TÓM TẮT LUẬN ÁN: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG ANH DŨNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG

LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN

ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG

Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số:

9520203

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

1

Hà Nội – 2021

1

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học:

TS Nguyễn Phan Kiên

Vào hồi…… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

MỞ ĐẦU

Năng lượng cùng với vấn đề biến đổi khí hậu đang trở thành mối quan tâm lớn của toàn nhân loại Theokinh nghiệm của các nước phát triển, ít nhất 30% nhu cầu năng lượng có thể và cần phải được đáp ứng bằngbiện pháp tiết kiệm Ở Việt Nam, việc tiết kiệm năng lượng cũng đã và đang trở thành chủ đề nóng bỏng Bêncạnh đó, theo số liệu của bộ Công Thương, gần 40% tổng sản lượng điện sản xuất được dùng cho chiếu sáng.Chiếu sáng chiếm tỷ lệ lớn trong sử dụng năng lượng, gia tăng áp lực lên sản xuất điện và đảm bảo an ninhnăng lượng Một trong những giải pháp giảm thiểu áp lực này, đó là thay thế các nguồn sáng không hiệu quảbằng những nguồn sáng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả hơn Gần đây, sử dụng đèn LED với nhiềucông nghệ tiên tiến đang dần trở thành xu hướng chiếu sáng thông minh, tuy nhiên, giá thành cao đang là trởngại của các cá nhân, doanh nghiệp trong việc tiếp cận với đèn LED Một hướng tiếp cận hứa hẹn sẽ phát huyhiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng là kết hợp với các giải pháp tận dụng ánh sáng tự nhiên Theo nghiêncứu của các nhà khoa học Slovakia, việc áp dụng chế độ chuyển đổi điều khiển theo thời gian dựa trên nănglượng ánh sáng tự nhiên có thể tiết kiệm được 20-40%, với thời gian hoàn vốn là 2-3 năm Tuy nhiên, trênViệt Nam và thế giới, hướng đi kết hợp giữa hai phương án, một là sử dụng đèn LED, hai là tận dụng nguồnnăng lượng ánh sáng tự nhiên, chưa có những nghiên cứu cụ thể

Năm nghiên cứu sinh đã cùng nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Phan Kiên và cộng sự đầu tư nghiêncứu sản phẩm thiết bị tiết kiệm điện cho đèn huỳnh quang nhằm áp dụng tại Việt Nam Thiết bị hoạt động trênnguyên tắc tận dụng ánh sáng tự nhiên để giảm năng lượng chiếu sáng mà vẫn đảm bảo đủ ánh sáng chiếutrong không gian các phòng, nhà xưởng hay nói chung là khu vực trong nhà Tuy nhiên sản phẩm vẫn cònnhiều hạn chế mà cụ thể là:

− Vẫn sử dụng biến áp xuyến để điều chỉnh điện áp cung cấp cho hệ thống bóng đèn huỳnh quang nên dẫn đến việc thiết bị còn to và cồng kềnh, đồng thời chưa điều khiển được độ sáng của thiết bị đèn LED, trongkhi đó đèn LED lại đang là xu thế sử dụng hiện nay

− Với thiết bị tiết kiệm năng lượng cho hệ thống đèn huỳnh quang đã được cấp bằng sáng chế thì hệ thốngchỉ sử dụng một cảm biến đơn hướng Điều này gây ra các hạn chế khi bị nhiễu nguồn sáng ngoài hoặc các bề mặt phản xạ dẫn đến thiết bị có khả năng đo sai

Vì vậy, mục đích của luận án tập trung vào hai vấn đề chính:

− Nghiên cứu phương pháp điều khiển sáng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên dùng được cho nhiềuloại bóng đèn, trong đó chú trọng vào đèn LED, vì đây là đối tượng được hướng tới sử dụng trong tươnglai

− Nghiên cứu phát triển cảm biến ánh sáng với mục tiêu đạt được hiệu quả đo lường chính xác nhất so vớicảm biến ánh sáng đơn sử dụng trong thiết bị tiết kiệm điện trong hệ thống chiếu sáng đã được công bố

Phương pháp nghiên cứu của luận án

− Nghiên cứu lý thuyết: thực hiện mô hình hóa các đối tượng nghiên cứu thông qua các mô hình mạch điện

tử, từ đó tính toán các phương pháp điều khiển phù hợp, tối ưu

− Nghiên cứu thực nghiệm: thực hiện thiết kế chế tạo các hệ thống dựa trên các nghiên cứu lý thuyết để thực hiện việc kiểm chứng trong thực tế Thực hiện đo lường trong thực tế từ đó rút ra các kết quả phùhợp với yêu cầu nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng đề xuất

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

− Đối tượng nghiên cứu: Các đối tượng nghiên cứu là các loại bóng đèn dùng trong các hệ thống chiếu sángđang được sử dụng ngoài thị trường, trong đó tập trung chủ yếu vào đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ

LED Ngoài ra, đèn phóng điện cũng là đối tượng được nghiên cứu, bởi hiện nay các loại đèn này vẫn được sử dụng trong một số hệ thống chiếu sáng đô thị như đèn cao áp,…

− Phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống chiếu sáng trong phòng, nhà xưởng, trường học, bệnh viện,… nơi các

hệ thống chiếu sáng có thể tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

− Phát triển các hệ thống tiết kiệm năng lượng dựa trên năng lượng ánh sáng tự nhiên, ví dụ như các hệ thống tiết kiệm ánh sáng dựa trên phương pháp điều chỉnh cường độ nguồn sáng (dimming); hoặc các

hệ thống tiết kiệm điện sử dụng cảm biến phát hiện chuyển động, mạng cảm biến,…

Trong đó, giải pháp thay thế các loại đèn phóng điện, đèn sợi đốt,… bằng đèn sử dụng công nghệ LEDtiết kiệm năng lượng, đang là một xu thế ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam Bên cạnh đó, vớitiềm năng của các hệ thống tiết kiệm năng lượng dựa trên năng lượng ánh sáng tự nhiên, việc nghiên cứu cácgiải pháp tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên trên các hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED sẽ mang lạihiệu quả hơn so với các hệ thống chỉ sử dụng đèn LED Mặc dù vậy, các giải pháp này chưa được nghiên cứunhiều Do đó, với hướng nghiên cứu của luận văn thì các nghiên cứu của luận văn sẽ bổ sung vào các nghiêncứu mới của thế giới trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng chiếu sáng

Ý nghĩa thực tiễn:

Trên thế giới, đã có một số nghiên cứu về hiệu năng của tiết kiệm năng lượng dựa trên việc tận dung ánhsáng tự nhiên Tuy nhiên, cho đến nay chưa có những nghiên cứu về các chi phí và lợi ích về kinh tế và môitrường của việc sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng ở các nước đang phát triển như Việt Nam

Ở Việt Nam, các giải pháp tiết kiệm năng lượng dựa trên tận dung ánh sáng tự nhiên chưa thực sự đượcnghiên cứu và phân tích cụ thể Trong khi đó, Việt Nam với yếu tố địa lý là một nước nhiệt đới gần xích đạo,việc tận dụng nguồn sáng tự nhiên từ mặt trời trong chiếu sáng là một trong những lợi thế về tiết kiệm nănglượng Do đó nghiên cứu thành công sẽ có thể áp dụng vào trong thực tiễn tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam

Bố cục của luận án

Luận án bao gồm 3 chương, chương 1 trình bày tóm lược về các loại đèn chiếu sáng thông dụng trongnhà và tổng quan các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng Chương 2 đưa ra nghiên cứu của luận

án về giải pháp cải tiến điều khiển điện áp trong thiết bị tiết kiệm điện, tập trung vào đối tượng tải đèn LED

và đèn phóng điện Tiếp theo, chương 3 nghiên cứu cảm biến quay đa hướng, khắc phục nhược điểm của cảmbiến tĩnh khi xuất hiện vật cản, bên cạnh đó mô phỏng hệ điều khiển sử dụng dữ liệu từ cảm biến quay đahướng, thực hiện thử nghiệm một số phương pháp tiền xử lý dữ liệu cảm biến ánh sáng quay đa hướng để đưavào bộ điều khiển logic mờ kết hợp PID Phần cuối cùng là kết luận và kiến nghị, tóm tắt lại các nghiên cứucủa luận án

5

CHƯƠNG 1 CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

Trên thế giới, hiện nay có nhiều chiến lược được áp dụng cho thiết kế hệ thống chiếu sáng trong các tòanhà, văn phòng, công xưởng, … nhằm đạt được mức tiết kiệm năng lượng cao Có thể kể đến một vài chiếnlược cụ thể như: hệ thống chiếu sáng dựa trên thu thập, phân tích và dự đoán hành vi của người ở, hệ thốngchiếu sáng dựa trên bộ hẹn giờ, hệ thống chiếu sáng tận dụng ánh sáng tự nhiên,… Các chiến lược này đượcthực hiện rộng rãi bởi các hệ thống quản lý năng lượng để đưa ra phương án sử dụng năng lượng một cáchhiệu quả

Hình 1.1: Các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng, theo thứ tự từ thấp đến cao về độ hiệu quả

(ở trên là thấp nhất)

1.1.Chiến lược cải thiện các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng

Có nhiều cách để cải thiện yếu tố không gian nhằm tăng cường hiệu năng chiếu sáng, bao gồm việc tăngcường độ phản xạ sáng (thay đổi màu sơn tường) hoặc tận dụng tối đa các yếu tố ảnh hưởng tới chiếu sáng(chiều cao, hệ thống che nắng, ngoại cảnh) Các giải pháp này đem lại mức tiết kiệm năng lượng từ khoảng5% tới 20% tùy theo từng giải pháp

Tuy nhiên, trong định hướng nghiên cứu này, giải thiết đưa ra là chưa kèm các giải pháp cải thiện yếu tốkhông gian

1.2.Chiến lược cải thiện các phương án thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp

Chiến lược thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp sẽ mang lại hiệu quả tiết kiệm điệnnăng lớn nhất khi thay thế các hệ thống đèn sợi đốt Đối với hệ thống đèn huỳnh quang, việc thay thế bằngđèn huỳnh quang hiệu suất cao hơn mang lại hiệu quả ở mức 10% - 40%, trong khi đó việc thay thế đènhuỳnh quang bằng đèn LED, mặc dù đem lại hiệu quả khá cao (khoảng 60%, tùy thuộc vào loại đèn bị thaythế), tuy nhiên thời gian hoàn vốn dài, và trong nhiều trường hợp chưa thực sự mang lại hiệu quả chiếu sáng

so với đèn huỳnh quang

1.3.Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng

Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về các phương pháp tận dụng ánh sáng tự nhiên, và kết quả đem lạiđược đều hết sức vượt trội Năm 2011, Al-Ashwal và Budaiwi đã nghiên cứu hiệu suất năng lượng của các tòanhà văn phòng do tích hợp ánh sáng ban ngày và ánh sáng nhân tạo ở vùng khí hậu nóng theo thiết kế cửa sổ,bao gồm diện tích cửa sổ, chiều cao và loại kính Kết quả cho thấy rằng có thể giảm tới 35% mức tiêu thụnăng lượng chiếu sáng bằng cách sử dụng ánh sáng ban ngày và tích hợp ánh sáng nhân tạo Năm 2014, Yoo

và cộng sự đã tính toán sự phân bố của ánh sáng ban ngày trong văn phòng, cũng như tỷ lệ độ sáng để điềukhiển từng

đèn LED bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng ánh sáng Kết quả là, tiêu thụ điện năng của đèn chiếu sáng

đã giảm 40-70% tùy theo mùa và điều kiện thời tiết

Khi so sánh với các phương án tiết kiệm năng lượng khác, hệ thống điều khiển ánh sáng kết hợp ánhsáng tự nhiên cũng có tỷ lệ tiết kiệm điện cao hơn Năm 2016, Gentile và cộng sự đã trình bày kết quả củamột nghiên cứu giám sát theo bốn hệ thống điều khiển ánh sáng khác nhau (hệ thống sử dụng một công tắcthủ công ở cửa, hệ thống sử dụng một bộ phát hiện chuyển động, hệ thống tận dụng ánh sáng ban ngày bằngcảm biến phát hiện vắng mặt và hệ thống sử dụng một đèn LED) Kết quả, hệ thống điều khiển ánh sáng liênkết với ánh sáng tự nhiên đạt được mức tiết kiệm cao hơn so với các hệ thống khác (79%)

Các thuật toán để đánh giá, tinh chỉnh năng lượng đầu ra của hệ thống tận dụng ánh sáng tự nhiên cũngđược nghiên cứu Năm 2018, Kim, In-Tae & Kim, Yu-Sin & Nam, Hyeonggon và Hwang, Taeyon đã đưa ranghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển độ sáng bóng đèn bằng hệ thống phản hồi đáp ứng ánh sáng tựnhiên Kết quả là độ chính xác trung bình của độ rọi mục tiêu là 98,9% (tỷ lệ 0,5%) và mức tiết kiệm nănglượng chiếu sáng trung bình là 77%

Với tỷ lệ tiết kiệm điện vượt trội, giải pháp sử dụng hệ thống chiếu sáng tận dụng ánh sáng tự nhiên làgiải pháp đang được ưu tiên quan tâm trên thế giới Tuy nhiên, ở Việt Nam, các nghiên cứu về tính khả thi,những con số cũng như một hệ thống chiếu sáng cụ thể dựa trên ánh sáng tự nhiên là không nhiều Một trong

số đó là nghiên cứu độc quyền sáng chế của TS Nguyễn Phan Kiên và cộng sự về hệ thống tiết kiệm điệndùng trong chiếu sáng Phần tiếp theo sẽ phân tích một thiết bị cụ thể là thiết bị tiết kiệm điện dùng trongchiếu sáng của TS Nguyễn Phan Kiên và cộng sự đã nghiên cứu và phát triển

1.4.Tình hình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam

Hệ thống tiết kiệm điện được phát triển bởi TS Nguyễn Phan Kiên và cộng sự là phiên bản đầu tiên của

hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên được nghiên cứu đưa ra thị trường, được nghiên cứu đểkiểm soát một số lượng lớn các bóng đèn như 16, 30 và 50 ống để giảm chi phí cộng thêm trong mỗi ống.Thiết bị sẽ sử dụng ánh sáng tự nhiên (từ bên ngoài chiếu vào phòng) để giảm năng lượng chiếu sáng nhân tạo(tạo ra từ đèn) để giảm năng lượng Sơ đồ khối của hệ thống được nêu ra ở hình sau:

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm điện sử dụng phương pháp dimming

Trong sơ đồ hệ thống, dữ liệu cài đặt (năng lượng chiếu sáng của

phòng)

Hình 1.2: Hình ảnh hệ thống tiết kiệm điện

sẽ được thêm vào thiết bị thông qua bộ phận bàn phím Điện áp và dòng điện của nguồn điện cũng được đo

bằng đơn vị đo điện áp và dòng điện Tất cả dữ liệu đo được sẽ gửi đến bộ vi điều khiển (MCU,

ATMEGA128) để thực hiện điều khiển

Đối với hệ thống, cảm biến ánh sáng (OPT101, Texas Instrument) được sử dụng để đo năng lượng chiếu

sáng trong khu vực làm việc và / hoặc phòng Năng lượng chiếu sáng sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu

điện áp và gửi đến bộ vi điều khiển (MCU, ATMEGA128) Khi thiết bị khởi động, mức độ chiếu sáng sẽ

được thiết lập bằng cách sử dụng bàn phím Mức năng lượng chiếu sáng này được coi là năng lượng chiếu

sáng tiêu chuẩn trong phòng Sau khi thiết lập mức độ chiếu sáng, thiết bị sẽ được chuyển sang trạng thái

đang chạy Trường hợp có ánh sáng tự nhiên chiếu vào phòng dẫn đến năng lượng ánh sáng trong phòng cao

hơn Thông qua cảm biến chiếu sáng, MCU sẽ điều khiển biến áp tự động để giảm năng lượng chiếu sáng

nhân tạo Việc giảm được giới hạn bởi dòng điện tối thiểu của một đèn (khoảng 180mA) Giới hạn này cho

phép tuổi thọ của bóng đèn được lâu nhất Hệ thống sử dụng biến áp tự ngẫu để điều khiển điện áp bóng đèn

Hình ảnh của hệ thống được đưa ra ở hình 1.2

sử dụng bộ tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn

Bảng 1.1: Thông số điện khi sử dụng và không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện

Số lượng bóng Điện áp ( V ) Dòng điện ( A ) Cos φ Độ sáng (Lux) Độ sáng

tiêu chuẩn (Lux) Không

dùng TKD

Sử dụng TKD Không dùng

TKD

Sử dụng TKD

Không dùng TKD

Sử dụng TKD Không dùng

TKD

Sử dụng TKD

Theo số liệu trong bảng 1.1: thông số điện khi sử dụng và không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện,

tỷ lệ tiết kiệm năng lượng từ 20% đến 35% trong trường hợp không đủ năng lượng chiếu sáng (3

ống đầu tiên, thiết lập độ sáng cao hơn thực tế), từ 33% đến 54% (4 đến 8 ống) ở mức độ thiết lập

hệ thống chiếu sáng và khoảng 54% trong trường hợp vượt quá năng lượng chiếu sáng Tỷ lệ năng

lượng tiết kiệm vẫn còn khoảng 54% để duy trì tuổi thọ cao nhất của bóng đèn Có nghĩa là dòng

điện của mỗi đèn từ 140mA đến 200 mA, gần với dòng điện tối ưu của đèn huỳnh quang

Tuy nhiên, thiết bị vẫn còn một số mặt hạn chế: Kích thước và khối lượng biến áp lớn, gây khókhăn cho việc lắp đặt, thi công; giá thành thiết bị cao; phương án điều chỉnh điện áp ra trên biến áp

tự ngẫu không thể sử dụng cho thiết bị đèn LED; cảm biến tĩnh đưa ra thông tin không chính xác khi

có vật cản chắn sáng, nguồn sáng không ổn định

Để khắc phục các nhược điểm trên, nghiên cứu đã đưa ra các giải pháp sau:

− Vật liệu sử dụng cho thiết bị cần được cải thiện, cụ thể là vật liệu bán dẫn để giảm giá thành,

kích thước thiết bị Đồng thời, nghiên cứu giải pháp để thiết bị có thể điều chỉnh được điện ápcủa nhiều loại bóng đèn, không bị giới hạn ở đèn tuýp Để làm được điều này, nghiên cứu xâydựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên sau, sử dụng IGBT và mạch bán dẫn

− Đưa ra giải pháp cảm biến quay, phát hiện vật cản và nguồn sáng không ổn định

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CẢI TIỂN KHỐI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG

2.1.Mô hình, đặc tính của các đối tượng đèn

Đèn LED sử dụng công nghệ diode phát quang dùng để phát sáng, khi sử dụng đèn LED điện năng được

chuyển hoá thẳng thành ánh sáng Bộ điều khiển LED cung cấp dòng điện được điều chỉnh hoặc điều khiểncho đèn LED để giữ độ sáng ổn định hoặc hoặc tăng/giảm độ sáng, không phụ thuộc vào sự thay đổi điện ápnguồn và sự thay đổi nhiệt độ Bộ nguồn chuyển mạch (Switch mode power supply - SMPS) - bộ điều khiểnLED sử dụng xung PWM với tần số hàng trăm kHz được sử dụng rộng rãi do kích thước bộ lọc nhỏ gọn vàđặc tính méo hài tổng (Total Harmonic Distortion - THD) thấp Mô hình thiết kế bộ nguồn chuyển mạch -SMPS được đưa ra ở hình 2.1

Hình 2.1: Ví dụ mô hình bộ nguồn chuyển mạch cho LED

Trong đó, thành phần diode chỉnh lưu cầu biến điện áp xoay chiều AC thành điện áp một chiều DC sau

đó được san phẳng bởi tụ lọc sơ cấp MOSFET làm việc ở chế độ đóng mở để tạo ra từ trường bên sơ cấp khi

đó sẽ tạo ra điện áp cảm ứng bên thứ cấp của biến áp xung Trong phần lớn các ứng dụng, đèn LED là tải phituyến, do cấu trúc phức tạp của bộ điều khiển LED

Đèn phóng điện làm việc theo nguyên lý phóng điện trong chất khí có hơi thủy ngân nên phát ra tia tử

ngoại, tia này đập vào chất huỳnh quang ở bên trong thành ống, kích thích các nguyên tử phát ra ánh sáng Sơ

đồ đơn giản của bóng đèn phóng điện với chấn lưu điện từ được thể hiện trong hình 2.2 Đèn phóng điện,thuộc họ đèn phóng điện, có đặc tính điện trở âm Chấn lưu điện từ được mắc nối tiếp để cung cấp điện ápkhởi động và hoạt động thích hợp và sau đó hạn chế dòng điện để bắt đầu và duy trì phóng điện hồ quanggiữa hai điện cực của bóng đèn

Hình 2.2: Sơ đồ bóng đèn phóng điện

Tổng hợp lại, với mỗi loại đèn khác nhau sẽ có đặc tính khác nhau Khi nghiên cứu cải tiến phương phápđiều khiển cần chú ý tới những yếu tố này, đặc biệt là với tải phi tuyến

2.2.Phân tích phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước

Phương pháp phổ biến điều chỉnh mức sáng của đèn trong chiếu

sáng dân dụng hiện nay là dựa trên cắt mức năng lượng biên trước

Phương pháp này sử dụng khóa điện tử là Triac (thường được kích bởi

một Diac) chỉ cho dòng chạy qua tại một thời điểm nhất định sau điểm

0 của tín hiệu sin và chỉ đóng khi dòng điện đảo chiều Việc điều chỉnh

thời gian mở trong mỗi nửa chu kì dựa trên điều chỉnh thời gian phóng

nạp của một tụ điện qua một biến trở Hình 2.3 minh họa đồ thị điện áp

theo thời gian đối với cắt mức năng lượng biên trước

Hình 2.3: Cắt mức năng lượng biên trước

Trong mỗi nửa chu kì dòng điện bắt đầu từ 0 rồi tăng vọt lên một

giá trị nhất định, thời gian tăng của điện áp từ 0 lên 300V là 1.8us Chính thời gian tăng cực nhanh này lànguyên nhân khiến các thiết bị tải phi tuyến dễ dẫn đến hư hỏng, vì trong các thiết bị này luôn có một hoặcmột vài tụ điện được nạp với dòng điện có cường độ tăng rất nhanh, chưa đến 2us, trong mỗi nửa chu kỳ

Hình 2.4: Đồ thị dòng điện và điện áp đi qua tải bóng đèn LED đối với phương án điều khiển điện áp cắt biên trước: a U RMS = 68.4V, I RMS = 43.9mA; b U RMS = 153V, I RMS = 76.4mA; c U RMS = 199V, I RMS = 65.6mA; d U RMS =

223V, I RMS = 27.7mA

Đồ thị dòng điện đi qua tải đối với phương pháp điều khiển điện áp cắt biên trước đo được trênoscilloscope thể hiện ở hình 2.4 Đồ thị cho thấy,xung dòng điện đỉnh đi qua thiết bị tải lên tới 1,7A với côngsuất của đèn LED chỉ là 5W Nếu chúng ta sử dụng tải đèn là 50W thì giá trị của xung dòng điện này sẽ tănglên gấp 10 lần là 17A Giá trị này gây tổn hại rất lớn đến lưới điện, hệ thống điều khiển và tuổi thọ của linhkiện trong mạch Cụ thể ở đây với đèn LED chúng ta sẽ sử dụng một mạch cầu đi ốt có thể chịu được dòngxung cực đại là 10A với số lần chịu xung là 100 lần với độ rộng xung là 50% và tần số là 50Hz, cường độ

dòng điện đỉnh 17A, đi ốt cầu trong Error! Reference source not found có thể chịu được khoảng 50 lần lặp

lại của dòng điện đột biến (với tần số lặp lại 60Hz – bằng với tần số dòng điện xoay chiều cung cấp cho thiếtbị), trước khi đi ốt này mất tác dụng Vì vậy, đối với các xung dòng điện đỉnh lên đến 17A, lặp đi lặp lại trongquá trình điều khiển công suất bằng biện pháp cắt biên trước, sẽ làm giảm tuổi thọ của đi ốt cầu từ đó làmgiảm tuổi thọ của đèn LED

2.3.Xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên sau

Nghiên cứu đã đưa ra giải pháp cắt mức năng lượng biên sau, thay vì

cắt mức năng lượng biên trước, đồng thời điều khiển bằng tín hiệu số

Phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau

sẽ giải quyết các nhược điểm nói trên của phương pháp cắt mức năng

lượng biên trước (bao gồm sự sinh nhiễu điện từ và sự giảm tuổi thọ của

bóng đèn) và đồng thời khảo sát sự tác động của phương pháp này lên các

đối tượng đèn khác nhau, cụ thể là đèn sợi đốt, đèn phóng điện và đèn

LED vì bản chất của các loại đèn này rất khác nhau Cụ thể, với các loại

đèn sợi đốt thì tải được coi là tải thuần trở trong khi đèn phóng điện và

đèn

Hình 2.5: Cắt mức năng lượng biên sau

LED thì có dạng tải phi tuyến(vừa dạng tải cảm, vừa dạngtải dung tùy thuộc vào quátrình phóng điện (khởi tạo banđầu) và quá trình ổn định khiđèn đã sáng) Do đó, nghiêncứu chỉ ra khả năng ứng dụngđối với đặc tính tải phi tuyếnnày là cần thiết cho việc khẳngđịnh khả năng áp dụngphương pháp cắt mức nănglượng biên sau đối với cácbóng đèn điện dạng này (bóngđèn phóng điện chấn lưu sắt

từ, bóng đèn cao áp (natri hoặcmetal halide), …)

Hình 2.5 chỉ ra đồ thịđiện áp theo thời gian đối vớicắt mức năng lượng biên sau

Sơ đồ khối của thiết bị đượcchỉ ra trong hình 2.6 Trong

đó, nguồn cung cấp 220V,50Hz được lấy mẫu để xácđịnh điểm không thông quakhối bắt điểm không Tín hiệubắt điểm không được đưa vào

vi điều khiển, đồng thời tínhiệu xác định thời gian ngắttrong mỗi nửa chu kì cũngđược đọc từ điện áp trên biếntrở vào vi điều khiển Từ 2 tínhiệu này vi điều khiển xuất ratín hiệu kích cho driver củaIGBT, từ đó khối cắt biên sẽthực hiện cắt mức năng lượngchảy vào tải

Hình 2.6: Sơ đồ khối của thiết bị điều chỉnh mức sáng đèn dựa trên cắt biên sau

Với bóng sợi đốt, khi điều chỉnh triết áp giảm 100-0%

thời gian có dòng chạy qua đèn trong mỗi nửa chu kì cũng

giảm theo (từ 10-0ms) đồng thời độ sáng của bóng giảm từ

tối đa về 0 Đèn tắt hẳn khi triết áp về 0% (hình 2.7)

Hình 2.7: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên sau; a U RMS = 222V, I RMS = 188mA;

b U RMS = 204V, I RMS = 181mA; c U RMS = 149V, I RMS = 155mA; d U RMS = 104V, I RMS = 129mA; e U RMS =71.8V, I RMS =

107mA

Với bóng đèn LED, khi điều chỉnh cắt biên sau giảm 100% về 0% dòng chạy qua đèn trong mỗi nửa chu

kì cũng giảm theo (từ 10-0ms) đồng thời độ sáng của bóng giảm từ tối đa về 0 Đèn bị nháy khi tắt hẳn khichiết áp về 30% Và tắt hẳn khi về 0% So sánh với kết quả của phương pháp cắt biên trước (được chỉ ra ở

hình 2.4), ta có thể nhận thấy phương pháp cắt biên sau không tạo ra các xung dòng có biên độ lớn Dòng điệnqua đèn LED gần như không đổi chỉ có điện áp là giảm do đó dẫn đến giảm công suất Hay nói cách khácphương pháp cắt biên sau KHÔNG làm giảm tuổi thọ của bóng đèn

Hình 2.8: Điện áp và dòng điện trên đèn LED khi điều chỉnh bằng cắt biên sau; a U RMS = 222V, I RMS = 27.5mA; b U RMS = 202V, I RMS = 26.7mA; c U RMS = 150V, I RMS = 23.9mA; d U RMS = 104V, I RMS = 20.9mA; e U RMS =70.4V, I RMS = 17.3mA

Với bóng phóng điện, khi điều chỉnh triết áp giảm từ 100% thời gian có dòng chạy qua đèn cũng giảmtheo, đồng thời độ sáng của bóng giảm dần từ mức tối đa đến 0 Đèn bắt đầu tắt hẳn khi triết áp vẫn chưa vềmức 0% Ngay sau mỗi thời điểm đóng IGBT ở mỗi nửa chu kì luôn xuất hiện một xung ngược rất lớn, IGBTnóng rất nhanh và hỏng sau một thời gian ngắn sử dụng Đồng thời nhiễu điện từ sinh ra rất lớn thậm chí phát

ra cả tiếng ồn Điều này là do thành phần cảm kháng của chấn lưu rất lớn nên ngay sau mỗi thời điểm đóng củaIGBT sẽ có xung cảm ứng điện từ dội về IGBT (hình 2.9)

Hình 2.9: Điện áp trên đèn phóng điện chấn lưu sắt từ khi điều chỉnh cắt biên sau

Dựa trên kết quả đo được ta thấy dạng tín hiệu điện áp của các loại đèn rất khác nhau Điều này là do bảnchất loại tải của các đèn này khác nhau.Tín hiệu điện áp đèn sợi đốt phản ánh sát với lý thuyết của phươngpháp này do đèn này là tải thuần trở Tín hiệu điện áp của đèn huỳnh quanh chấn lưu từ dù có phần phản ánh

lý thuyết nhưng lại xuất hiện xung ngược rất lớn dội về Điều này là do thành phần cảm kháng của chấn lưurất lớn nên ngay sau mỗi thời điểm đóng của IGBT sẽ có xung cảm ứng điện từ dội về IGBT Trong khi đó,bóng LED là tải kết hợp RLC, dạng tín hiệu điện áp không phản ánh lý thuyết của phương pháp điều chỉnhmức sáng này Dù thời gian có dòng chạy qua bóng không thay đổi khi điều chỉnh triết áp nhưng thay vào đó

là sự thay đổi của điện áp cực đại trong mỗi nửa chu kỳ, do đó vẫn có hiệu quả điều chỉnh mức sáng

2.4.Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt biên sau

Qua kết quả thu được ở phương pháp cũ ta thấy có sự xuất hiện của xung điện áp ngược với biên độ rấtlớn, tạo nên hiện tượng “đánh thủng thác lũ” làm hỏng IGBT Trong hình 2.9 ta thu được dạng tín hiệu sau khiIGBT đóng lại là một dao động tắt dần có tần số hài bậc cao và biên độ tắt dần Dao động này sinh ra là dobản chất của thiết bị chiếu sáng của đèn phóng điện là một mạch RLC nối tiếp như hình 2.10 trong đó thànhphần L là chấn lưu sắt từ cuộn dây, R là điện trở bóng đèn sau khi đèn đã sáng và C là thành phần dung dungkháng trong bóng đèn Mạch tạo thành một dao động điều hòa cho dòng điện và cộng hưởng giống như mạch

LC và điện trở R tải sẽ làm tắt dần dao động khi tắt IGBT

Hình 2.10: Mạch điện đèn phóng điện sử dụng chấn lưu sắt từ

Để triệt tiêu dao động tắt dần này nghiên cứu đã sử dụng một tụ điện gốm mắc song song với tải đèn.Qua đó, chuyển đổi mạch điện của tải đèn từ mạch RLC nối tiếp thành một mạch RLC song song

Tổng dẫn phức của mạch RLC song song là tổng độ dẫn nạp của các thành phần:

Sự thay đổi từ mạch nối tiếp sang mạch song song dẫn đến trong mạch xuất hiện một trở kháng cực đạilúc cộng hưởng chứ không phải là cực tiểu, do đó mạch chống lại sự cộng hưởng.

Vấn đề thứ hai cần giải quyết là khi điều chỉnh biến trở để khoảng dẫn về 4 ms thì đèn tắt, làm cho dảiđiều chỉnh công suất của đèn bị giới hạn (hình 2.11)

Hình 2.11: Vị trí cắt biên sau làm đèn tắt

Nguyên nhân là do biên độ điện áp quá thấp Để tăng dải điều chỉnh công suất cho phương pháp cắt biênsau nghiên cứu đề xuất cải tiến thuật toán cắt pha từ một lần chuyển sang nhiều lần và mức công suất điềuchỉnh sẽ dựa trên phương pháp điều chế độ rộng xung PWM Nghiên cứu thực hiện mô phỏng đóng cắt 10 lầnvới mức điều chỉnh công suất 50% trên phần mềm mô phỏng cho kết quả ở hình 2.12 dưới đây

Hình 2.12: Kết quả dạng tín hiệu điều khiển và điện áp ra mô phỏng với tụ 100nF mắc song song với tải

Hình 2.13: Kết quả dạng tín hiệu điện áp ra trên tải đèn phóng điện

Kết quả đo đạc thực tế trên phần cứng đã cải tiến với tụ 1uF mắc song song ở đầu ra và mức công suấtđiều chỉnh 30% thể hiện trong hình 2.13.

2.5.Kết luận chương 2

Nghiên cứu đã chỉ rằng phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau phùhợp với tải sợi đốt, tải đèn LED do không làm giảm tuổi thọ của bóng đèn, tuy nhiên phương pháp cắt biênsau lại không thể sử dụng được với tải đèn phóng điện.Phương pháp điều chỉnh mức sáng sau khi cải tiến đã

sử dụng được cho bóng đèn phóng điện chấn lưu sắt từ Phương pháp này đã loại bỏ được xung điện áp ngượcvới biên độ rất lớn là nguyên nhân làm nóng IGBT rất nhanh và hỏng sau một thời gian ngắn sử dụng.Nghiêncứu cũng đã mở rộng được dải điều chỉnh cường độ ánh sáng hay công suất tiêu thụ đối với bóng đèn phóngđiện chấn lưu sắt từ bằng giải thuật điều khiển mới cho phép điều chỉnh công suất tiêu thụ của bóng đènphóng điện từ mức năng lượng bằng 0 trở đi chứ không còn mức 30% so với các phương pháp cũ

Với cải tiến của nghiên cứu, thiết bị có thể áp dụng cho bất kỳ loại tải chiếu sáng nào có chứa thành phầntải cảm hay nói cách khác là phương pháp điều chỉnh công suất mới có thể sử dụng cho mọi loại bóng đènchiếu sáng

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUAY ĐA HƯỚNG

3.1.Phân tích một số phương án cải tiến cảm biến ánh sáng

Hiện tay, giải pháp thường thấy để cải tiến cảm biến đơn là sử dụng mạng cảm biến bao gồm nhiều cảmbiến tĩnh, với mục tiêu đo đạc thông tin chính xác tại nhiều điểm trong phòng, từ đó tính toán và đưa ra đầuvào chính xác cho hệ thống điều khiển chiếu sáng Bảng 3.1 đưa ra thông tinh so sánh ưu, nhược điểm giữaviệc sử dụng cảm biến đơn và sử dụng mạng cảm biến

Bảng 3.1: So sánh ưu nhược điểm của cảm biến đơn tĩnh và mạng cảm biến

• Chi phí thi công thấp

• Kết quả đo chính xác hơn so với phươngpháp dùng duy nhất một cảm biến, do phân tích kết quả của nhiều cảm biến

Nhược

điểm • Để đưa ra một kết quả đo chính

xác thì cần phải áp dụng nhiều thuật toán, thu thập dữ liệu và phụthuộc lớn vào môi trường đo

• Cảm biến có thể bị chặn bởi các đối tượng chuyển động hoặc bị chiếu sáng bởi chùm ánh sáng hẹp(không phải nguồn chiếu sáng)

• Nút cảm biến không đáng tin cậy (khảnăng chịu lỗi), dẫn đến mạng cảm biếnkhông phát hiện được lỗi

• Khó khăn khi cần thêm cảm biến mớihoặc thay đổi hướng cảm biến (khả năng mở rộng)

• Phản ứng chậm với các các sự kiệnthay đổi cường độ ánh sáng (độ trễcao)

Ngoài ra, còn một bài toán nữa mà cảm biến tĩnh đơn lẻ/ mạng cảm biến tĩnh không giải quyết được đó

là ảnh hưởng của nguồn sáng gián tiếp (hay còn gọi là nguồn sáng nhiễu) tới nguồn sáng trực tiếp, dẫn đếnthông tin đọc về từ một cảm biến tĩnh không chính xác Cảm biến tĩnh sẽ không nhận biết liệu phần cường độsáng dư thừa này có bị ảnh hưởng bởi độ rọi gián tiếp của các bộ đèn khác hay không Vì lý do đó, thực tếđèn đã bị giảm công suất quá mức yêu cầu Ngoài ra, khi thành phần cường độ sáng gián tiếp lớn hơn thànhphần cường