Xây dựng mô hình đèn huỳnh quang và ballast điện tử họat động ở tần số cao

Do có dải chiếu sáng rộng nên đèn huỳnh quang được sử dụng để chiếu sáng các không gian rộng như phòng họp, hội trường, nhà xưởng còn đèn huỳnh quang compact được sử dụng cho chiếu sáng

Trang tựa TRANG

Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Cảm tạ iii

Tóm tắt iv-v Mục lục vi-viii Danh sách các hình ix-xi Danh sách các bảng xii

Chương 1: Tổng quan 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.1.1 Tiết kiệm điện trong chiếu sáng 1

1.1.1.1 Sử dụng thiết bị chiếu sáng có hiệu suất phát sáng cao 2

1.1.1.2 Sử dụng thiết bị điều khiển để nâng hiệu suất của đèn huỳnh quang 2

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 4

1.2.1 Mục tiêu 4

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 4

1.3 Đối tượng nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu 4

1.4 Phương pháp nghiên cứu 5

1.5 Các bước tiến hành 5

1.6 Điểm mới của luận văn 5

1.6.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 5

1.6.2 Điểm mới của luận văn 10

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Lý thuyết tương quan và hàm hồi quy 12

2.1.1 Mối tương quan giữa hai biến ngẫu nhiên 12

2.1.2 Hệ số tương quan 12

2.1.2.1 Moment tương quan 12

2.1.2.2 Hệ số tương quan 13

2.1.2.3 Uớc lượng hệ số tương quan 13

2.1.2.4 Tính chất hệ số tương quan 14

2.1.2.5 Tỷ số tương quan 15

2.1.2.6 Hệ số xác định mẫu 15

2.1.3 Hồi quy 16

2.1.3.1 Kỳ vọng có điều kiện 16

2.1.3.2 Hàm hồi qui 16

2.1.3.3 Xác định hàm hồi qui 17

2.2 Mô hình hóa mô phỏng 20

2.2.1 Mô hình vật lý 21

2.2.2 Mô hình tương tự 21

2.2.3 Mô hình toán 22

2.3 Công cụ Matlap để phân tích mô phỏng và hồi quy 22

Chương 3 Xây dựng mô hình đèn 3.1 Phương pháp xây dựng mô hình 24

3.2 Chương trình xây dựng mô hình đèn 26

3.2.3 Kết quả xây dựng mô hình 32

3.3 Công cụ cftool để xây dựng mô hình 34

3.3.1 Giới thiệu công cụ cftool 34

3.3.2 Kết quả mô hình 34

Chương 4: Mô hình Ballast điện tử 4.1 Ballast điện tử 40

4.1.1 Cấu tạo Ballast điện tử 40

4.1.2 Nguyên tắc hoạt động 42

4.1.3 Thay đổi công suất làm việc của đèn 45

4.2 Thiết kế Ballast điện tử 47

4.3 Xây dựng mô hình cho Ballast điện tử 49

Chương 5 Kết quả mô phỏng 5.1 Mô phỏng chấn lưu điện tử kết hợp đèn huỳnh quan 53

5.2 Kết quả mô phỏng 54

5.2.1 Mô phỏng với tần số thấp 47KHz 54

5.2.3 Mô phỏng với tần số trung bình 71.4Khz 58

5.2.4 Mô phỏng với tần số cao 100KHz 61

Chương 6 Kết luận 64

Tài liệu tham khảo 66

HÌNH TRANG

Hình 1.1: Đặc tuyến (U, P) theo C.S.Moo 6

Hình 1.2: Đặc tuyến (I, P) theo C.S.Moo 6

Hình 1.3: Đặc tuyến của đèn huỳnh quang theo T Wu 7

Hình 1.4: Mô hình đèn huỳnh quang theo T Wu 7

Hình 1.5: Mô hình Ballast điện tử kết hợp với đèn huỳnh quang theo T Wu 8

Hình 1.6: Đặc tuyến đèn theo Naoki Onishi 8

Hình 1.7: Mô hình Ballast điện tử theo Naoki Onishi 9

Hình1.8: Mô hình bộ nghịch lưu, Ballast điện tử 10

Hình 2.1 Công cụ cftool của Matlap hỗ trợ hồi quy 23

Hình 3.1 Thí nghiệm đo thông số đèn 24

Hình 3.2: Đặc tuyến U-I của đèn phillip 36 W 25

Hình 3.3: Phân tích đặc tuyến U-I của đèn 26

Hình 3.4: Phân tích đặc tuyến R-P 26

Hình 3.5: Công cụ Cftool tính thông số cho mô hình R-I 35

Hình 3.6: Kết quả tính toán cho mô hình R-P theo dạng hàm bậc 2 36

Hình 3.7 kết quả của mô hình R-P dạng hàm mũ bình phương 37

Hình 3.8: Chức năng tạo mã tính toán bằng công cụ Cftool 39

Hình 4.1: Cấu tạo mạch nghịch lưu bán cầu 41

Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý Ballast điện tử 41

Hình 4.3: Sơ đồ tương đương của đèn và Ballast điện tử ở chế độ khởi động 42

Hình 4.5 Sơ đồ tương đương của đèn ở chế độ xác lập 44

Hình 4.6 Sơ đồ tương đương của Ballast và đèn khi xét tới ảnh hưởng của dây dẫn 45 Hình 4.7 Thí nghiệm điều khiển công suất đèn 48

Hình 4.8 Tương quan giữa Ls Và Plamp khi k2 thay đổi 48

Hình 4.9 Giá trị điện áp trên đèn hoạt động tại tầm công suất thấp theo giá trị Ls 51

Hình 5.1: Mô hình Ballast điện tử kết hợp với đèn huỳnh quan 53

Hình 5.2: Mô hình đèn thể hiện mối liện hệ giữa R và I 53

Hình 5.3: Mô hình đèn thể hiện mối liên hệ giữa R và P bằng hàm bậc 2 54

Hình 5.4: Mô hình đèn thể hiện mối quan hệ giữa R và P theo hàm mũ 54

Hình 5.5 Dòng điện và điện áp mô hình R-I trong giai đoạn khởi động(47KHz) 55

Hình 5.6: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm bậc 2 trong giai đoạn khởi động(47KHz) 55

Hình 5.7: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm mũ trong giai đoạn khởi động(47KHz) 56

Hình 5.8 Tổng hợp dạng sóng dòng điện của ba mô hình (47KHz) 56

Hình 5.9 Tổng hợp dạng sóng điện áp của ba mô hình (47KHz) 57

Hình 5.10: Dạng sóng điện áp và dòng điện qua đèn (47KHz) 57

Hình 5.11: Dòng điện và điện áp mô hình R-I trong giai đoạn khởi động(71.4KHz) 58 Hình 5.12: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm bậc 2 trong giai đoạn khởi động(71.4KHz) 58

Hình 5.13: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm mũ trong giai đoạn khởi động (71.4KHz) 59

Hình 5.14: Tổng hợp dạng sóng dòng điện của ba mô hình(71.4KHz) 59

Hình5.15: Tổng hợp dạng sóng điện áp của ba mô hình(71.4KHz) 60

Hình 5.18: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm bậc hai khi vừa khởi

động(100KHz) 61

Hình 5.19: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm mũ khi vừa khởi động(100KHz) 62

Hình 5.20: Dạng sóng điện áp tổng hợp của ba mô hình(100KHz) 62

Hình 5.21: Dạng sóng dòng điện tổng hợp của ba mô hình(100KHz) 62

Hình 5.22 Dạng sóng điện áp và dòng điện qua đèn (100KHz) 63

BẢNG TRANG

Bảng 3.1: Các thông số đo đạt của đèn T8 36W Philliip 24

Bảng 3.2: Tổng hợp các thông số mô hình 37

Bảng 4.1 Thông số đèn thí nghiệm 48

Bảng 4.2 Thể hiện thông số chấn lưu điện tử của các loại đèn 49

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Sử dụng năng lượng cho chiếu sáng ngày càng chiếm tỉ trọng lớn và tăng nhanh đáng kể trong tổng nhu cầu về năng lượng sử dụng trong các toà nhà và sự phát thải khí nhà kính Tại Việt Nam, hiện nay sản lượng điện cần cung cấp cho các toà nhà (nhà hàng, khách sạn, TT, thương mại, sinh hoạt….) gần 13.924 tỷ kWh tương đương với 48% cơ cấu điện thương phẩm Nhu cầu sử dụng năng lượng của các toà nhà ngày một tăng: So sánh các năm 2006 và 2009 có trên 600 toà nhà trụ sở làm việc có mức năng lượng tiêu hao tăng so với cùng kỳ (một số đơn vị tăng 3,6 lần) Trong toàn bộ các hệ thống kỹ thuật sử dụng năng lượng (điều hoà không khí, chiếu sáng, thang máy, cấp nước, thiết bị khác…1) phục vụ cho hoạt động của các toà nhà thì hệ thống chiếu sáng là một trong những hệ thống chiếm tỷ lệ sử dụng lớn trong

cơ cấu tiêu thụ năng lượng điện trong các tòa nhà Hiện trạng sử dụng năng lượng tại các toà nhà được khảo sát trong năm 2008 - 2009 cho thấy rằng chiếu sáng là lĩnh vực tiêu thụ năng lượng chỉ sau lĩnh vực điều hoà không khí và tỉ lệ tiêu thụ năng lượng cụ thể như sau: Toà nhà công sở: 11,5%; Khách sạn: 18 %; Trung tâm thương mại: 9,11% Do vậy, nếu tiết kiệm điện cho hệ thống này đồng nghĩa với việc tiết kiệm được điện năng tiêu thụ đáng kể trong các toà nhà công sở, tổ hợp văn phòng thương mại, khách sạn, chung cư…

1.1.1 Tiết kiệm điện trong chiếu sáng

Giải pháp đơn giản nhất là tận dụng các nguồn sáng tự nhiên, giảm thiểu việc sử dụng thiết bị chiếu sáng Tuy nhiên, khi bắt buộc phải sử dụng nguồn sáng nhân tạo thì có hai giải pháp chính cho việc tiết kiệm điện trong chiếu sáng điển hình như sau:

1.1.1.1 Sử dụng thiết bị chiếu sáng có hiệu suất phát sáng cao

Giải pháp này là giải pháp thay thế các thiết bị chiếu sáng bởi các thiết bị chiếu sáng mới có tổn thất thấp hơn nhằm tiết kiệm năng lượng Trong các thiết bị chiếu sáng hiện đang được sử dụng thì các bóng đèn sợi đốt có hiệu suất phát sáng thấp nhất Nói cách khác, nó có sự tổn thất cao nhất Nguyên nhân chính của hiệu suất phát sáng thấp là do đèn phát sáng dựa trên nguyên tắc đốt nóng của sợi đốt ở nhiệt độ cao nên phần lớn điện năng bị biến thành nhiệt năng Bóng đèn sợi đốt hiện nay được khuyến cáo là không nên sử dụng cho mục đích chiếu sáng trừ các trường hợp

có yêu cầu đặc biệt

Giải pháp chiếu sáng được khuyến nghị hiện nay tại Việt Nam và một số nước trên thế giới là sử dụng đèn huỳnh quang và đèn huỳnh quang compact Trong khi hiệu suất phát sáng thông thường của đèn sợi đốt chỉ là từ 1 tới 3% thì đèn huỳnh quang

và huỳnh quang compact là từ 15 tới 25% (thực tế do phải tiêu tán công suất cho các thiết bị phụ nên hiệu suất của đèn huỳnh quang vào khoảng 12% và đèn huỳnh quang compact vào khoảng 15%) Do có dải chiếu sáng rộng nên đèn huỳnh quang được sử dụng để chiếu sáng các không gian rộng như phòng họp, hội trường, nhà xưởng còn đèn huỳnh quang compact được sử dụng cho chiếu sáng trong không gian hẹp hoặc làm chiếu sáng công cộng Nhược điểm lớn nhất của đèn huỳnh quang và đèn huỳnh quang compact là nó có chứa thủy ngân nên nó gây hại lớn cho môi trường nên cần một chế độ thu gom và tiêu hủy đèn hỏng đặc biệt

1.1.1.2 Sử dụng thiết bị điều khiển để nâng hiệu suất của đèn huỳnh quang

Mặc dù có sự xuất hiện của đèn huỳnh quang compact và đèn LED nhưng nhờ ưu điểm của mình đèn huỳnh quang dạng ống đang và vẫn sẽ được sử dụng rộng rãi Ý tưởng phát triển các thiết bị điều khiển để nâng cao hiệu suất phát sáng là dựa trên đặc điểm phi tuyến của đèn huỳnh quang và người ta tìm cách đưa chế độ hoạt động của đèn về mức tối ưu nhằm tiết kiệm điện năng và kéo dài tuổi thọ của đèn Khi phân tích hoạt động của đèn huỳnh quang dạng ống, người ta nhận thấy tính chất đặc biệt của đèn này sau khi khởi động là giảm điện áp cấp vào đèn sẽ làm giảm công suất tiêu thụ nhưng cường độ phát sáng thì giảm không đáng kể Cụ thể là khi

điện áp giảm còn 80% điện áp định mức, công suất tiêu thụ sẽ giảm còn 70% định mức trong khi cường độ sáng của đèn chỉ giảm 5% (còn 95% cường độ sáng định mức), có nghĩa là hiệu suất phát sáng của đèn tăng lên Dựa vào tính chất đặc biệt này người ta đã chế tạo ra các bộ tiết kiệm điện sử dụng cho đèn huỳnh quang Bộ điều khiển này sẽ thực hiện việc giảm công suất tiêu thụ của đèn sau khi đèn khởi động xong Có các bộ tiêu chuẩn chế tạo cho 10, 20 và 40W

Đèn huỳnh quang, một trong loại đèn phóng điện khí áp suất thấp, đã trở thành nguồn chiếu sáng nhân tạo phổ biến nhất kể vì chúng có hiệu suất chiếu sáng cao và tuổi thọ dài hơn các đèn sợi đốt Các đèn huỳnh quang có đặc tính trở kháng âm vì thế chúng cần có một số thiết bị để hạn chế dòng được mắc nối tiếp với đèn Chức năng của ballast đèn là cung cấp một điện áp mồi thích hợp và kế đến là hạn chế dòng điện chạy qua đèn trong suốt quá trình hoạt động ổn đinh Ballast của các lại đèn huỳnh quang có thể phân loại thành ballast điện từ có tần số dòng thông thường

và ballast điện tử có tần số cao Ballast điện tử hoạt động ở tần số cao (trên 25kHz)

có thể đạt được một hệ số công suất cao hơn và tăng hiệu suất chiếu sáng lên 20% ballast điện từ Ngoài ra, kích thước và trọng lượng của các cuộn cảm được sử dụng trong một ballast điện tử nhỏ hơn nhiều so với ballast điện từ

10-Hoạt động ở tần số cao của đèn huỳnh quang là một kỹ thuật được sử dụng ngày càng tăng, với mục tiêu nâng cao chất lượng hệ thống chiếu sáng huỳnh quang Chúng ta biết rằng đèn huỳnh quang hoạt động ở tần số cao sẽ có hiệu quả phát sáng cao hơn Khi đèn huỳnh quang thể hiện một đặc tính điện trở âm, một dòng điều khiển ballast là cần thiết, để hạn chế dòng phóng điện các mô hình tính toán đèn huỳnh quang, mô phỏng chính xác hành vi thực sự của đèn huỳnh quang, trở nên vô cùng cần thiết Những mô hình đèn huỳnh quang tần số cao này được sử dụng cho nghiên cứu tối ưu hóa trên quan niệm về ballast điện tử

Khi nhu cầu phát triển các ballast điện tử cho các loại đèn huỳnh quang tăng lên,

mô phỏng máy tính của mạch ballast điện tử trở nên hấp dẫn hơn cho các nhà thiết

kế mạch để giảm bớt các thủ tục thiết kế và để có được thông tin chi tiết về các hoạt động mạch Trong mô phỏng của ballast điện tử với tần số cao (hơn khoảng 10 kHz)

hoạt động, mô hình đèn huỳnh quang có thể được trình bày như là một điện trở tương đương Tuy nhiên, trở kháng tương đương đèn là khác nhau ở các cấp độ điều chỉnh khác nhau theo đặc tính trở kháng âm của bóng đèn Do đó, trở kháng đèn là thấp hơn ở mức năng lượng cao và cao hơn ở mức năng lượng thấp nhất có thể điều chỉnh được

1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu

Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của đèn huỳnh quang và ballast điện tử Khảo sát đặc tuyến làm việc của một loại đèn và ballast trên thị trường Xây dựng mô hình toán học cho đặc tuyến làm việc của đèn

Đề xuất lựa chọn thông số cho mô hình ballast điện tử

Thiết kế mô hình ballast cho ballast được khảo sát

Kiểm chứng mô hình đèn và mô hình ballast làm việc tại nhiều điều kiện khác nhau

1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Xây dựng thí nghiệm khảo sát đặc tính đèn

Khảo sát đặc tuyến làm việc của đèn huỳnh quang T8 Phillip 36 W và ballast TRITONIC 36W

Xây dựng mô hình đèn cho đèn T8 Phillip 36 W và ballast TRITONIC 36W

Đề xuất quy trình xác định thông số cho mô hình ballast điện tử T8 Phillip

36 W

Thiết kế mô hình ballast cho ballast TRITONIC 36W

So sánh hoạt động của mô hình so với thực nghiệm

1.3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn nghiên cứu

thị trường

♦ Giới hạn nghiên cứu:

Đề tài chỉ hạn chế trong việc khảo sát đèn của Philip kết hợp với ballast của TRITONIC, các nghiên cứu sau này cần khảo sát đến các họ thiết bị trên thị

trường để đảm bảo giải thuật xây dựng mô hình ballast có thể được áp dụng cho nhiều họ thiết bị khác nhau Hiện nay, nhiều thế hệ đèn huỳnh quang mới đã được phát triển như T5, T8, với nhiều đặc tuyến làm việc khác nhau Mỗi họ ballast điều khiển công suất đèn dựa trên những nguyên lý khác nhau Đề tài chỉ khảo sát phương án điều khiển công suất đèn dựa vào thay đổi tần số Các nghiên cứu sau này cần so sánh phương án thay đổi điện áp và phương án thay đổi tần số

để có phương pháp thiết kế ballast phù hợp

1.4 Phương pháp nghiên cứu

tuyến làm việc của đèn huỳnh quang và ballast điện tử

xây dựng mô hình cho đèn huỳnh quang dựa theo các kết quả thực nghiệm

quả các mô hình có được từ mô hình đèn huỳnh quang và ballast điện tử

Bước 4: Dựa vào phân tích hoạt động của đèn và các số liệu thực nghiệm, đề xuất phương pháp thiết kế mô hình ballast điện tử

Bước 5: Tiến hành mô phỏng và so sánh với thực tế

1.6 Điểm mới của luận văn

1.6.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Hiện nay các công trình nghiên cứu trong nước chưa tập trung vào nghiên cứu

mô hình đèn huỳnh quang hoạt động ở tần số cao Đặc biệt các loại ballast điện

tử cho phép thay đổi công suất làm việc của đèn nhằm đạt được hiệu quả thẩm

mỹ cũng như tự động điều khiển để đạt được các yêu cầu về độ chiếu sáng mà

vẫn tiết kiệm điện thì vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình

Tại nước ngoài, ballast điện tử với khả năng điều chỉnh được đang ngày càng được

sử dụng rộng rãi và đây là vấn đề được nhiều tác giả quan tâm

C.S.Moo, Y.C.Chuang, Y.H.Huang and H.N.Chen [1] đã xây dựng mối liên hệ giữa (U, P), (I, P)

Hình 1.1 Đặc tuyến (U, P) theo C.S.Moo

Hình 1.2 Đặc tuyến (I, P) theo C.S.Moo

Phương pháp này về mặt lý thuyết khá đơn giản nhưng thực tế rất khó kết hợp cùng với các phần mềm mô phỏng khác như Pspice hay Matlap Hơn thế nữa, nghiên cứu

này cũng chưa đề cập đến vai trò của tần số hay ảnh hưởng từ các loại ballast khác nhau

Để khác phục các nhược điểm trên, T Wu, J Hung, and T Yu [2] đã phát triển một

mô hình dựa trên Pspice để mô tả đặc tính của đèn huỳnh quang

Hình 1.3 Đặc tuyến của đèn huỳnh quang theo T Wu

Theo đó nội trở của đèn là một hằng số và là độ dốc của đường L

Dựa trên đặc tuyến này, một mô hình cho đèn trong pspice đã được phát triển, cùng với một đề xuất về mô hình ballast điện tử cho đèn

Hình 1.4 Mô hình đèn huỳnh quang theo T Wu

Hình 1.5 Mô hình Ballast đi

Ưu điểm của phương pháp

mềm Pspice, từ đó tạo ra mộ

Tuy nhiên nhược điểm của công

hoạt động ở các tần số khác nhau

Hình 1.6 Trong nghiên cứu này, Naoki

công suất thấp thể hiện đặc

đặc tính phi tuyến giữa U và I

Phương trình thể hiện mối tươ

Hình 1.6 Đặc tuyến đèn theo Naoki Onishi

Naoki Onishi [4] đã chỉ ra đèn huỳnh quang khi

c tính phi tuyến và đưa ra một dạng phương

khi làm việc ở

ươ g trình thể hiện

Tuy nhiên các phần mềm mô phỏng hiện tại như Pspice hay simpowersystem tool của Matlap thì các mô hình được đặc trương bởi tổng trở, vì vậy công thức tình tổng trở cho đèn được đưa ra như sau:

Và theo đó V(t)= R*I(t)

Hình 1.7 Mô hình ballast điện tử theo Naoki Onishi

Tuy chưa đưa ra được phương pháp lựa chọn ballast điện tử một cách tổng quát cho mọi ballast nhưng Naoki Onishi đã chỉ ra được đặc tính phi tuyến của đèn và đưa ra được một mô hình cho ballast điện tử được nhiều người chấp nhận khi tính tới điện dung của ballast C Min and Q Zhaoming [5] đã phát triển theo hướng này và đưa

ra phương trình tính điện trở đèn như sau:

Kế thừa ý tưởng trên [5], C.A Cheng, T.J Liang[6] đã phát triển một phương pháp thiết kế ballast điện tử có thể thay đổi công suất cho đèn dựa theo cấu trúc chuẩn ở Hình 1.8

Hình1.8 Mô hình bộ nghịch lưu, ballast điện tử

Hình 1.8 thể hiện mô hình bộ nghịch lưu, ballast điện tử khi nối với đèn, trong đó L

là điện cảm bộ nghịch lưu, Cs là điện dung bộ nghịch lưu, và Cp là điện dung của đèn, kết hợp với dây dẫn

Phương pháp của C.Min dựa trên giả định mối liên hệ giữa công suất và điện trở của đèn là một hàm bậc hai như phương trình 1.4

Một số nhà nghiên cứu khác, M và E Saraiva [7], nhận thấy rằng đặc mối tương quan giữa R và P sẽ thể hiện tốt đặc tính của đèn nhưng dưới dạng một hàm mũ bậc hai như phương trình 1.5

M and E Saraiva đã chứng minh phương trình của mình bằng cách thực nghiệm với một bóng đèn 28W của General Electric và một ballast điện tử thay đổi công suất được của QUICKTRONIC Nhược điểm phương pháp do M và E Saraiva đề xuất là chưa chỉ ra được cách lựa chọn Ls thuyết phục cho mô hình ballast điện tử

1.6.2 Điểm mới của luận văn

huỳnh quang với nguyên mẫu

♦ Xây dựng mô hình Ballast điện tử trong môi trường Matlab

1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn

Matlab, phục vụ các nghiên cứu liên quan đến các thiết bị này

♦ Hỗ trợ thiết kế, sản xuất ballast điện tử Chúng ta không cần làm mạch ballast thật rồi kiểm tra với đèn mà chỉ cần xây dựng một mạch ballast trên máy tính , kết hợp với mô hình đèn để kiểm tra và đưa ra các thông số cuối cùng cho mạch ballast mới

♦ Kết quả nghiên cứu là tài liệu tham khảo cho các học viên Thac sĩ ngành Kỹ thuật điện

1.8 Nội dung thực hiện

Đề tài đã khảo sát đặc tuyến hoạt động của đèn huỳnh quang T8 Philip 36W hoạt động kèm với ballast 36W Tritonic

Kết quả thực nghiệm được sử dụng để xây dụng ba mô hình đèn dựa theo các

mô hình được đề nghị ở các công trình khác

Một phương pháp xác định mô hình vật lý cho ballast Tritonic được đề nghị dựa vào thí nghiệm thực tế

Mô hình đèn và ballast được mô phỏng trong môi trường Matlab và kiểm nghiệm với thực tế trong nhiều tần số khác nhau

Kết quả mô phỏng đạt được độ chính xác cao

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Lý thuyết tương quan và hàm hồi quy

2.1.1 Mối quan hệ giữa hai biến ngẫu nhiên

Khi khảo sát hai đại lượng ngẫu nhiên X và Y ta thấy giữa chúng có thể có một số quan hệ sau:

a X và Y độc lập với nhau, tức là việc nhận giá trị của đại lượng ngẫu nhiên này không ảnh hưởng đến việc nhận giá trị của đại lượng ngẫu nhiên kia

b X và Y có mối quan hệ phụ thuộc hàm số Y= φ(X)

c X và Y có sự phụ thuộc tương quan và phụ thuộc không tương quan

2.1.2 Hệ số tương quan

2.1.2.1 Moment tương quan (Convarian)

kí hiệu coυ(X,Y) = E{[X-E(X)][Y – E(Y)]}

nhiên X và Y không tương quan

coυ(X,Y) = E(XY) - E(X).E(Y)

Thật vậy ta có :

= E(XY) – E(X).E(Y) – E(X).E(Y) + E(X) E(Y)

= E(XY) –E(X) E(Y) Nhận xét 1:

Ý nghĩa của hệ số tương quan:

tính càng “ lỏng lẻo”

2.1.2.3 Ước lượng hệ số tương quan

Để ước lượng hệ số tương quan = ( ) ( ) ( ) ta dùng thống kê

= ∑ (∑ )(∑ )

( ∑ ) (∑ ) ( ∑ ) (∑ ) (2.5)

2.1.2.4 Tính chất của hệ số tương quan

Hệ số tương quan r= ̅. được dùng để đánh giá mức độ chặt chẻ của sự phụ thuộc tương quan tuyến tính giữa đại lượng ngẫu nhiên X và Y, nó có các tính chất sau đây:

| | ≦1

Nếu | | = 1 thì X và Y có quan hệ tuyến tính

Nếu r càng lớn thì sự phụ thuộc tương quan tuyến tính giữa X và Y càng chặt chẻ

Nếu | | = 0 thì giữa X và Y có tương quan thuận ( X tang thì Y tang) Nếu r<0 thì X và Y có tướng quan nghịch (X giảm, Y giảm)

/ < 0 khi và chỉ khi Y va X không có phụ thuộc tương quan

/ =1 khi và chỉ khi Y và X phụ thuộc hàm số

/ ≥| | thì sự phụ thuộc tương quan của Y và X có dạng tuyến tính

2.1.2.6 Hệ số xác định mẫu

Trong thống kê, đánh giá chất lượng của mô hình tuyến tính, người ra còn xét hệ số

2.1.3 HỒI QUI

2.1.3.1 Kỳ vọng có điều kiện

f(y/x) = f(x,y) với x không đổi

f(x/y) = f(x,y) với y không đổi

2.1.3.2 Hàm hồi qui

♦ Hàm hồi qui của Y đối với X là f(x)=E(Y/x)

♦ Hàm hồi qui của X đối với Y là f(y)=E(X/y)

Trong thực tế ta thường gặp hai đại lượng ngẫu nhiên X, Y có mối quan hệ với nhau, trong đó việc khảo sát X thì dễ còn việc khảo sát Y thì khó hơn thậm chí không thể khảo sát được Người ta muốn tìm mối liên hệ φ(X) nào đó giữa X và Y

để biết X ta có thể dự đoán được Y

Giả sử biết X, nếu dự đoán Y bằng φ(X) thì sai số phạm phải là E[Y- φ(X)]2 Vấn

đề được đặt ra là tìm φ(X) như thế nào để E[Y- φ(X)]2 là nhỏ nhất

nhỏ nhất Thật vậy ta có:

E[Y- φ(X)]2 = E{([Y-E(Y/X)] + [E(Y/X) –φ(x)])2}

= E{[Y- E(Y/X)]2}+E{[ E(Y/X)-φ(x)2} +2E{[Y- E(Y/X)][ E(Y/X)-φ(x)]} (2.11)

Ta thấy E(Y/X)] chỉ phụ thuộc vào X nên có thể đặt T(X)= E(Y/X)]-φ(x)

Vì E[E(Y/X)]T(X)] = E[YT(X)] nên

2E[Y – E(Y/X)][E(Y/X) – φ(x) = 2E{Y-E(Y/X)T(X)}

Giả sử giữa hai đại lượng ngẫu nhiên X và Y có tương quan tuyến tính, tức là E(Y/X)=AX + B

Dựa vào n cặp giá trị (x1; x2); (x2; y2); … ; (xn; yn) của (X,Y) ta tìm hàm

= = + (∗)

Để ước lượng hàm Y=AX+B

(*) được gọi là hồi qui tuyến tính mẫu

Vì các cặp giá trị trên là xấp xỉ của x và y nên thỏa (*) một cách xấp xỉ

Ta tìm a, b sao cho các sai số ( = 1, ) có giá trị tuyệt đối nhỏ nhất hay hàm

đạt cực tiểu Phương pháp tìm này được gọi là phương pháp bình phương bé nhất

Ta thấy S sẽ đạt được giá trị nhỏ nhất tại điểm dừng thỏa mãn:

Vì các khác nhau nên theo bất đẳng thức Bunhiakovsky ta có (∑ ) <

♦ Ví dụ 2: Ước lượng hàm hồi quy tuyến tính mẫu của Y theo X trên cơ sở bảng tương quan cặp sau

Giả sử

X nhận các giá trị xi với tần suất ni i = 1,

Y nhận các giá trị yi với tần suất mj j = 1,ℎ

XY nhận các giá trị xi yi với tần suất nij i = 1, , j = 1,ℎ

Theo (2.14) ta có:

2.2 Mô hình hóa Mô phỏng

Mô hình là mô tả vật lý, toán học hay luận lý của một hệ thống thực, một thực thể, một hiện tượng hay một quá trình Mô hình thường mô tả đơn giản một hệ thống ở một vài điểm riêng biệt theo thời gian và không gian, nhằm làm gia tăng sự hiểu biết của con người về hệ thống thực

Một mô hình có tốt hay không phụ thuộc vào khả năng trợ giúp con người hiểu biết

về hệ thống nhiều hay ít Vì tất cả các mô hình được xây dựng theo cách đơn giản hóa hệ thống thực và như vậy một số chi tiết nào đó bị loại ra, nên cần có sự hài hoà

về mức độ chi tiết của mô hình Nếu có quá ít chi tiết trong mô hình thì sẽ không nhận biết được những yếu tố ảnh hưởng lẫn nhau có thể xảy ra trong hệ thống thực

và kết quả là mô hình không giúp hiểu biết hơn về hệ thống thực như mong muốn Nếu có quá nhiều chi tiết trong mô hình, nó có thể trở nên rất phức tạp, không làm

phát triển trình độ hiểu biết sâu sắc hơn mà con người tìm kiếm và thật sự cản trở quá trình nghiên cứu

xj = mj yj

Mô hình vật lý có thể là mô hình theo thời gian, trong đó chỉ nghiên cứu các quá trình biến đổi theo thời gian Mô hình vật lý theo không gian dùng để nghiên cứu các quá trình mà tác động của các quá trình đó không được xem xét theo thời gian, tức là chỉ nghiên cứu các trạng thái xác lập tương ứng với một thời gian nhất định Khi mô tả chi tiết hơn thì mô hình vật lý có thể là mô hình đầy đủ theo không gian

2.2.2 Mô hình tương tự

Mô hình tương tự là mô hình dựa trên các phần tử thực thi các phép toán tương tự

Sự diễn ra các phép toán, trong một trật tự nhất định, đạt được tương ứng với sự nối kết những phần tử tương tự riêng biệt của sơ đồ cấu trúc Điều này cho phép nhận được mô hình toán học dạng cấu trúc thành lập từ các phần tử tính toán riêng biệt dạng liên tục

2.2.3 Mô hình toán

Mô hình toán là phần mềm mô phỏng được thảo chương bằng ngôn ngữ lập trình

mô phỏng sơ đồ kết nối các phần tử, quan hệ vi tích phân giữa thông số của các phần tử, các chế độ và thông qua các tiện ích giao diện giữa người và máy để thực thi các yêu cầu

Mô hình tính toán chứa các quá trình đã được xác định một cách rõ ràng và có thể thực thi trên máy tính Mô hình này bao gồm thuật toán và chương trình giải trên máy tính Các chương trình này thể hiện các quá trình xác định được mô tả bằng hệ phương trình vi phân đặt trong phần cơ bản của thuật toán

Công cụ simpower system trong matlap cho phép người dùng mô phỏng các hiện tượng trong hệ thống điện cũng như tạo ra các mô hình toán hoặc mô phỏng các mô hình vật lý một cách thuận lợi

2.3 Công cụ Matlap để mô phỏng và phân tích hồi qui

Để xác định mô hình của một đối tượng, Matlap cung cấp nhiều công cụ để tính toán và xây dựng mô hình Một công cụ cơ bản và dễ sử dụng là công cụ cftool cho phép tạo ra hệ số cho một dạng phương trình sao cho các ngõ ra thỏa mãn một tập

dữ liệu cho trước

Hình 2.1 Công cụ cftool của Matlap hỗ trợ hồi quy

Bên cạnh đó, đối với một các dữ liệu xuất hiện ngẫu nhiên và không biết trước, người ta thường sử dụng các hàm hồi quy tuyến tính và hồi quy phi tuyến để tính toán thông số cho mô hình Để thực hiện việc này, hai hàm regress và nonlienermodel.fit cho phép thực hiện các phép toán hồi quy

Chương 3

XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÈN

3.1 Phương pháp xây dựng mô hình

Để thu thập dữ liệu cho đèn ta thiết lập một thí nghiệm như Hình 3.1:

Hình 3.1 Thí nghiệm đo thông số đèn

Trong Hình 3.1, thí nghiệm đo thông số đèn được trình bày Ngõ vào chân số 3, số 4 được cấp nguồn 220V 50Hz Chân số 6, 7 được nối với bộ điều khiển Dimmer của GIRA Ngõ ra nối với đèn được đánh số thứ tự 9, 10, 11, 12 Trong đó chân 9,10 là chân hot, chân 11,12 là chân cold Một điện trở 5 ohm được sử dụng để đo dạng sóng dòng điện đi qua đèn

Thông số dữ liệu đo được tại các dải công suất có được như trong Bảng 3.1

Bảng 3.1: Các thông số đo đạt của đèn T8 36W Philliip

Hình 3.2 Đặc tuyến U-I của đèn Phillip 36 W

Mối tương quan giữa U và I có thể được tách thành 3 thành phần như Hình 3.3 Theo đó giá trị hiệu điện thế được tính theo giá trị dòng điện như công thức 3.1:

Hình 3.3 Phân tích đặc tuyến U-I của đèn

Hình 3.4 Phân tích đặc tuyến R-P

Hình 3.4 thể hiện đặc tuyến quan hệ giữa R và P Theo hình thì đặc tuyến này được thể hiện bằng phương trình bậc 2 như phương trình 3.4 hoặc phương trình dạng mũ bậc 2 như phương trình 3.5

b = regress(y,X): trả về một vector có b kích thước p*1 chứa các hệ số

ước lượng của quá trình hồi quy tuyến tính đa cấp với các giá trị y và X được xác định trước đó X là một ma trận có kích thước n*p, y là một ma trận có kích thước n*1 Quá trình hồi qui sẽ bỏ qua giá trị NaNs (null) cũng như các giá trị thiếu của X

và y Nếu giá trị X là phụ thuộc tuyến tính thì quá trình hồi qui sẽ đạt được nhiều phần tử zero nhất

[b,bint] = regress(y,X): trả về thêm một ma trận bint có kích thước p*2 chứa các hệ

số ước lượng nằm trong khoảng 95% Cột đầu tiên và cột 2 của ma trận bint tương ứng là giá trị cận dưới và cận trên của hệ số ước lượng p Nếu X là phụ thuộc tuyến tính thì kết quả hồi quy cho ra nhiều giá trị zero trong bint cũng như trong b

[b,bint,r] = regress(y,X): trả về thêm một vector r có kích thước n*1 chứa giá trị phát sinh thêm trong quá trình hồi qui

[b,bint,r,rint] = regress(y,X): trả về thêm một ma trận rint chứa bước nhảy được sử dụng để chuẩn đoán giá trị ngoại lai Nếu giá trị dòng i của rint không chứa giá trị 0 thì kết quả phát sinh thêm là lớn hơn mong đợi 95%, lúc đó giá trị mới được xem như là 1 ngoại lai Trong mô hình tuyến tính, giá trị tham khảo y là một giá trị ngẫu nhiên, và giá trị phát sinh thêm cũng vậy

[b,bint,r,rint,stats] = regress(y,X): trả về thêm một vector stats có kích thước 1*4 chứa phương sai bình phương R2, thống kê F, giá trị xác suất p và phương sai lỗi [ ] = regress(y,X,alpha): sử dụng mức độ tin tưởng 100*(1-alpha)% cho việc tính toán bint và rint

mdl= NonLinearModel.fit( ,modelfun,beta0,Name,Value): ước lượng hệ số của

mô hình hồi qui tuyến với sự trợ giúp thêm của cặp giá trị Name và Value

Thông số đầu vào:

trị kết quả đo được, những cột còn lại là giá trị biến

Để thay đổi sự mặc định đó ta dùng đến cặp giá trị Name-Value

X

Thông số đầu ra:

mdl = NonLinearModel.fit(ds,modelfun,beta0)

Kết quả:

mdl = Nonlinear regression model:

MPG ~ b1 + b2*Horsepower^b3 + b4*Weight^b5 Coefficients:

Estimate SE tStat pValue b1 -49.383 119.97 -0.41164 0.68083 b2 376.43 567.05 0.66384 0.50719 b3 -0.78193 0.47168 -1.6578 0.098177 b4 422.37 776.02 0.54428 0.58656 b5 -0.24127 0.48325 -0.49926 0.61788 Number of observations: 392, Error degrees of freedom: 387 Root Mean Squared Error: 3.96

R-Squared: 0.745, Adjusted R-Squared 0.743 F-statistic vs constant model: 283, p-value = 1.79e-113

Mô hình phi tuyến từ dữ liệu ma trận

load carbig

X = [Horsepower,Weight];

y = MPG;

modelfun = @(b,x)b(1) + b(2)*x(:,1).^b(3) + b(4)*x(:,2).^b(5); beta0 = [-50 500 -1 500 -1];