô thị Việt Nam đang dừng ở con số vài tuyến đường, vài trăm bộ đèn LED

Kết luận: Những đổi mới trong công nghệ chiếu sáng, hệ thống và điều khiển hiện

đã giúp đèn đường tăng hiệu quả năng lượng, cung cấp chất lượng ánh sáng tốt hơn và

có thể giúp tiết kiệm, và cải thiện dịch vụ Những lý do thuyết phục để các thành phố chuyển sang sử dụng đèn LED chiếu sáng công cộng [9] Vì vậy, việc nghiên cứu ứng

dụng các thiết bị chiếu sáng sử dụng công nghệ LED tiết kiệm điện năng và các công nghệ điều khiển hiện đại phù hợp với xu thế Thành phố thông minh là yêu cầu cấp thiết

1.3 Các công nghệ trong hệ thống chiếu sáng thông minh

Để triển khai hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng công nghệ LED, cần phải nghiên cứu phát triển các công nghệ cơ bản sau:

1.3.1 LED driver

Các vấn đề cần triển khai trong quá trình nghiên cứu thiết kế chế tạo LED driver thông minh: Nghiên cứu thiết kế mạch và giải pháp điều khiển đóng ngắt khóa bán dẫn

để nâng cao hiệu suất của LED driver Nghiên cứu thiết kế mạch PFC trong LED driver

để đảm bảo PF đến gần bằng 1 Nghiên cứu thiết kế mạch lọc sóng hài để giảm THD Nghiên cứu công nghệ dimming là không thể thiếu trong hệ thống chiếu sáng thông minh Nghiên cứu các vấn đề liên quan đến Nghiên cứu các mạch bảo vệ LED driver

1.3.2 Light Controllers-Bộ điều khiển ánh sáng

Nghiên cứu phát triển bộ phận điều khiển đèn LED tạo ra lệnh thực hiện thay đổi cường độ sáng, giám sát và điều khiển động ánh sáng Bộ điều khiển giao tiếp thông qua thiết bị không dây

1.3.3 Nghiên cứu phát triển các công nghệ truyền dữ liệu trong Hệ thống chiếu sáng thông minh

1.3.4 Nghiên cứu phát triển IoT Platform cho Hệ thống chiếu sáng thông minh 1.3.5 Phần mềm quản lý chiếu sáng thông minh

1.4 Mục tiêu và hướng nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu phát triển và chế tạo bộ LED driver dải công suất 120W-200W ứng dụng trong chiếu sáng công cộng sử dụng nguồn điện xoay chiều 220V-50Hz Cụ thể: + Nghiên cứu, đề xuất cấu trúc các bộ biến đổi công suất DC/DC và giải pháp điều khiển đóng ngắt khóa bán dẫn nhằm nâng cao hiệu suất của LED driver + Nghiên cứu phương pháp và đề xuất sơ đồ điều khiển PF trong LED driver đến gần 1, tích hợp giải pháp thiết kế mạch lọc nhằm cải thiện THD

+ Nghiên cứu và đề xuất cấu trúc mạch điện tử, mạch lọc chống nhiễu và giảm EMI đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61000-6-3

- Nghiên cứu phát triển bộ phận điều khiển đèn LED với các kịch bản điều khiển độ sáng; nghiên cứu thiết kế LoRa module có khả năng tự động truyền,

6

nhận dữ liệu về các thông số như: P, W, Dimming, dòng điện, điện áp, RSSI, SNR, trạng thái hoạt động… của từng đèn ở bất kỳ giai đoạn nào tại trung tâm giám sát và phát hiện lỗi đèn cũng như đáp ứng tiêu chuẩn về tốc độ, độ trễ và khoảng cách truyền

- Xây dựng phần mềm quản lý cho phép truy cập, kiểm soát và quản lý đèn đường từ mọi nơi Hiển thị các thông số cơ bản của từng đèn và của hệ thống

- Hệ thống tương tác và thân thiện với người sử dụng, cung cấp các công cụ quản lý và giám sát các thông số đèn, báo cáo lỗi thời gian thực

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu

- Nghiên cứu các hệ thống chiếu sáng công công thông minh sử dụng LED, các bộ biến đổi công suất, các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao PF, giảm THD và EMI

- Nghiên cứu các công nghệ và giao thức truyền thông không dây để điều khiển

và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung vào các giải pháp công nghệ cho LED driver thông minh nhằm nâng cao chất lượng, hiệu quả, hiệu suất của LED Nghiên cứu các công nghệ truyền thông không dây, công nghệ LoRa và công nghệ thiết kế chế tạo các phần tử trong hệ thống truyền dữ liệu LoRaWAN

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu thông qua tài liệu bao gồm các nghiên cứu, ấn phẩm khoa học về LED driver, các bộ biến đổi công suất; các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao PF, giảm EMI và THD trong bộ nguồn LED driver; các tạp chí khoa học, các bài báo

và hội nghị chuyên ngành trên thư viện IEEE Explore, Springer … Nghiên cứu các giải pháp truyền thông trong xây dựng hệ thống truyền dữ liệu để điều khiển

và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED

1.7 Kết quả đạt được của luận án

- Nghiên cứu thành công và đề xuất thiết kế LED driver công suất lớn (120W, 150W, 200W) với cấu hình chuyển đổi cộng hưởng Half-Bridge LLC hiệu suất cao [11], [12]

- Nghiên cứu thành công và đề xuất giải pháp thiết kế mới mạch công suất giải quyết được các vấn đề về EMI [13] và nâng cao chất lượng đầu ra như PF, giảm THD [14], [15] trong bộ nguồn LED driver

- Thiết kế được hệ thống mạng truyền dữ liệu dựa trên công nghệ truyền thông không dây LoRaWAN như: Cấu hình mạng LoRa Network; thiết kế được module LoRa Network [16], [17]

- Thiết kế được hệ thống phần mềm Smart lighting để điều khiển hệ thống chiếu sáng theo các kịch bản khác nhau như: Kiểm soát người dùng; điều khiển thời gian; điều khiển tự động và hoạt động ở các chế độ (Chế độ tự động; chế độ ngắt kết nối; chế độ vận hành trực tiếp bằng tay) cũng như thiết kế được phần mềm quản lý dữ liệu với các chức năng như: Chức năng quản trị hệ thống; chức năng quản lý và điều khiển hệ thống; chức năng thống kê [16], [17]

1.8 Giá trị thực tiễn của luận án

* Hiệu quả về mặt khoa học và công nghệ:

- Luận án nghiên cứu và thiết kế thành công LED driver các cấp công suất 200W đạt các tiêu chí chất lượng kỹ thuật như hiệu suất Đề xuất các giải pháp mới nâng cao PF, giảm THD và EMI trong bộ nguồn LED driver

120W Làm chủ và ứng dụng công nghệ truyền dữ liệu không dây LoRaWAN trong

Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED, trong đó có thiết kế chế tạo thành công mạch điện tử module LoRa cho từng đèn đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống truyền dữ liệu không dây Tạo tiềm lực to lớn cho việc phát triển sản phẩm hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED

* Hiệu quả về kinh tế xã hội: Chủ động trong việc cải tiến, nâng cấp hệ thống

chiếu sáng, đồng thời sửa chữa lắp đặt và không phải phụ thuộc vào thiết bị nhập, giảm giá thành để triển khai rộng sản phẩm chiếu sáng công cộng thông minh, góp phần bổ sung sản phẩm phục vụ định hướng Smart City nói riêng và công nghệ 4.0 nói chung

8

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG THÔNG MINH 2.1 Tổng quan về hệ thống chiếu sáng thông minh

2.1.1 Chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED

Chiếu sáng thông minh là công nghệ chiếu sáng dựa trên nền tảng kỹ thuật số thỏa mãn mọi yêu cầu về chiếu sáng, hiệu quả cao về năng lượng; tự động điều chỉnh độ sáng dựa trên các điều kiện môi trường bên ngoài, dựa trên thời gian trong ngày, ánh sáng xung quanh và mật độ giao thông Chiếu sáng thông minh hỗ trợ IoT cung cấp khả năng kết nối mạng để thiết lập giao tiếp, tương tác giữa tất

cả các thiết bị thông minh và Internet với độ tin cậy cao hơn

Hình 2.1 Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh

Hệ thống chiếu sáng thông minh mang lại sự linh hoạt và tự động hóa cho cơ

sở hạ tầng chiếu sáng để điều khiển vô số tính năng chiếu sáng từ chuyển đổi bật/tắt đơn giản đến chiếu sáng thích ứng phức tạp

Ngoài việc cho phép thực hiện các chiến lược chiếu sáng tinh vi và tiết kiệm năng lượng hơn nữa, hệ thống chiếu sáng đường phố hỗ trợ IoT tạo ra một mạng lưới xương sống hỗ trợ một loạt các ứng dụng Smart City

2.1.2 Phân loại hệ thống chiếu sáng thông minh

1 Chiếu sáng thông minh cục

2 Chiếu sáng thông minh dựa trên mạng

3 Chiếu sáng thông minh hỗ trợ

2.1.3 Mức độ thích ứng ánh sáng

- Cấp độ 1- Thích ứng dựa trên thời gian biểu

- Cấp độ 2- Thích ứng dựa trên kích hoạt cảm biến

- Cấp độ 3- Thích ứng được khởi xướng bởi các hệ thống thông minh và tích hợp như hệ thống tự động hóa tòa nhà (BAS), hệ thống quản lý năng lượng (EMS),

hệ thống nhà thông minh và các dịch vụ của bên thứ ba

- Cấp độ 4- Thích ứng sử dụng kết hợp 3 cấp độ trên

2.1.4 IoT Platform cho Chiếu sáng công cộng thông minh

Điều khiến đèn đường hỗ trợ IoT thực sự thông minh không chỉ là sự tích hợp của các điều khiển và cảm biến, mà còn là khả năng giao tiếp qua mạng không dây hoặc

có dây, trích xuất dữ liệu và thông tin hữu ích một cách chi tiết từ dữ liệu do máy tạo

ra Những khả năng này có thể được chắt lọc lại thành "Giao tiếp" và "Nền tảng" là hai khối xây dựng chính khác của mô hình IoT

2.1.5 Công nghệ truyền dữ liệu trong chiếu sáng thông minh

Chiếu sáng công cộng IoT yêu cầu kết nối chủ yếu ở hai cấp độ: Mạng diện rộng công suất thấp tầm xa (LPWAN) và mạng cục bộ không dây tầm ngắn (WLAN) Các giải pháp vô tuyến IoT tầm xa bao gồm NB-IoT, LTE-M, LoRa, Sigfox và Ingenu Công nghệ giao tiếp tầm ngắn hoạt động trong các băng tần công nghiệp (ISM) và bao gồm ZigBee, Z-Wave, Thread, Bluetooth Low Energy (BLE), Wi-Fi và Li-Fi

2.2 Cấu trúc hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh

Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh gồm các thành phần như Hình 2.2

Hình 2.2 Thành phần cơ bản của hệ thống chiếu sáng thông minh

(1) Cảm biến/phần cứng thành phố thông minh

(2) Đèn chiếu sáng thông minh

4 The Internet

3 Khả năng kết nối

2 Đèn chiếu sáng thông minh

1 Cảm biến/phần cứng thành phố thông minh

6 Ứng dụng phần thông minh

Hộp cảm biến Thùng thông minh Dấu hiệu số – Digital sign

10

hoặc đặt bên ngoài LED driver điều chỉnh tải được cấp cho đèn LED và cấp nguồn cho bộ thu phát, bộ vi xử lý, cảm biến và các thiết bị đầu ra khác Driver nhận điều chế độ rộng xung (PWM) hoặc các tín hiệu kỹ thuật số khác từ bộ vi xử lý để điều khiển độ mờ và chuyển đổi của đèn LED Các tín hiệu kỹ thuật số dựa trên các sự kiện và hướng dẫn được giao tiếp từ trung tâm hoặc Cloud thông qua mạng không dây Bộ vi xử lý cũng điều khiển dãy đèn LED dựa trên tín hiệu đầu vào nhận được

từ các cảm biến được kết nối

2.4 Các hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED

Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng đèn LED đã và đang được nghiên cứu triển khai ở nhiều nước trên thế giới sử dụng các công nghệ truyền dữ liệu có dây PLC, và không dây như ZigBee, SigFox và LoRa và NB-IoT

2.5 Hệ thống chiếu sáng thông minh đề xuất

TRUNG TÂM MÁY CHỦ (Phần cứng)

Bộ xử lý Back end Chương trình máy chủ Lưới điện thông minh Đám mây

Chương trình chiếu sáng thông minh

Quản lý tài sản

Hình 2.8 Sơ đồ khối hệ thống chiếu sáng đề xuất

Luận án đề xuất nghiên cứu triển khai “Hệ thống chiếu sáng thông minh dựa trên

mạng không dây LoRaWAN và có tích hợp IoT Platform” Hệ thống cung cấp khả

năng tương tác thông minh của người dùng, các chức năng lập lịch và Dimming nâng cao Hệ thống cho phép:

- Điều khiển chiếu sáng công cộng Điều chỉnh ON/Off, điều khiển mờ từng đèn theo thời gian

- Hệ thống cung cấp khả năng chọn lịch trình được lập trình sẵn hoặc kế hoạch, lịch trình của riêng quản lý tất cả các đèn công cộng, theo nhu cầu của người vận hành

- Hệ thống đảm bảo quản lý thông tin của đèn LED theo thời gian thực

Gateway dựa trên LoRa Cảm biến kết nối đến Gateway LoRa

Hình 2.9 Thành phần cơ bản của hệ thống chiếu sáng thông minh đề xuất

 LED driver, Bộ điều khiển tích hợp các cảm biến được tích hợp trong mỗi đèn đường tạo khả năng điều khiển ánh sáng

 Thiết bị đầu cuối- Module LoRawan truyền dữ liệu từ cảm biến kết nối đèn với gateways

 Gateways thu thập dữ liệu từ tất cả các đèn gần đó

 Cảm biến cho các ứng dụng thành phố thông minh có thể kết nối với cùng một cổng

 Gateways sẽ gửi thông tin đến Cloud nơi dữ liệu được phân tích bởi một Server

 Máy chủ - Server điều khiển ánh sáng

 Máy chủ gửi cảnh báo bảo trì cho các đèn và các vấn đề khác

2.5.3 Chức năng cơ bản của hệ thống đề xuất

Chức năng quản lý chiếu sáng từ xa qua website điện tử; Tự động điều chỉnh độ sáng theo kịch bản cài đặt; Tự động vận hành theo các chế độ bằng tay, tự động theo kịch bản hoặc điều chỉnh độ sáng thông minh; Khả năng tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí bảo trì; Điều khiển riêng biệt từng đèn hoặc theo nhóm, theo tủ điện tổng, theo

dự án, khu vực; Khả năng phát hiện sự cố đường dây và đèn; Khả năng bảo vệ sự cố sét đánh; Báo cáo và lịch bảo trì; Kết cấu hạ tầng IoT trên nền tảng LoRaWAN

2.5.4 Chức năng thông minh hệ thống đề xuất

Hệ thống chiếu sáng đề xuất gồm các nút điều khiển có khả năng tự kết nối vào mạng kết hợp với khả năng giao tiếp với các mạng truyền dữ liệu khác; hỗ trợ được nhiều tính năng tiên tiến từ khả năng giám sát quản lý thiết bị 2 chiều, còn có thể hỗ

12

trợ cảnh báo sự cố, định vị, quản lý theo thời gian thực, lưu trữ dữ liệu, lập báo

cáo,… Đảm bảo độ tin cậy trong hoạt động Nhận biết ngữ cảnh

2.5.5 Kịch bản điều khiển trong hệ thống chiếu sáng cộng cộng thông minh

 Chế độ 1: Kiểm soát người dùng

 Chế độ 2: Điều khiển thời gian

 Chế độ 3: Điều khiển tự động

2.6 Kết luận chương 2

Chương 2 của Luận án đã trình bày tổng quan về LED và hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED, về các cấu hình hình chung của hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh với các khái niệm về IoT và hệ thống truyền dữ liệu trong chiếu sáng Cụ thể, đã định nghĩa thế nào là “Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh” và phân tích rõ được cách phân loại hệ thống chiếu sáng thông minh Trong chương này, Luận án đã tổng kết các hệ thống chiếu sáng thông minh trong nước và trên thế giới, phân tích các ưu nhược điểm của chúng cũng như các

hệ thống truyền dữ liệu có dây và không dây như PLC, ZigBee, SigFox và LoRa

Từ đó, rút ra kết luận về định hướng nghiên cứu phát triển hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED

Sau khi phân tích và đánh giá tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, tác giả

đề xuất nghiên cứu triển khai “Hệ thống chiếu sáng thông minh dựa trên mạng không dây Lorawan và có tích hợp IoT Platform” có cấp khả năng tương tác

thông minh của người dùng và các chức năng lập lịch và Dimming nâng cao Trong

đó, tác giả đã trình bày đầy đủ, chi tiết thành phần, chức năng cơ bản, chức năng thông minh của Hệ thống đề xuất đảm bảo đáp ứng tiêu chuẩn của một Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ LED DRIVER CÔNG SUẤT

LỚN ỨNG DỤNG CHO CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG

3.1 Tổng quan về LED driver

Đèn LED yêu cầu nguồn điện một chiều điện áp thấp, và do đó cần chuyển đổi AC/DC nếu chúng được cấp nguồn bằng nguồn điện AC Nguồn cung cấp cho đèn LED phải đáp ứng các yêu cầu chung sau [42]:

- Hệ số công suất PF> 0,9;

- Hiệu suất điện > 85%;

- Tuân thủ các Quy định về Năng lượng;

- Đầu ra dòng điện không đổi;

- Độ tin cậy cao;

3.3.5 Kết luận và nhận xét về các nghiên cứu

- Trong hầu hết các nghiên cứu dạng 1 chủ yếu tập trung vào việc nâng cao hiệu suất, PFC mà chưa quan tâm đến các vấn đề cách ly với tải và vấn đề nhấp nhô dòng điện đến 13% và THD đều trên 8% có trường hợp gần 20% Trong các nghiên cứu về dạng 2 [58]-[64] các thực nghiệm chỉ áp dụng cho các dạng công suất 50W-100W, trong đó độ nhấp nhô dòng điện đã giảm đến 4% và THD vẫn cao có trường hợp gần 28%

- Đối với LED công suất lớn, các nghiên cứu cho kích thước của mạch rất lớn

và giá thành cao Trong hầu hết các nghiên cứu đều chưa quan tâm đến vấn đề điều khiển điện áp và dòng điện ngõ ra khi không tải hoặc tải nhỏ

3.4 Định hướng nghiên cứu và các vấn đề đặt ra

Sau khi phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước, chiếu theo các tiêu chuẩn LED driver công suất lớn, để phát triển LED driver cần phải triển khai một số vấn đề sau:

14

Vấn đề 1: Cải tiến cấu hình các bộ biến đổi công suất trong LED driver công suất lớn

nhằm nâng cao các chỉ số chất lượng như: Hiệu suất, THD độ nhấp nhô dòng điện tải và cải thiện chất lượng ánh sáng, khả điều khiển tuyến tính theo tải đồng thời phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật IEC 61000-3-2 Class C và chế độ làm việc trong hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh

Vấn đề 2: Nghiên cứu đề xuất phương pháp điều khiển nâng cao PF đến 1

trong toàn dải điện áp và tải

Vấn đề 3: Nghiên cứu đề xuất phương pháp tối ưu hóa cấu hình các mạch lọc

nhằm giảm nhiễu điện từ EMI cho LED driver công suất lớn đáp ứng tiêu chuẩn yêu cầu chỉ tiêu kỹ thuật phát xạ bức xạ IEC 610006-3 và được định nghĩa trong CIRSP 15:2009

Vấn đề 4: Nghiên cứu các mạch bảo vệ LED driver như: Bảo vệ hở mạch hoặc

bảo vệ quá áp đầu ra (OOVP), Bảo vệ quá áp đầu vào (IOVP) và Bảo vệ quá nhiệt

cho mạch công suất

3.5 Nghiên cứu đề xuất các giải pháp công nghệ cho LED driver công suất lớn

Trên cơ sở phân tích các kết quả nghiên cứu trên thế giới về LED driver ứng dụng cho chiếu sáng công cộng thông minh đảm bảo phù hợp cấp công suất định mức 120W-200W, đáp ứng các yêu cầu về tính năng, đặc tính kỹ thuật, hiệu suất, chỉ số chất lượng điện áp, dòng điện Đề xuất cấu hình LED driver công suất lớn dựa trên DC/DC Half Bridge cộng hưởng LLC và Boost PFC Bộ biến đổi Half-Bridge kết hợp LLC có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và PF của hệ thống, cũng như chất lượng dòng điện và điện áp ngõ ra Hơn thế nữa, giá thành và kích thước của bộ LED cũng sẽ được giảm đi Cấu hình này có khả năng điều khiển PF tốt, THD thấp và hiệu suất cao hơn

so với các cấu hình biến đổi DC/DC khác với cùng cấp công suất

Hình 3.9 Cấu trúc LED Driver hai tầng đề xuất

- Khối 1: Bất kỳ LED driver nào được kết nối với nguồn điện lưới AC phải đáp ứng yêu cầu về nhiễu EMI Do đó, bộ lọc EMI là cần thiết ở phía đầu vào của LED driver

- Khối 2: Khối PFC được sử dụng để đạt được PF gần bằng 1 với dải điện áp đầu vào rộng từ 85 đến 265VAC Ngoài ra, bộ chuyển đổi PFC là bắt buộc trong tất cả các cấu trúc AC-DC được kết nối với đường dây để tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61000-3-2

- Khối 3: Khối chuyển đổi Half-Bridge tạo ra điện áp sóng vuông từ điện áp đầu vào 400VDC và tỷ lệ nhiệm vụ 50%

- Khối 4: Khối cộng hưởng chứa một tụ điện và cuộn cảm từ của biến áp Bể cộng hưởng hoạt động với tần số cao và tạo ra dòng hình sin từ điện áp sóng vuông từ Khối 3

- Khối 5: Một bộ chỉnh lưu diode ở phía đầu ra để tạo ra điện áp đầu ra DC

3.5.1 Giải quyết vấn đề 1 -Nâng cao hiệu suất LED driver công suất lớn sử dụng cấu hình Half Bridge kết hợp mạch cộng hưởng LLC

3.5.1.1 Đặt vấn đề

Bộ biến đổi cộng hưởng LLC có các ưu điểm như khả năng cách ly DC, hoạt động ổn định khi không tải hoặc tải nhỏ, độ gợn sóng dòng thấp của tụ điện lọc và khả năng điều chỉnh dòng cộng hưởng theo tải, đồng thời dễ dàng mở rộng phạm vi điều chỉnh điện áp và chuyển mạch mềm, hiệu suất cao, mật độ năng lượng cao, giảm EMI và ảnh hưởng sóng hài

3.5.1.2 Cấu hình Half Bridge kết hợp mạch cộng hưởng LLC

Sơ đồ đơn giản của bộ biến đổi Half-Bridge cộng hưởng LLC bán cầu như Hình 3.13 bao gồm ba khối: mạch tạo sóng vuông, mạch cộng hưởng và mạnh chỉnh lưu

Thiết kế bộ biến đổi Half Bridge cộng hưởng LLC của LED driver công cộng

có các yêu cầu chung luôn được xem xét đầu tiên là: Điều chỉnh tuyến tính, điều chỉnh tải và nâng cao hiệu suất

Để chứng minh tính đúng đắn của các phân tích ở trên, LED drvier hai tầng sẽ được xây dựng bằng cách kết hợp mạch tăng áp có PFC và mạch cộng hưởng

16

DC/DC bán cầu Driver này được thiết kế để cung cấp cho đèn LED 150W với điện áp 32VDC Chi tiết tính toán thiết kế cho tầng chỉnh lưu AC/DC và bộ biến đổi DC/DC bộ biến đổi cộng hưởng LLC được tiến hành theo các bước sau:

Bước 1 Xác định các thống số thiết kế

Bảng 3.2 Đặc điểm kỹ thuật yêu cầu của hệ thống

Tham số thiết kế LLC Resonant Half-Bridge

Điện áp vào Half Bridge 390V - 410V VDC

Tần số chuyển mạch 100kHz - 120kHz F sw

Bước 2: Xác định tỷ số biến áp Tỷ số biến áp được xác định theo phương

Để đạt được hiệu suất hoạt động cao, tần số chuyển mạch được chọn ở gần tần

số cộng hưởng Độ lợi điện áp của bộ chuyển đổi LLC được chọn từ 1 đến 1,4 Từ phương trình (3.6) tỷ số vòng là n = 6,3 - 8,96 Do đó, chọn tỷ số vòng biến áp n

là 8,75 (35:4:4) [84]

Bước 3: Chọn biến áp Trong đề xuất này, loại lõi biến áp được chọn là

ETD-34 của Wurth Elektronik Cuộn cảm sơ cấp và cuộn cảm rò của biến áp này là

L m L

Bước 6: Tính toán các tham số mạch cộng hưởng Tần số làm việc f s phải thấp hơn tần

số cộng hưởng để giữ cho bộ biến đổi hoạt động ở vùng 2 Trong đề suất này, tần số chuyển

đổi được chọn từ 100-150 kHz và tần số cộng hưởng được đặt thành f r = 150 kHz

AC

L C Q

R

Bước 7: Kiểm nghiệm mạch cộng hưởng

Từ các tham số đã chọn ở trên, tần số cộng hưởng được tính lại là

1 159

Đường cong độ lợi điện áp của bộ chuyển đổi LLC theo hệ số phẩm chất Q khác

nhau trong trường hợp m = 6 và tần số cộng hưởng f r = 159 kHz Hình 3.28 Có thể thấy rằng, với tần số chuyển mạch là 100 kHz và hệ số phẩm chất Q = 0,32, độ lợi điện áp là 1,4 Từ phương trình (3.18), điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi nguồn được kiểm nghiệm

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Hình 3.28 Đường cong độ lợi điện áp của bộ biến đổi cộng hưởng LLC với tần

số cộng hưởng là 159 kHz, tỷ số cuộn cảm m = 6

Bảng 3.3 thông tin biến áp, tần số chuyển mạch và danh sách thiết bị được sử dụng để thực hiện bộ chuyển đổi DC/DC

Bảng 3.3 Thông số các thiết bị trong LLC resonant DC-DC converter

Tham số LLC Resonant Half-Bridge

Biến áp ETD 34 (35:4:4) Tần số chuyển mạch 100kHz - 120kHzCuộn cảm cộng hưởng Lr 100 µH

Didoe D1, D2 STPS30H60CFP Mosfet S1, S2 và driver IC FLS2100XS Cách ly hồi tiếp Optocoupler PC817

18

3.5.1.7 Thiết kế phần hồi tiếp và ON/OFF của bộ LED driver

Mục đích: Phần mạch điện này có tác dụng hồi tiếp, ổn dòng, bảo vệ quá áp và dimming bộ LED driver Mạch điện gồm U11A và U11B là 2 bộ khuếch đại thuật toán được đóng gói trong cùng 1 chip, các mạch RC bên ngoài đóng vai trò như

bộ điều khiển PI và lọc thông thấp Sơ đồ thiết kế của mạch như Hình 3.30

VDIM

ON/OFF Vout_FB

Iout_FB

VR1

RS42 RS40

R2

0 Ohms 1206

R3 NC

Feedback, ON/OFF, DIM

EGND

603-RC0805FR-0768KL 603-RC0805FR-071KL

78-LL4148 470 Ohms 1%

1 kOhms

852-PC817XNNSZ1B PC101A

+2.5V_REF 511-TL431AIZ-AP

IC1

80-C0805C104J5RAUTO

6 7 5 3 1

EGND NC NC

EGND

5 7C24 C22 R15 1%

DS3 RS49

EGND

1 2 U11B

EGND

50VDC

NC 603-AC0805FR-07470RL 512-LM358M

PC102A 852-PC817XNNSZ1B 1

DS5 78-LL4148DS678-LL4148 LM358

U11A 1

-CS1 1µF 50VDC RVR2 3.3 kOhms 1%

EGND

RS33

47 kOhms 1%

50 Vout

Q6 621-MMBT2222A-F

R13 603-RC0805FR-0710KL ON/OFF BC

621-DZ9F15S92-7 D210

R4 603-RC1206JR-7W0RL

50 Vout

Hình 3.30 Mạch điều khiển và hồi tiếp

Sơ đồ tương đương của mạch có thể mô hình hóa như Hình 3.31

Hình 3.31 Sơ đồ chức năng điều khiển Dimming LED driver

Việc Dimming LED được thực hiện như trong Hình 3.31, nó được mô tả là lỗi giữa giá trị tham chiếu và giá trị hồi tiếp và là đầu vào của bộ điều khiển tích phân tuyến tính PI Analog Phần mạch hồi tiếp có thể chia làm 2 mạch chính:

- Mạch phản hồi tín hiệu gồm các linh kiện IC1, RS40, các điện trở shunt và VR1

- Mạch PI controller: Bao gồm C22=0.1uF, C24=0.1uF, R15=1K

- Mạch dimming: Bao gồm R11, C21 và R12

3.5.1.8 Thiết kế phần hồi tiếp PI

Phần hồi tiếp PI thực chất là 1 bộ lọc thông thấp, tần số cắt được lựa chọn thấp hơn khoảng tần số đóng cắt (60 kHz-100kHz) Tần số được chọn thực nghiệm là

800 Hz với biểu đồ bode của mạch RC như sau

Hình 3.32 Biểu đồ Bode khối PI Analog

Sơ đồ mạch của bộ điều khiển PI tương tự được trình bày trong Hình 3.33 Bộ điều khiển PI tương tự được thực hiện bằng cách sử dụng op-amp LM58 Đầu tiên, dòng tải được đo bằng cách sử dụng điện trở shunt và phản hồi cho mạch điều khiển

PI tương tự thông qua biến trở VR1 Thứ hai, điện áp tham chiếu được tạo ra bằng cách sử dụng IC TL431 và nó được đặt ở mức 2,5V Do đó, bộ điều chỉnh độ sáng 0-10V hoặc PWM được kết nối với R4 và bộ lọc LC (R3, C3) tạo ra điện áp DC

EGND VDIM

DIM1

R3 R4 C3 1µF VR1

RS1 RS3

EGND

603-RC0805FR-0768KL 603-RC0805FR-071KL

78-LL4148 470 Ohms 1%

1 kOhms

852-PC817XNNSZ1B PC1A

+2.5V_REF 511-TL431AIZ-AP

EGND NC NC

EGND

3 1C2 C1 R1 1%

DS1 RS2

EGND

1 2 U1B

EGND

50VDC

NC 603-AC0805FR-07470RL 512-LM358M

VCC

adj

8 4

từ đó các giá trị điện trở được lựa chọn là RS33 = 47K và RVR2 = 3.3K

3.5.1.10 Thiết kế mạch điều khiển tần số chuyển mạch

Tải ánh sáng LED có đặc tính điện rất giống với diode, là nguồn không đổi Độ sáng của đèn LED bị mờ đi bằng cách điều khiển dòng điện Dòng tải được điều khiển

20

bằng cách điều chỉnh tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi cộng hưởng Half Bridge LLC IC FLS2100XS được sử dụng để điều khiển bộ chuyển đổi cộng hưởng HalfBridge LLC Hình 3.34

PGND

852-PC817XNNSZ1B PC1B

R1

1 kOhms 1%

C2 10000pF 50V

Css_1 10µF 25V

PGND

Css_2 10µF 25V

R2 9.1kOhm 1%

100pF 50V

C3

PGND

C1 680pF

VCTR

VDL RT

10 9

Bảo vệ xung điện áp giữa L và PE; N và PE (Up L- PE; Up N-PE) 2.5kV Điện áp làm việc liên tục đặt lên chống sét tại tần số định mức 300V

b) Mạch chống sét bên trong

Mạch chống sét bên trong sử dụng dự phòng trong trường hợp bộ driver được sử dụng mà không có bộ chống sét bên ngoài Mạch điện được thiết kế thêm các khe phóng điện để trong trường hợp có sự cố, các khe phóng điện sẽ giảm một phần

xung điện áp trước khi các van chống sét tác động, từ đó giảm thiểu việc phải bảo trì driver khi bị sét lan truyền

Hình 3.36 Sơ đồ layout mạch chống sét bên trong LED driver

3.5.1.12 Thực nghiệm và kết quả

Để kiểm chứng tính đúng đắn của đề xuất khoa học trong thiết kế LED driver dựa trên bộ biến đổi Half Bridge cộng hưởng LLC và xác định hiệu quả sử dụng cũng như kiểm tra độ tin cậy của các mô hình, các thực nghiệm được tiến hành đo lường các đại lượng như: Hiệu suất, hệ số công suất, THD dòng điện vào, độ nhấp nhô dòng điện ngõ ra của bộ LED driver công suất 150W ở 02 chế độ

a) Thay đổi điện áp đầu vào từ 150-265V và giữ nguyên tải định mức

Hình 3.38 Nguyên mẫu LED driver 150W

Kết quả thử nghiệm “Thay đổi điện áp đầu vào từ 150-260V và giữ nguyên tải định mức”

Bảng 3.5 Kết quả thực nghiệm với điện áp AC thay đổi và độ sáng định mức

Bảng 3.5 trình bày kết quả của dòng điện đầu vào, hiệu suất, PF, THD, với sự thay đổi của điện áp đầu vào Với giá trị danh định 220 Vrms; PF cao hơn 0,98; THD thấp hơn 7% và hiệu suất cao hơn 91,6% Như mong đợi, bộ chuyển đổi này phù hợp với một loạt các điện áp đầu vào và nó đã đạt được hiệu quả tốt cho THD và PF, cũng như hiệu suất

22

Hình 3.39a cho thấy LED Driver 150W có thể làm việc với dải điện áp từ 265V với hiệu suất hầu như không đổi đạt đến 92.00% Hình 3.39b cho thấy PF đạt 0.966-0.996 và dòng điện ngõ ra hầu như không đổi khi độ sáng được giữ là định mức

Hình 3.39 Hiệu suất (a), hệ số công suất (b) LED driver 150W

Hình 3.41a kết quả thử nghiệm dòng điện đầu ra với tải định mức của LED Driver 150W và gợn dòng là khoảng 150 mA Hình 3.41b THD dòng điện nguồn, với giá trị danh định 220 Vrms ta có thể thấy THD thấp hơn 7%

Hình 3.41 Dòng điện tải (a), THD dòng điện nguồn (b) LED driver 150W

b) Thay đổi tải từ 20%-110% và giữ điện áp đầu vào là định mức 220V

Kết quả thử nghiệm “Thay đổi tải từ 20%-110% và giữ điện áp đầu vào là định mức 220V”

Bảng 3.6 kết quả thực nghiệm khi tải thay đổi từ 20%-110%, hiệu suất thấp nhất là 73,65% và cao nhất là 91.68% với PF 0.756-0.981; THD ≥7% khi tải

<100% và THD<7% khi tải đầy

Hình 3.43a hiệu suất của LED driver 150W đạt 73,65% đến 91,68 % khi tải thay đổi từ 20%-110% Hình 3.43b cho thấy PF đạt 0,946-0.985 khi tải trên 50%

Bảng 3.6 Bảng thực nghiệm khi độ sáng thay đổi

Hình 3.43 Hiệu suất, hệ số công suất LED driver 150W khi tải thay đổi

Hình 3.45 Dòng điện đầu ra khi tải thay đổi từ 20%-110% của LED driver 150W

Hình 3.45 Dòng điện đầu ra LED driver 150W khi tải thay đổi

3.5.2 Giải quyết vấn đề 2-Nghiên cứu đề xuất phương pháp nâng cao PF và giảm THD

Mạch PFC hoạt động là phương pháp phổ biến nhất để loại bỏ sóng hài dòng điện đầu vào Giải pháp hệ thống bao gồm một bộ chuyển đổi Boost giữa cầu chỉnh lưu và tụ điện Bulk, như trong Hình 3.46 Tầng Boost PFC bao gồm một bộ chỉnh lưu cầu diode (DR1, DR2, DR3, DR4), một cuộn cảm Boost (LB), một diode Boost (DB)

và chuyển mạch nguồn (SPFC) Tụ Cbulk được sử dụng để giảm gợn điện áp DC-link Các chức năng của Boost PFC trong LED Driver như sau: Tạo điện áp đầu ra bằng

400 VDC, cao hơn điện áp đầu vào và buộc dòng điện cảm trung bình theo dòng điện tham chiếu để nó có hình dạng giống như điện áp đầu vào

Hình 3.46 Sơ đồ khối điều khiển hệ số công suất- Boost PFC converter

Bộ chuyển đổi Boost có thể hoạt động ở ba chế độ: Chế độ CCM, DCM và CRCM DCM có nhược điểm là nó có dòng điện cực đại cao nhất so với CRCM và CCM, không có bất kỳ lợi thế về hiệu suất so với CRCM Vì lý do đó, CRCM là một thiết kế thực tế phổ biến hơn DCM

3.5.2.3 Trình tự thiết kế bộ Boost PFC Converter

Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của bộ chuyển đổi boost PFC

Thông số thiết kế

Điện áp ngõ vào 220V VRMS Tần số áp ngõ vào 50 Hz fin

Điện áp DC-bus 400V VDC

Hiệu suất tối thiểu 92% 

Tần số đóng cắt tối thiểu 40 kHz fsw(min)

Bộ tăng áp Boost PFC được thực hiện bằng cách sử dụng IC điều khiển NCP1608BDR2G Ưu điểm của IC này là PF gần bằng 1, phạm vi điều khiển rộng, cho ứng dụng công suất cao và không yêu cầu cảm biến điện áp đầu vào Hơn nữa,

nó hoạt động an toàn do nó cung cấp bộ phận bảo vệ quá điện áp, quá dòng và thấp

áp IC này hoạt động ở chế độ CRCM để đảm bảo PF gần bằng 1 trên một loạt các dải điện áp đầu vào và công suất đầu ra Thông số thiết kế của bộ chuyển đổi Boost PFC được thể hiện trong Bảng 3.7

Cuộn cảm tăng áp LB được sử dụng để hoạt động trong chế độ CRCM Ở đây, VDC là điện áp DC-bus, Vin là điện áp đầu vào và fsw là chu kỳ chuyển mạch của khóa bán dẫn công suất nguồn SPFC

2

w ( )

2 2

IC-NCP1608 có chức năng bảo vệ quá điện áp để ngăn đầu ra vượt quá điện áp

an toàn Điện áp ngưỡng để phát hiện quá điện áp là 421VDC Do đó, tụ CBulk được thực hiện để đảm bảo rằng độ gợn của điện áp DC-bus nhỏ hơn 42V

ripple in min out

Trong phương pháp này, giá trị của tụ CBulk được chọn ở 100F

Bảng 3.8 Tóm tắt danh sách linh kiện của tầng Boost PFC

Danh sách linh kiện của tầng Boost PFC

Diode (DR1, DR2, DR3, DR4) TS15P05GC2 (Taiwan Semiconductor)

Boost Inductor LB 300μ (Core PQ2625)

Hình 3.50 (a) Dạng sóng điện áp/dòng điện đầu vào và (b) kết quả thử nghiệm

điện áp chỉnh lưu toàn cầu và dòng điện dẫn của Boost PFC

Hình 3.50ab hiển thị dạng sóng dòng điện/điện áp trong tầng PFC Trong Hình

3.50a kết quả thử nghiệm của điện áp đầu vào v in và dòng điện đầu vào i in được

26

hiển thị và có thể thấy rằng PF thu được gần bằng 1 Dòng điện dẫn và điện áp chỉnh lưu toàn cầu được thể hiện trong Hình 3.50b Có thể thấy rằng giá trị cực đại của dòng điện dẫn tỷ lệ thuận với dạng sóng chỉnh lưu toàn sóng

Hình 3.51a cho thấy dạng sóng của điện áp đầu vào và điện áp đầu ra của tầng PFC Dữ liệu thu được từ các kết quả thí nghiệm cho thấy điện áp trung bình là 405V, cao hơn giá trị danh định (400V) và độ gợn của nó là khoảng 20V, tương ứng với khoảng 5% Hình 3.51b mô tả phổ dòng đầu vào và THD là 6,3% Kết quả cho thấy tất cả các sóng hài đầu vào đều tuân theo tiêu chuẩn IEC 61000-3-2

Hình 3.51 Dạng sóng điện áp đầu vào và điện áp DC-bus (a) Phân tích FFT

của dòng điện đầu vào (b)

Hình 3.53 a, b, c hiển thị các giá trị của PF đầu vào, THD và hiệu suất hệ thống theo

sự thay đổi của tải: Từ 10% đến toàn tải Hiệu suất luôn cao hơn 90% và PF vẫn còn hơn 0,97 khi tải thay đổi từ 70% đến 100% Hơn nữa, THD nhỏ hơn 20% với tải 10%

và sẽ giảm xuống còn 5,2% khi đầy tải

(c) Hình 3.53 PF, THD và hiệu suất của nguồn LED theo điện áp thay đổi

Hình 3.54ab hiển thị các đường cong của hệ thống PF và THD với điện áp đầu vào thay đổi Khi điện áp đầu vào thay đổi trong khoảng từ 150 đến 220Vrms, THD của hệ thống luôn thấp hơn 10% và PF vẫn lớn hơn 0,965 Từ Hình 3.53 và Hình 3.54, THD luôn đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61000-3-2

Hình 3.54 Dạng sóng của PF và THD với điện áp đầu vào thay đổi

3.5.3 Giải quyết vấn đề 3: Nghiên cứu đề xuất phương pháp giảm EMI

3.5.3.1 Đặt vấn đề

Quá trình đóng ngắt tần số cao của cả hai bộ Boost-PFCvà bộ cộng hưởng DC/DC Half-Bridge trong LED driver sẽ gây ảnh hưởng lên lưới điện và phát xạ ra môi trường gây ảnh hưởng sức khỏe người sử dụng cũng như các thiết bị điện tử khác Vì vậy, bộ lọc điện từ EMI có chức năng giảm nhiễu điện từ, và được nghiên cứu để đưa vào các thiết bị điện tử công suất Việc chèn bộ lọc EMI giữa nguồn điện

AC và bộ chỉnh lưu diode là cần thiết để tuân thủ các tiêu chuẩn EMC và để đảm bảo hoạt động chính xác [85]

R_LN R_LN

I_DM

2*I_DM GND

PE

L_BOOST D?

Hình 3.56 Nhiễu điện từ trong bộ Boost PFC

Phương pháp đề xuất thiết kế bộ lọc nhiễu được thực hiện bằng cách đo thực nghiệm các nhiễu của nguồn đèn LED khi chưa có gắn bộ lọc Từ đó xác định các tần số có nhiễu vượt giá trị cho phép và chúng tôi tính toán đề xuất các thông số cho bộ lọc nhiễu mới

28

Trong đề xuất, bộ lọc EMI được thiết kế dựa trên phân tích EMI và sử dụng máy phân tích phổ Theo tiêu chuẩn CISPR 16‐1, giá trị đỉnh và giá trị trung bình của nhiễu EMI được đo Hình 3.62 cho thấy giá trị đỉnh và trung bình của nhiễu dẫn LED driver mà không sử dụng nhiễu EMI Từ Hình 3.62, Bảng 3.9 cho thấy giá trị đỉnh, giới hạn tiêu chuẩn CISPR15: 2009 và giới hạn phân biệt

Bảng 3.9 Các phép đo giá trị đỉnh và trung bình của phổ tần số EMI

CISPR 15:2009 Limit (Peak) CISPR 15:2009 Limit (Average)

Test result (Peak)

Test result (Average)

Hình 3.62 Phổ tần số EMI của LED driver không có bộ lọc EMI và giới hạn tiêu

chuẩn CISPR15:2009

3.5.3.3 Trình tự thiết kế mạch EMI

Để thiết kế bộ lọc EMI cho LED driver sử dụng bộ Boost-PFC ở tầng AC/DC

và cấu hình cộng hưởng LLC Half-Bridge ở tầng DC/DC được thực hiện như sau:

- Bước 1: Đo thông tin nhiễu EMI không cần bộ lọc

Giới hạn tối đa của nhiễu được thể hiện trong Bảng 3.9 Trong trường hợp này,

điều kiện làm việc cho phổ nhiễu kém nhất là 68,3dB với f = 168kHz Tần số góc

được tính bằng cách sử dụng tần số của điểm biên độ nhiễu cao nhất đầu tiên của nhiễu CM Tần số góc được xác định theo phương trình sau

w

4010

- Bước 2: Xác định yêu cầu suy giảm bộ lọc

Cho một giới hạn thích hợp, giới hạn dưới 6dB được sử dụng và yêu cầu suy giảm được tính như sau

168

17.6( ) 10

10

PEAK LIMIT s

ở 1000 pF LCM và tụ điện Y phải có tần số cộng hưởng của fc thu được ở Bước 3

Do đó, cuộn cảm LCM được tính như sau: