Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật điện tử của tác giả Hoàng Anh Dũng với đề tài "Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng sử dụng cắt mức điện áp sau và cảm biến quay đa hướng cho thiết bị chiếu sáng" (mã số chuyên ngành: 9520203), được bảo vệ năm 2021 tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Phan Kiên và TS. Nguyễn Mạnh Cường.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Năng lượng và biến đổi khí hậu là vấn đề được quan tâm trên toàn cầu khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái tạo (than đá, dầu mỏ, khí đốt) ngày càng cạn kiệt. Tại Việt Nam, theo báo cáo của Bộ Công Thương, hiệu suất sử dụng năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện than chỉ đạt 28–32% (thấp hơn thế giới khoảng 10%), hiệu suất lò hơi công nghiệp đạt khoảng 60% (thấp hơn mức trung bình thế giới khoảng 20%). Đáng chú ý, năng lượng điện phục vụ cho mục đích chiếu sáng chiếm gần 40% tổng sản lượng điện sản xuất quốc gia.
Để giảm áp lực tiêu thụ điện, xu hướng hiện nay tập trung vào hai giải pháp chính: chuyển đổi sang bóng đèn LED có hiệu suất phát quang cao và xây dựng các hệ thống điều khiển tận dụng ánh sáng tự nhiên (daylight harvesting). Nghiên cứu của các nhà khoa học Slovakia chỉ ra rằng việc điều khiển theo ánh sáng tự nhiên có thể tiết kiệm 20–40% điện năng với thời gian hoàn vốn từ 2–3 năm. Tuy nhiên, các giải pháp kết hợp đồng thời giữa bóng đèn LED và công nghệ tận dụng ánh sáng tự nhiên vẫn chưa có nhiều nghiên cứu cụ thể.
Tại Việt Nam, nhóm nghiên cứu đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng sáng chế cho "Thiết bị điều chỉnh mức sáng cho đèn neon" vào ngày 16/04/2012. Thiết bị này hoạt động theo nguyên tắc cân bằng giữa ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo. Mặc dù vậy, thiết bị tồn tại ba hạn chế kỹ thuật lớn:
- Sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp cung cấp cho bóng đèn khiến thiết bị có kích thước lớn, khối lượng nặng và chi phí chế tạo cao.
- Biến áp tự ngẫu không thể điều khiển thay đổi độ sáng cho bóng đèn LED – đối tượng đang dần thay thế các nguồn sáng truyền thống.
- Thiết bị chỉ sử dụng một cảm biến ánh sáng đơn hướng tĩnh, dễ bị đo sai khi có vật cản che khuất tạm thời hoặc bị nhiễu bởi các nguồn sáng phản xạ cục bộ.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án tập trung giải quyết hai mục tiêu chính:
- Nghiên cứu phương pháp điều khiển công suất chiếu sáng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên, có khả năng tương thích với nhiều loại bóng đèn khác nhau, trong đó tập trung vào đèn LED và hoàn thiện giải pháp cho đèn phóng điện, thay thế biến áp tự ngẫu bằng mạch bán dẫn công suất nhỏ gọn.
- Nghiên cứu và chế tạo hệ thống cảm biến ánh sáng quay đa hướng nhằm thu thập chính xác cường độ bức xạ quang học, khắc phục hiện tượng nhiễu do vật cản và nguồn sáng giả so với cảm biến tĩnh đơn hướng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Các loại nguồn sáng nhân tạo thông dụng trên thị trường, trọng tâm là đèn LED (tải phi tuyến); đồng thời nghiên cứu đèn phóng điện (sử dụng chấn lưu sắt từ) và đèn sợi đốt (tải thuần trở).
- Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống chiếu sáng khu vực trong nhà tại các nhà xưởng, trường học, bệnh viện, văn phòng làm việc – những không gian có điều kiện tiếp nhận và tận dụng nguồn ánh sáng tự nhiên từ bên ngoài.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Trong chương trình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng, các công trình quốc tế được phân chia thành ba nhóm chiến lược chính:
| Nhóm chiến lược |
Tác giả, công trình và năm công bố |
Mức tiết kiệm năng lượng ghi nhận |
| 1. Cải thiện không gian chiếu sáng |
- Ruzena Kralikova và cộng sự (2016)
- Reinhart (2005)
- Nghiên cứu tại Kuwait (2011)
- Al-Sallal (2010), Lee và cộng sự (2013) |
- Sơn tường, trần sáng màu phản xạ tới 80% ánh sáng tới (so với <10% ở tường tối).
- Giảm chiều cao trần từ 2,74m xuống 2,44m cắt giảm 50% khả năng tiết kiệm.
- Tăng lớp cách nhiệt tường từ 5cm lên 7cm giảm 5,58% điện tiêu thụ.
- Hệ thống chắn nắng kiểu phong bì thư (envelope shading) tiết kiệm 20,5% điện năng. |
| 2. Thay thế bóng đèn hiệu suất thấp |
- Energy Saver (Bộ Năng lượng Hoa Kỳ)
- Thống kê Thụy Điển (2016)
- Avijit Karmakar, Snehashis Das và Ayan Ghosh (2018)
- Josijevic và cộng sự (2018) |
- Đèn Halogen tiết kiệm ~25%, CFL tiết kiệm ~75%, LED tiết kiệm 75–80% so với đèn sợi đốt 60W.
- Thay đèn huỳnh quang T12 bằng T8 tiết kiệm 10%; thay bằng T5 tiết kiệm 40%.
- Đầu tư hệ thống đèn LED có thời gian hoàn vốn khoảng 5 năm, tiết kiệm đến 60%. |
| 3. Tận dụng ánh sáng tự nhiên |
- Al-Ashwal và Budaiwi (2011)
- Yoo và cộng sự (2014)
- Gentile và cộng sự (2016)
- Kim In-Tae, Kim Yu-Sin, Nam Hyeonggon và Hwang Taeyon (2018)
- Yangping Zheng, Jia Q và Hongtao Yu (2020) |
- Tích hợp ánh sáng ban ngày qua cửa sổ ở vùng khí hậu nóng giảm 35% điện năng chiếu sáng.
- Điều khiển LED theo phân bố ánh sáng tự nhiên giảm 40–70% tiêu thụ.
- Hệ thống liên kết ánh sáng tự nhiên đạt mức tiết kiệm 79% (vượt trội so với công tắc thủ công, cảm biến chuyển động).
- Thuật toán làm mờ cải tiến đạt độ chính xác độ rọi 98,9%, tiết kiệm trung bình 77%.
- Chiếu sáng thông minh dùng mạng IoT Mesh và điện toán biên tiết kiệm 30% điện năng mỗi năm. |
Tại Việt Nam, các quy định kỹ thuật được chuẩn hóa qua Thông tư số 22/2016/TT-BYT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chiếu sáng nơi làm việc, quy định độ rọi duy trì tối thiểu $E_m$ từ 100 Lux đến 500 Lux tùy khu vực) và QCVN 09:2013/BXD. Chính phủ đã ban hành Quyết định số 51/QĐ-TTg loại bỏ bóng đèn sợi đốt công suất trên 60W từ ngày 01/01/2013 và triển khai các dự án LED công cộng tại Đà Nẵng, TP. Hồ Chí Minh. Thiết bị tiết kiệm điện TKD-N16 của nhóm tác giả TS. Nguyễn Phan Kiên thử nghiệm tại Nhà máy Z181 (Bộ Quốc phòng) trên 16 bóng đèn tuýp huỳnh quang đạt mức tiết kiệm điện từ 33% đến 54% ở chế độ chiếu sáng tiêu chuẩn.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Khắc phục triệt để hạn chế của thiết bị tiết kiệm điện hiện có bằng cách thay thế biến áp tự ngẫu cồng kềnh bằng mạch điện tử bán dẫn công suất sử dụng kỹ thuật cắt biên sau (trailing-edge dimming) tương thích hoàn toàn với đèn LED; đồng thời thay thế cảm biến ánh sáng đơn hướng bằng hệ cảm biến quay đa hướng có thuật toán nhận diện vật cản và bám nguồn sáng chính.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học
-
Mô hình đặc tính tải chiếu sáng:
- Đèn sợi đốt: Tải thuần trở ($R$), dòng điện và điện áp đồng pha, không tạo sóng hài bậc cao.
- Đèn LED: Tải phi tuyến phức hợp $RLC$, sử dụng bộ nguồn chuyển mạch (SMPS) với mạch chỉnh lưu cầu và tụ lọc, sinh ra hiện tượng dòng điện dịch chuyển qua tụ $i_c(t) = C \cdot \frac{du_c}{dt}$.
- Đèn phóng điện: Đặc tính điện trở âm, cần chấn lưu nối tiếp để duy trì hồ quang. Điện áp trên đèn được mô hình hóa xấp xỉ dạng sóng vuông theo chuỗi Fourier (Lee & Nayar):
$$V_a(t) = \frac{4V_a}{\pi} \sum_{n=1,3,5...}^{\infty} \frac{1}{n} \sin(n\omega t)$$
Dòng điện tức thời chạy qua đèn khi mắc với chấn lưu điện từ có hệ số tự cảm $L$:
$$I_a(t) = \frac{V_a}{L}\left(\frac{\pi}{2} - \omega t\right) - \frac{V_{in}}{\omega L} \cos(\omega t + \varphi)$$
Đặc tuyến động $U-I$ phi tuyến của đèn phóng điện tần số cao được mô tả thông qua phép nội suy đường khối (Tokic và cộng sự; Cepisca và cộng sự).
-
Khung lý thuyết điều khiển tự động:
- Ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller) kết hợp bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (PID) và bộ điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính (LQR).
- Thiết lập các tập mờ cho hai biến đầu vào: Sai lệch độ rọi ($Error$) và Tốc độ thay đổi sai lệch ($DeltaError$), cùng các hàm thành viên hình tam giác/hình thang để điều chỉnh công suất ngõ ra.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Phân tích giải tích mạch điện xoay chiều, mô hình hóa toán học các quá trình quá độ khi đóng ngắt bán dẫn trên tải phi tuyến, xây dựng thuật toán quét góc và ma trận tham số ảnh hưởng của cảm biến quay.
- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
- Thiết kế, chế tạo phần cứng bo mạch điều khiển công suất sử dụng vi điều khiển Atmega16, IGBT, mạch bắt điểm không và mạch cách ly quang.
- Chế tạo cơ cấu cơ điện tử cho cảm biến ánh sáng quay sử dụng động cơ bước và cảm biến quang điện tử gắn trên khung quay in 3D.
- Đo kiểm dạng sóng điện áp, dòng điện, xung đột biến bằng máy hiện sóng (oscilloscope) số trên các tải thực tế (đèn sợi đốt, bóng LED 5W–50W, đèn huỳnh quang chấn lưu sắt từ).
- Thu thập dữ liệu thực tế tại phòng thí nghiệm, truyền dữ liệu qua nền tảng đám mây IoT Ubidots để phân tích biểu đồ radar và mô phỏng trên môi trường phần mềm chuyên dụng.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về tiết kiệm năng lượng sử dụng ánh sáng tự nhiên
Chương 1 hệ thống hóa các chiến lược tiết kiệm năng lượng trong kỹ thuật chiếu sáng công trình, phân tích quy chuẩn chiếu sáng Việt Nam và mổ xẻ thiết kế của thiết bị tiết kiệm điện TKD-N16 tiền nhiệm:
- Đánh giá ba nhóm chiến lược: cải thiện không gian kiến trúc (tiết kiệm 5–20%), thay thế nguồn sáng LED/CFL (tiết kiệm 10–80%), và tích hợp hệ thống điều khiển theo ánh sáng tự nhiên (tiết kiệm 30–80%).
- Trích dẫn yêu cầu độ rọi duy trì tối thiểu $E_m$ theo Thông tư 22/2016/TT-BYT: tiền sảnh (100 Lux), hành lang (100 Lux), phòng bệnh nhân (500 Lux), phòng y tế (500 Lux), nhà kho (100 Lux), khu vực kiểm tra (150 Lux).
- Đánh giá thực nghiệm thiết bị TKD-N16 trên 16 bóng đèn tuýp tại Nhà máy Z181:
| Số lượng bóng đèn |
Độ sáng tiêu chuẩn thiết lập (Lux) |
Điện áp có TKD (V) |
Dòng điện có TKD (A) |
Hệ số công suất $\cos\varphi$ có TKD |
Độ sáng thực tế có TKD (Lux) |
Tỷ lệ tiết kiệm năng lượng (%) |
| 1–3 bóng |
300 |
217 |
0,80 |
0,80 |
702 |
20% – 35% |
| 4–8 bóng |
300 |
Giảm áp |
Giảm dòng |
Ổn định |
Đạt chuẩn |
33% – 54% |
| > 8 bóng |
300 |
Điều chỉnh tối ưu |
140–200 mA |
Ổn định |
Duy trì chuẩn |
~ 54% |
Phân tích kinh tế chỉ ra thiết bị TKD-N16 có giá thành 3 triệu đồng (~143 USD), tuổi thọ 8 năm, tiết kiệm 552 kWh điện/năm (tương đương 1,1 triệu đồng tiền điện/năm với giá điện 2.000 đ/kWh), thời gian hoàn vốn gần 3 năm. Tuy nhiên, việc sử dụng biến áp tự ngẫu làm thiết bị nặng nề, không tương thích với đèn LED và cảm biến tĩnh dễ bị sai số quang học khi có vật cản.
Chương 2: Nghiên cứu cải tiến khối điều khiển công suất thiết bị chiếu sáng
Chương 2 tập trung giải quyết bài toán mạch điều khiển công suất điện tử thay thế biến áp tự ngẫu:
- Phân tích phương pháp cắt biên trước (leading-edge dimming): Sử dụng TRIAC kích mở sau điểm không. Khi thử nghiệm trên bóng sợi đốt, dạng sóng dòng và áp không xuất hiện sóng hài nguy hiểm. Tuy nhiên, khi áp dụng cho đèn LED, do thời gian tăng điện áp từ 0 lên 300V diễn ra cực nhanh ($dt \approx 1,8,\mu\text{s}$, theo Elliott), đạo hàm $\frac{du_c}{dt}$ rất lớn làm phát sinh dòng đột biến (surge current). Đo oscilloscope trên bóng LED 5W ghi nhận xung dòng điện đỉnh lên tới $1,7\text{ A}$ (tương đương $17\text{ A}$ đối với đèn LED 50W). Cường độ này làm diode cầu của bộ nguồn LED suy giảm tuổi thọ nghiêm trọng (chỉ chịu được khoảng 50 chu kỳ xung trước khi phá hủy).
- Xây dựng phương pháp cắt biên sau (trailing-edge dimming): Sử dụng khóa bán dẫn IGBT kết hợp vi điều khiển Atmega16, mạch phát hiện điểm không (Zero-crossing), mạch kích driver transistor kéo đẩy (push-pull) cách ly quang và cầu diode chỉnh lưu:
| Tiêu chí so sánh |
Phương pháp cắt biên trước (TRIAC) |
Phương pháp cắt biên sau (IGBT) |
| Thời điểm đóng/ngắt |
Khóa ở đầu chu kỳ, mở dẫn đột ngột ở giữa chu kỳ. |
Mở dẫn êm tại điểm 0, ngắt chủ động ở cuối nửa chu kỳ. |
| Dạng xung dòng điện qua LED |
Xuất hiện xung dòng đột biến đỉnh $1,7\text{ A}$ (đèn 5W). |
Dòng điện tăng êm theo hàm sin, không có xung dòng đột biến. |
| Ảnh hưởng tuổi thọ LED |
Làm suy giảm độ bền diode cầu và tụ lọc của đèn. |
Giữ nguyên độ bền của linh kiện, an toàn cho bộ nguồn LED. |
| Nhiễu điện từ (EMI) |
Phát sinh nhiễu điện từ lớn do biên độ $\frac{du}{dt}$ cao. |
Mức độ phát sinh nhiễu điện từ thấp. |
| Tải đèn sợi đốt |
Hoạt động tốt từ 0–100% công suất. |
Hoạt động tốt ($U_{RMS} = 65,8\text{V} - 222\text{V}$, $I_{RMS} = 107\text{mA} - 188\text{mA}$). |
| Tải đèn phóng điện |
Cần chấn lưu chuyên dụng. |
Xuất hiện xung điện áp cảm ứng ngược lớn gây nóng và hỏng IGBT. |
- Cải tiến mạch cho tải đèn phóng điện: Nhằm xử lý xung ngược cảm ứng do chấn lưu sắt từ dội về IGBT khi cắt biên sau, tác giả đề xuất chuyển đổi mô hình $RLC$ từ nối tiếp sang song song bằng cách mắc tụ điện $100\text{ nF}$ song song với tải, kết hợp thuật toán điều khiển đóng cắt tần số cao 50 lần trong mỗi nửa chu kỳ, triệt tiêu hoàn toàn xung ngược và bảo vệ an toàn cho IGBT.
Chương 3: Nghiên cứu cảm biến ánh sáng quay đa hướng
Chương 3 trình bày giải pháp thu thập dữ liệu độ rọi đa hướng và hệ thống điều khiển mờ:
- Cấu tạo cảm biến quay: Sử dụng cảm biến quang đặt trên cơ cấu đế xoay in 3D, điều khiển bởi động cơ bước quay quét 8 hướng (mỗi bước $45^\circ$) hoặc 16 hướng (mỗi bước $22,5^\circ$), kết nối vi điều khiển đọc giá trị qua bộ chuyển đổi ADC 10-bit và truyền dữ liệu lên máy chủ Ubidots.
| Chế độ lấy mẫu |
Góc quay giữa các bước |
Số lượng mẫu trên một vòng quay ($360^\circ$) |
Ứng dụng thực tế |
| 8 hướng |
$45^\circ$ |
8 mẫu |
Nhận dạng hướng cửa sổ, hướng chiếu sáng chính của phòng. |
| 16 hướng |
$22,5^\circ$ |
16 mẫu |
Phát hiện chi tiết vật cản che khuất và vùng phản xạ sáng hẹp. |
- Thuật toán xử lý và bám nguồn sáng: Xây dựng vector độ rọi đa hướng dưới dạng biểu đồ radar. Cảm biến cho phép phân biệt chính xác giữa hiện tượng suy giảm cường độ ánh sáng tự nhiên toàn phòng với hiện tượng vật cản ngẫu nhiên che khuất cảm biến cục bộ.
- Bộ điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic Controller): Xây dựng bộ điều khiển mờ với 2 biến ngõ vào ($Error$, $DeltaError$) và 1 biến ngõ ra công suất, kết hợp kiểm chứng trên các mô hình lai Fuzzy-PID và Fuzzy-LQR.
- So sánh 3 phương pháp tiền xử lý tín hiệu cảm biến quay:
- Phương pháp lấy trung bình cộng (Average): San phẳng dữ liệu các hướng.
- Phương pháp trung bình cộng theo ngưỡng (Threshold Average): Loại bỏ các giá trị dị biệt do vật cản trước khi tính trung bình.
- Phương pháp tìm giá trị cực đại (Max value): Bám sát hướng đón sáng tự nhiên lớn nhất từ cửa sổ/cửa lấy sáng.
- Đánh giá hiệu năng tiết kiệm năng lượng:
| Phương pháp điều khiển và xử lý tín hiệu |
Tỷ lệ tiết kiệm điện năng so với cảm biến tĩnh |
| Hệ thống sử dụng cảm biến tĩnh đơn hướng (tham chiếu chuẩn) |
$0%$ (mức cơ sở) |
| Cảm biến quay đa hướng – Tiền xử lý Trung bình cộng |
Cải thiện độ ổn định, tránh bật nhầm đèn khi bị che khuất |
| Cảm biến quay đa hướng – Tiền xử lý Trung bình cộng theo ngưỡng |
Tiết kiệm năng lượng cao hơn cảm biến tĩnh, loại trừ 100% sai số vật cản |
| Cảm biến quay đa hướng – Tiền xử lý Tìm giá trị cực đại (Max) |
Tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng chiếu sáng nhân tạo ở mức cao nhất |
Kết quả và những đóng góp mới
Đóng góp về mặt lý luận và khoa học
- Xây dựng hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán quá độ cho mạch điều khiển cắt biên sau trên các đối tượng tải chiếu sáng phi tuyến ($RLC$ của đèn LED và chấn lưu sắt từ của đèn phóng điện). Giải thích bản chất suy giảm tuổi thọ đèn LED do xung dòng đột biến $i_c(t)$ khi cắt biên trước và chứng minh tính ưu việt của phương pháp cắt biên sau.
- Đề xuất phương pháp phân tích trường ánh sáng trong phòng thông qua vector độ rọi không gian từ cảm biến quay đa hướng. Xây dựng cấu trúc ma trận tham số ảnh hưởng và bộ luật mờ hóa phục vụ việc điều khiển công suất chiếu sáng chính xác theo thời gian thực.
Đóng góp về mặt kỹ thuật và thực tiễn
- Thiết kế và chế tạo thành công mạch công suất cắt biên sau bán dẫn sử dụng IGBT và vi điều khiển Atmega16, loại bỏ hoàn toàn biến áp tự ngẫu nặng nề, giảm kích thước và chi phí sản xuất thiết bị tiết kiệm điện, tương thích đồng thời với đèn LED, đèn sợi đốt và đèn phóng điện.
- Chế tạo thành công thiết bị cảm biến ánh sáng quay đa hướng điều khiển bằng động cơ bước (8 hướng và 16 hướng), giải quyết triệt để bài toán nhận định sai nguồn sáng do vật cản che khuất hoặc bề mặt phản xạ cục bộ mà các cảm biến quang tĩnh đơn hướng mắc phải.
- Cung cấp giải pháp kỹ thuật có khả năng ứng dụng thực tế cao tại các cơ sở giáo dục, bệnh viện và nhà xưởng công nghiệp tại Việt Nam nhằm tận dụng tối đa bức xạ mặt trời tự nhiên.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị kỹ thuật đối với nhiều đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật chiếu sáng: Tham khảo phương pháp mô hình hóa tải phi tuyến, thiết kế mạch công suất IGBT cắt biên sau, kỹ thuật bắt điểm không và thuật toán điều khiển mờ (Chương 2 và Chương 3).
- Kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống nhúng: Ứng dụng sơ đồ nguyên lý mạch driver IGBT, khối bảo vệ TVS/Zener, khối nguồn xung SMPS và mã nguồn chương trình điều khiển (Phụ lục 2).
- Các nhà quản lý năng lượng, cơ quan hoạch định chính sách tiết kiệm điện: Tham khảo số liệu kiểm chứng kinh tế - kỹ thuật, thời gian hoàn vốn và các căn cứ tiêu chuẩn (TCVN, QCVN, Thông tư 22/2016/TT-BYT) để xây dựng định mức tiêu hao năng lượng cho công trình công cộng.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao phương pháp điều chỉnh điện áp cắt biên trước (TRIAC) lại làm giảm tuổi thọ của đèn LED?
Do mạch nguồn của đèn LED có tụ lọc đầu vào. Khi TRIAC kích mở ở giữa chu kỳ, điện áp tăng đột ngột từ 0 lên 300V trong khoảng thời gian cực ngắn ($dt \approx 1,8,\mu\text{s}$), tạo ra đạo hàm $\frac{du_c}{dt}$ rất lớn. Hiện tượng này sinh ra xung dòng điện đột biến ($i_c = C \cdot \frac{du_c}{dt}$) đạt đỉnh $1,7\text{ A}$ trên bóng đèn LED 5W (và lên đến $17\text{ A}$ trên đèn 50W), vượt quá giới hạn chịu đựng chu kỳ của cầu diode chỉnh lưu trong đèn LED, dẫn đến phá hủy linh kiện sau thời gian ngắn.
2. Nguyên lý mạch cắt biên sau (trailing-edge) giải quyết triệt để vấn đề xung dòng đột biến trên đèn LED như thế nào?
Mạch cắt biên sau sử dụng khóa bán dẫn IGBT mở dẫn ngay tại điểm không ($0\text{V}$) của sóng điện áp sin, giúp dòng điện nạp vào tụ của đèn LED tăng từ từ theo sườn dốc tự nhiên của sóng sin ($\frac{du}{dt}$ nhỏ). Đến cuối nửa chu kỳ, IGBT chủ động ngắt dòng theo tín hiệu điều khiển của vi điều khiển Atmega16. Do đó, mạch hoàn toàn không tạo ra các xung dòng đỉnh đột biến, bảo toàn tuổi thọ làm việc của đèn LED.
3. Hiện tượng xung điện áp cảm ứng ngược trên đèn phóng điện khi cắt biên sau xảy ra do đâu và được khắc phục bằng cách nào?
Khi ngắt dòng điện đột ngột qua chấn lưu điện từ của đèn phóng điện (tải thuần cảm lớn ở tần số thấp), cảm kháng sinh ra suất điện động tự cảm dội xung điện áp ngược rất lớn về phía IGBT làm linh kiện phát nhiệt nhanh và hư hỏng. Luận án khắc phục bằng cách mắc tụ điện $100\text{ nF}$ song song với tải để chuyển cấu trúc $RLC$ từ nối tiếp sang song song, kết hợp thuật toán đóng ngắt 50 lần trong mỗi nửa chu kỳ nhằm tiêu tán năng lượng cảm ứng an toàn.
4. Cảm biến quay đa hướng vượt trội hơn cảm biến tĩnh đơn hướng ở những điểm cụ thể nào?
Cảm biến tĩnh đơn hướng chỉ đo được cường độ sáng tại một điểm cố định, nếu có vật cản che khuất ngẫu nhiên, hệ thống sẽ nhận định nhầm là phòng thiếu sáng và tăng công suất đèn gây lãng phí điện. Cảm biến quay đa hướng lấy mẫu theo 8 hoặc 16 hướng quét, lập biểu đồ radar để phân biệt rõ giữa việc phòng bị tối thực sự và việc cảm biến bị che khuất tạm thời, đồng thời xác định chính xác hướng nguồn sáng tự nhiên cực đại đi vào phòng.
5. Các phương pháp tiền xử lý dữ liệu của cảm biến quay đa hướng gồm những gì và phương pháp nào cho hiệu quả tiết kiệm cao nhất?
Luận án khảo sát 3 phương pháp tiền xử lý: (1) Trung bình cộng, (2) Trung bình cộng theo ngưỡng, và (3) Tìm giá trị cực đại. Trong đó, phương pháp tìm giá trị cực đại bám sát theo hướng chiếu sáng tự nhiên mạnh nhất từ cửa sổ, giúp hệ thống giảm công suất đèn nhân tạo tối đa mà vẫn bảo đảm độ rọi làm việc, mang lại tỷ lệ tiết kiệm năng lượng điện cao nhất.
Kết luận
Luận án của tác giả Hoàng Anh Dũng đã giải quyết trọn vẹn hai bài toán kỹ thuật trọng tâm trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng chiếu sáng: thay thế biến áp tự ngẫu bằng mạch bán dẫn công suất IGBT cắt biên sau tương thích tối ưu với đèn LED, và phát triển hệ thống cảm biến quang quay đa hướng có thuật toán nhận diện vật cản. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng mờ và đo kiểm thực nghiệm đã cung cấp một giải pháp công nghệ hoàn chỉnh, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác ánh sáng tự nhiên và giảm tải điện năng tiêu thụ cho các công trình công cộng tại Việt Nam.
