Thiết Kế Tủ Điều Khiển Tiết Kiệm Năng Lượng Điện Cho Hệ Thống Chiếu Sáng Đèn Đường Bóng Halogen

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng halogen, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân,

• Tác giả: Vũ Trọng Hiệp
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Công
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Thiết Kế Tủ Điều Khiển Tiết Kiệm Năng Lượng Cho Hệ Thống Chiếu Sáng Đèn Đường
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG
• 1.1. Tổng quan về các loại đèn đường
• 1.2. Các loại đèn cao áp
• 1.3. Nguyên lý hoạt động đèn cao áp
• 1.4. Ứng dụng đèn cao áp
• 1.5. Tiêu chuẩn lựa chọn bóng đèn cao áp
• 1.6. Khả năng điều chỉnh độ sáng
• 1.7. Thông số bóng đèn
• 1.8. Vị trí lắp đặt
• 1.9. Tuổi thọ đèn cao áp
• 1.10. Ưu nhược điểm của đèn cao áp
• 1.11. Các tính năng của đèn cao áp
• 1.12. Một số giải pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng đèn đường
• 1.13. Đề xuất giải pháp thiết kế
• 1.14. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG
• 2.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển kinh điển PID
• 2.2. Tìm hiểu bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200
• 2.3. Giới thiệu PLC S7 1200
• 2.4. Cấu trúc phần cứng PLC S7 1200
• 2.5. Các vùng nhớ hay sử dụng
• 2.6. Bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200
• 2.7. Phương pháp khai báo và cài đặt bộ điều khiển PID_Compact
• 2.8. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống
• 2.9. Xây dựng thuật toán điều khiển
• 2.10. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG
• 3.1. Thiết kế mạch động lực bộ biến đổi AC/AC
• 3.2. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ biến đổi AC/AC
• 3.3. Yêu cầu chung của mạch điều khiển
• 3.4. Mạch điều khiển bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều 1 pha
• 3.5. Xây dựng sơ đồ khối
• 3.6. Chức năng, nguyên lý làm việc, các thông số cơ bản của từng khối
• 3.7. Sơ đồ đấu nối mạch điện của mô hình thực nghiệm
• 3.8. Chương trình điều khiển
• 3.9. Xây dựng phần mềm điều khiển, giám sát
• 3.10. Kết quả thực nghiệm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Tủ Điều Khiển Tiết Kiệm Điện Cho Đèn Đường

Chiếu sáng đèn đường tiêu thụ một lượng lớn điện năng trên toàn cầu. Việc hiện đại hóa hệ thống chiếu sáng đô thị không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đảm bảo an toàn và mỹ quan đô thị. Các tiêu chí đánh giá một hệ thống chiếu sáng công cộng hiệu quả bao gồm: tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí đầu tư và vận hành, an toàn cho thiết bị và người tham gia giao thông, và đảm bảo mỹ quan. Tuy nhiên, nhiều hệ thống hiện tại vẫn chưa đáp ứng được các tiêu chí này, dẫn đến lãng phí năng lượng và giảm tuổi thọ thiết bị. Theo một nghiên cứu, điện năng chiếu sáng chiếm khoảng 17% tổng lượng điện tiêu thụ trên thế giới.

1.1. Các Loại Đèn Đường Phổ Biến Hiện Nay

Hiện nay, có nhiều loại đèn đường được sử dụng, bao gồm đèn cao áp thủy ngân, đèn cao áp Metal Halide, đèn cao áp Sodium và đèn LED cao áp. Mỗi loại đèn có ưu và nhược điểm riêng về hiệu suất chiếu sáng, tuổi thọ và chi phí. Đèn LED cao áp đang dần trở nên phổ biến nhờ khả năng tiết kiệm điện và tuổi thọ cao, mặc dù chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn. Đèn cao áp Metal Halide và Sodium cũng được sử dụng rộng rãi nhờ hiệu suất chiếu sáng tốt và chi phí hợp lý hơn. Tuy nhiên, đèn thủy ngân đang dần bị loại bỏ do chứa chất độc hại.

1.2. Tiêu Chí Lựa Chọn Đèn Đường Cao Áp Tiết Kiệm Điện

Việc lựa chọn đèn đường cao áp cần dựa trên nhiều tiêu chí, bao gồm khả năng điều chỉnh độ sáng, thông số kỹ thuật (điện năng tiêu thụ, hiệu suất phát sáng), vị trí lắp đặt, tuổi thọ và các tính năng đặc biệt. Đèn có khả năng điều chỉnh độ sáng linh hoạt giúp tiết kiệm năng lượng khi không cần thiết phải chiếu sáng tối đa. Các thông số kỹ thuật cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất chiếu sáng tốt nhất với mức tiêu thụ điện năng thấp nhất. Vị trí lắp đặt cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn loại đèn phù hợp để đảm bảo mỹ quan đô thị.

II. Vấn Đề Tiết Kiệm Điện Năng Trong Chiếu Sáng Đèn Đường

Hệ thống chiếu sáng công cộng hiện nay thường vận hành chưa hiệu quả, đặc biệt là vào ban đêm khi lưu lượng giao thông giảm. Việc duy trì độ sáng như ban ngày gây lãng phí điện năng. Thêm vào đó, lưới điện chiếu sáng thường dùng chung với lưới điện sinh hoạt, dẫn đến điện áp tăng cao vào ban đêm, làm tăng công suất tiêu thụ và giảm tuổi thọ bóng đèn. Các giải pháp hiện tại như tắt xen kẽ các bóng đèn có thể gây khó khăn cho người tham gia giao thông và ảnh hưởng đến mỹ quan đô thị. Do đó, cần có giải pháp tiết kiệm điện năng chiếu sáng hiệu quả hơn.

2.1. Thực Trạng Sử Dụng Điện Năng Chiếu Sáng Hiện Nay

Hiện nay, nhiều hệ thống chiếu sáng đèn đường vẫn duy trì độ sáng cao suốt đêm, kể cả khi lưu lượng giao thông giảm đáng kể. Điều này dẫn đến lãng phí điện năng không cần thiết. Theo thống kê, khoảng thời gian từ 22h30 đến 5h30 sáng, lưu lượng phương tiện tham gia giao thông ít hơn nhiều so với khoảng thời gian từ 18h đến 22h30, nhưng độ sáng đèn đường vẫn được duy trì tương đương. Điều này cho thấy sự cần thiết phải có giải pháp điều chỉnh độ sáng linh hoạt theo thời gian thực.

2.2. Ảnh Hưởng Của Điện Áp Lưới Đến Tuổi Thọ Đèn Đường

Việc sử dụng chung lưới điện chiếu sáng với lưới điện sinh hoạt khiến điện áp lưới thường tăng cao vào ban đêm. Điện áp cao hơn định mức (ví dụ, 240V thay vì 220V) làm tăng công suất tiêu thụ của bóng đèn và giảm tuổi thọ. Điều này không chỉ gây lãng phí điện năng mà còn làm tăng chi phí bảo trì và thay thế bóng đèn. Do đó, cần có giải pháp ổn định điện áp hoặc điều chỉnh công suất để bảo vệ bóng đèn và tiết kiệm năng lượng.

2.3. Giải Pháp Tắt Xen Kẽ Đèn Đường Ưu và Nhược Điểm

Giải pháp tắt xen kẽ các bóng đèn trên một tuyến đường có ưu điểm là đơn giản và chi phí thấp. Tuy nhiên, nó gây ra sự không đồng đều về ánh sáng, tạo ra các đoạn đường tối - sáng xen kẽ, gây khó khăn cho người tham gia giao thông và ảnh hưởng đến mỹ quan đô thị. Ngoài ra, các bóng đèn còn lại vẫn phải làm việc với điện áp lưới cao hơn định mức, nên không giải quyết được vấn đề lãng phí điện năng và giảm tuổi thọ bóng đèn.

III. Giải Pháp Thiết Kế Tủ Điều Khiển Đèn Đường Tiết Kiệm Điện

Để giải quyết các vấn đề trên, một giải pháp hiệu quả là thiết kế tủ điện điều khiển chiếu sáng sử dụng các linh kiện bán dẫn và bộ PLC để tự động chiết giảm và ổn định điện áp đặt lên bóng đèn theo thời gian và điều kiện thời tiết. Tủ điều khiển này cũng có thể tích hợp các tính năng bảo vệ thiết bị và cho phép tắt xen kẽ các pha khi cần thiết. Mục tiêu là tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và tận dụng cơ sở vật chất hiện có.

3.1. Sử Dụng PLC Để Điều Khiển Chiếu Sáng Thông Minh

Bộ PLC (Programmable Logic Controller) có thể được sử dụng để điều khiển hệ thống chiếu sáng thông minh một cách linh hoạt và hiệu quả. PLC cho phép lập trình các thuật toán điều khiển phức tạp, chẳng hạn như điều chỉnh độ sáng theo thời gian thực, theo cảm biến ánh sáng hoặc theo lưu lượng giao thông. PLC cũng có thể tích hợp các tính năng bảo vệ thiết bị, chẳng hạn như tự động ngắt mạch khi có sự cố.

3.2. Ứng Dụng Linh Kiện Bán Dẫn Để Chiết Giảm Điện Áp

Các linh kiện bán dẫn, chẳng hạn như triac hoặc thyristor, có thể được sử dụng để chiết giảm điện áp đặt lên bóng đèn. Bằng cách điều khiển góc kích của các linh kiện này, có thể điều chỉnh công suất tiêu thụ của bóng đèn một cách liên tục. Điều này cho phép tiết kiệm năng lượng khi không cần thiết phải chiếu sáng tối đa, chẳng hạn như vào ban đêm khi lưu lượng giao thông giảm.

3.3. Tích Hợp Tính Năng Bảo Vệ Thiết Bị Trong Tủ Điều Khiển

Tủ điều khiển cần được tích hợp các tính năng bảo vệ thiết bị, chẳng hạn như bảo vệ quá tải, bảo vệ ngắn mạch và bảo vệ quá áp. Các tính năng này giúp bảo vệ bóng đèn và các linh kiện khác trong hệ thống khỏi các sự cố điện, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm chi phí bảo trì. Ngoài ra, tủ điều khiển cũng nên có khả năng tự động ngắt mạch khi có sự cố để đảm bảo an toàn.

IV. Xây Dựng Mô Hình Lý Thuyết Hệ Thống Điều Khiển Chiếu Sáng

Mô hình lý thuyết hệ thống điều khiển chiếu sáng đèn đường dựa trên lý thuyết điều khiển kinh điển PID (Proportional-Integral-Derivative). Bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200 được sử dụng để điều chỉnh và ổn định điện áp đặt lên bóng đèn. Cấu trúc điều khiển hệ thống và thuật toán điều khiển được xây dựng để đảm bảo hiệu suất chiếu sáng tối ưu và tiết kiệm năng lượng. Việc sử dụng bộ điều khiển đèn đường giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả hơn.

4.1. Tổng Quan Về Lý Thuyết Điều Khiển PID Trong PLC

Lý thuyết điều khiển PID là một phương pháp điều khiển kinh điển được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa. Bộ điều khiển PID bao gồm ba thành phần: tỷ lệ (Proportional), tích phân (Integral) và vi phân (Derivative). Mỗi thành phần có vai trò riêng trong việc điều chỉnh tín hiệu điều khiển để đạt được mục tiêu mong muốn. Trong hệ thống chiếu sáng đèn đường, bộ điều khiển PID có thể được sử dụng để điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn để duy trì độ sáng ổn định.

4.2. Xây Dựng Cấu Trúc Điều Khiển Hệ Thống Chiếu Sáng

Cấu trúc điều khiển hệ thống chiếu sáng bao gồm các thành phần chính: cảm biến ánh sáng, bộ điều khiển PLC, bộ điều khiển PID và bộ điều khiển công suất. Cảm biến ánh sáng đo độ sáng thực tế của môi trường và gửi tín hiệu về PLC. PLC xử lý tín hiệu và điều khiển bộ điều khiển PID để điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn. Bộ điều khiển công suất điều khiển công suất tiêu thụ của bóng đèn theo tín hiệu điều khiển từ PLC.

4.3. Thuật Toán Điều Khiển Tiết Kiệm Năng Lượng Cho Đèn Đường

Thuật toán điều khiển tiết kiệm năng lượng cho đèn đường dựa trên việc điều chỉnh độ sáng theo thời gian thực và theo điều kiện thời tiết. Vào ban đêm khi lưu lượng giao thông giảm, độ sáng đèn đường sẽ được giảm xuống để tiết kiệm năng lượng. Khi trời mưa hoặc sương mù, độ sáng đèn đường sẽ được tăng lên để đảm bảo an toàn giao thông. Thuật toán cũng có thể tích hợp các tính năng bảo vệ thiết bị, chẳng hạn như tự động ngắt mạch khi có sự cố.

V. Ứng Dụng Thực Tế và Kết Quả Nghiên Cứu Tủ Điều Khiển

Mô hình thực nghiệm hệ thống điều khiển chiếu sáng đèn đường được xây dựng để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán và đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng. Kết quả thực nghiệm cho thấy tủ điều khiển có khả năng chiết giảm và ổn định điện áp đặt lên bóng đèn, giúp tiết kiệm điện năng đáng kể so với hệ thống chiếu sáng thông thường. Việc lắp đặt thử nghiệm mô hình thí điểm tại một vài tuyến đường tại Thành phố Sơn La được đề xuất để đánh giá hiệu quả thực tế.

5.1. Thiết Kế Mạch Động Lực Bộ Biến Đổi AC AC Cho Đèn Đường

Mạch động lực bộ biến đổi AC/AC được thiết kế để điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn. Mạch bao gồm các linh kiện bán dẫn, chẳng hạn như triac hoặc thyristor, và các linh kiện bảo vệ. Mạch được thiết kế để đảm bảo hiệu suất cao và độ tin cậy cao. Mạch cũng được thiết kế để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn điện.

5.2. Xây Dựng Phần Mềm Điều Khiển và Giám Sát Hệ Thống

Phần mềm điều khiển và giám sát hệ thống được xây dựng để cho phép người dùng điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng từ xa. Phần mềm cho phép người dùng điều chỉnh độ sáng, theo dõi điện năng tiêu thụ và nhận cảnh báo khi có sự cố. Phần mềm được thiết kế để dễ sử dụng và trực quan.

5.3. Đánh Giá Hiệu Quả Tiết Kiệm Năng Lượng Thực Tế

Hiệu quả tiết kiệm năng lượng thực tế của tủ điều khiển được đánh giá bằng cách so sánh điện năng tiêu thụ của hệ thống chiếu sáng có tủ điều khiển và hệ thống chiếu sáng thông thường. Kết quả cho thấy tủ điều khiển có khả năng tiết kiệm điện năng đáng kể, đặc biệt là vào ban đêm khi lưu lượng giao thông giảm. Hiệu quả tiết kiệm năng lượng có thể đạt được từ 20% đến 50%, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tủ Điện Chiếu Sáng

Việc thiết kế và ứng dụng tủ điều khiển đèn đường tiết kiệm năng lượng là một giải pháp hiệu quả để giảm chi phí vận hành và bảo vệ môi trường. Các nghiên cứu và thực nghiệm đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của giải pháp này. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của tủ điều khiển, đồng thời tích hợp các tính năng thông minh hơn để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Đạt Được Trong Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã đạt được các kết quả sau: đánh giá được thực trạng của hệ thống chiếu sáng đèn đường hiện nay, phân tích ưu nhược điểm của các loại đèn đường đang sử dụng, xây dựng được thuật toán điều khiển tối ưu cho đèn đường, kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô hình thực nghiệm và đề xuất lắp đặt thử nghiệm mô hình thí điểm tại một vài tuyến đường.

6.2. Đề Xuất Các Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Chiếu Sáng

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tích hợp các công nghệ mới, chẳng hạn như IoT (Internet of Things) và trí tuệ nhân tạo (AI), để tạo ra các hệ thống chiếu sáng thông minh hơn. Các hệ thống này có thể tự động điều chỉnh độ sáng theo thời gian thực, dự đoán nhu cầu chiếu sáng và phát hiện các sự cố một cách nhanh chóng. Ngoài ra, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các loại đèn LED mới có hiệu suất cao hơn và tuổi thọ dài hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính, điện năng chiếu sáng chiếm khoảng 17% tổng tiêu thụ điện năng trên toàn cầu, trong đó hệ thống chiếu sáng đèn đường đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông và mỹ quan đô thị. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các hệ thống chiếu sáng đèn đường hiện nay, đặc biệt là sử dụng bóng đèn Halogen cao áp, còn tồn tại nhiều hạn chế như tiêu thụ điện năng lớn, vận hành chưa hiệu quả và tuổi thọ bóng đèn bị giảm do quá áp lưới điện. Vấn đề này trở nên cấp thiết khi lưu lượng giao thông về đêm giảm mạnh nhưng hệ thống vẫn duy trì công suất chiếu sáng cao, gây lãng phí điện năng và tăng chi phí vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen, nhằm giảm tiêu thụ điện năng, ổn định điện áp đặt lên bóng đèn, kéo dài tuổi thọ thiết bị và đảm bảo chất lượng chiếu sáng phù hợp với lưu lượng giao thông thực tế. Nghiên cứu tập trung vào xây dựng mô hình điều khiển tự động dựa trên bộ điều khiển PID tích hợp trong PLC S7-1200, áp dụng các thuật toán điều chỉnh công suất chiếu sáng theo thời gian và điều kiện môi trường.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế, xây dựng mô hình lý thuyết và mô hình thực nghiệm tủ điều khiển tại Việt Nam, với đề xuất lắp đặt thử nghiệm tại một số tuyến đường tại Thành phố Sơn La. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua khả năng tiết kiệm đến 50% điện năng tiêu thụ trong thời gian lưu lượng giao thông thấp, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành và giảm chi phí bảo trì hệ thống chiếu sáng công cộng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển kinh điển PID và công nghệ tự động hóa PLC S7-1200. Bộ điều khiển PID gồm ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), giúp điều chỉnh sai số đầu ra của hệ thống về 0, giảm thời gian xác lập và hạn chế dao động. Phương pháp Zeigler-Nichols được sử dụng để xác định tham số Kp, Ti, Td nhằm tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.

PLC S7-1200 của Siemens được chọn làm nền tảng điều khiển nhờ tính linh hoạt, khả năng mở rộng, tích hợp giao tiếp Ethernet và hỗ trợ 16 bộ điều khiển PID. PLC này có cấu trúc phần cứng gồm CPU, bộ nhớ, bộ nguồn và các module mở rộng tín hiệu vào/ra, phù hợp cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp nhỏ và vừa.

Ba khái niệm chính trong nghiên cứu là:

• Điều khiển PID: Thuật toán điều khiển tự động giúp ổn định và tối ưu hóa công suất chiếu sáng.
• Bộ biến đổi AC/AC: Thiết bị điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn thông qua các linh kiện bán dẫn công suất.
• Mạng truyền thông không dây WiFi: Hỗ trợ vận hành và giám sát tủ điều khiển từ xa, tăng tính tiện lợi và hiệu quả quản lý.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm tài liệu lý thuyết về đèn cao áp, bộ điều khiển PID, PLC S7-1200 và các nghiên cứu ứng dụng điều khiển chiếu sáng tiết kiệm năng lượng. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình điều khiển PID được cài đặt trên PLC S7-1200, với tham số điều chỉnh theo phương pháp Zeigler-Nichols. Mô hình thực nghiệm được xây dựng với bộ biến đổi AC/AC điều chỉnh điện áp đầu ra, kết nối với hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm một mô hình tủ điều khiển và hệ thống đèn đường tại phòng thí nghiệm, với các phép đo công suất tiêu thụ, điện áp và cường độ ánh sáng được ghi nhận trong các chế độ vận hành khác nhau. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, từ thiết kế, lập trình, xây dựng mô hình đến thử nghiệm và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tiết kiệm năng lượng hiệu quả: Mô hình tủ điều khiển tiết kiệm điện cho phép chiết giảm công suất tiêu thụ từ 50% đến 60% trong khoảng thời gian lưu lượng giao thông thấp (22h30 đến 5h30 sáng), so với vận hành ở công suất định mức 100%. Ví dụ, trong thực tế, công suất tiêu thụ giảm từ 1000W xuống còn khoảng 400-500W mà vẫn đảm bảo ánh sáng đủ dùng.

2. Ổn định điện áp và bảo vệ thiết bị: Hệ thống điều khiển tự động ổn định điện áp đặt lên bóng đèn ở mức khoảng 220V, tránh hiện tượng quá áp lưới thường xuyên xảy ra (điện áp lưới có thể lên đến 240V), giúp tăng tuổi thọ bóng đèn Halogen lên đáng kể, giảm thiểu hư hỏng do quá điện áp.

3. Đa dạng chế độ vận hành: Tủ điều khiển có ba chế độ làm việc chính: chế độ tiêu chuẩn, chế độ cắt xen pha và chế độ hỗn hợp. Chế độ hỗn hợp kết hợp chiết giảm công suất và cắt xen pha cho hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao hơn, tuy nhiên chỉ phù hợp với các tuyến đường có lưu lượng giao thông rất thấp.

4. Khả năng điều khiển từ xa và giám sát: Hệ thống cho phép vận hành và cài đặt tham số qua mạng WiFi hoặc giao diện HMI tại chỗ, giúp nâng cao tính tiện dụng và giảm chi phí nhân công vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả tiết kiệm năng lượng là việc sử dụng bộ điều khiển PID trong PLC S7-1200 để điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn theo thời gian thực, phù hợp với lưu lượng giao thông và điều kiện môi trường. So với các giải pháp truyền thống như tắt xen kẽ bóng đèn hoặc sử dụng máy biến áp tự ngẫu, giải pháp này vừa tiết kiệm điện năng đến 50%, vừa đảm bảo ánh sáng đồng đều, an toàn giao thông và mỹ quan đô thị.

Kết quả thực nghiệm được trình bày qua biểu đồ công suất tiêu thụ theo thời gian, cho thấy sự giảm rõ rệt trong giờ thấp điểm mà không làm giảm chất lượng chiếu sáng. Bảng so sánh tuổi thọ bóng đèn trước và sau khi áp dụng tủ điều khiển cũng minh chứng cho hiệu quả bảo vệ thiết bị.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng công nghệ GSM hay năng lượng mặt trời, giải pháp này tận dụng hạ tầng hiện có, giảm chi phí đầu tư ban đầu và dễ dàng triển khai thực tế. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cho tủ điều khiển cao hơn so với giải pháp tắt xen kẽ pha, nhưng bù lại mang lại lợi ích lâu dài về tiết kiệm năng lượng và bảo trì.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai lắp đặt thí điểm tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng tại các tuyến đường đô thị: Ưu tiên các tuyến có lưu lượng giao thông giảm mạnh về đêm, nhằm tiết kiệm ít nhất 50% điện năng tiêu thụ trong vòng 6 tháng đầu tiên. Chủ thể thực hiện: Sở Giao thông Vận tải phối hợp với Công ty Điện lực địa phương.

2. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về lập trình PLC S7-1200, vận hành bộ điều khiển PID và giám sát hệ thống qua HMI và mạng WiFi trong vòng 3 tháng. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp và các đơn vị liên quan.

3. Nâng cấp hệ thống giám sát và điều khiển từ xa: Mở rộng phạm vi điều khiển qua mạng không dây, tích hợp cảnh báo sự cố như quá dòng, quá áp, cháy bóng đèn để giảm thiểu thời gian xử lý sự cố. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Các nhà cung cấp thiết bị tự động hóa và đơn vị quản lý hệ thống chiếu sáng.

4. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển các giải pháp điều khiển thông minh hơn: Áp dụng các thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy logic) hoặc mạng nơ-ron nhân tạo để tối ưu hóa hơn nữa hiệu quả tiết kiệm năng lượng và chất lượng chiếu sáng. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cán bộ kỹ thuật ngành Điện lực và Giao thông vận tải: Nắm bắt công nghệ điều khiển chiếu sáng tiết kiệm năng lượng, áp dụng vào quản lý và vận hành hệ thống chiếu sáng công cộng, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả.

2. Giảng viên và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện, Tự động hóa: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy và nghiên cứu, đặc biệt về ứng dụng PLC và thuật toán PID trong điều khiển công nghiệp.

3. Các nhà quản lý đô thị và quy hoạch hạ tầng: Hiểu rõ các giải pháp tiết kiệm năng lượng chiếu sáng, từ đó xây dựng chính sách và kế hoạch đầu tư phù hợp, góp phần phát triển đô thị bền vững.

4. Doanh nghiệp sản xuất và cung cấp thiết bị tự động hóa: Tham khảo để phát triển sản phẩm tủ điều khiển chiếu sáng thông minh, đáp ứng nhu cầu thị trường và nâng cao giá trị cạnh tranh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng hoạt động như thế nào?
   Tủ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID tích hợp trong PLC S7-1200 để tự động điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn Halogen theo thời gian thực, dựa trên lưu lượng giao thông và điều kiện môi trường, giúp giảm công suất tiêu thụ mà vẫn đảm bảo ánh sáng cần thiết.

2. Giải pháp này có thể tiết kiệm bao nhiêu điện năng?
   Thực nghiệm cho thấy có thể tiết kiệm từ 50% đến 60% điện năng trong khoảng thời gian lưu lượng giao thông thấp, đặc biệt từ 22h30 đến 5h30 sáng, so với vận hành ở công suất định mức.

3. Tủ điều khiển có thể vận hành từ xa không?
   Có, hệ thống hỗ trợ vận hành và cài đặt tham số từ xa qua mạng WiFi hoặc giao diện HMI tại chỗ, giúp dễ dàng giám sát và điều chỉnh mà không cần đến trực tiếp tủ điều khiển.

4. Giải pháp này có phù hợp với các loại đèn khác ngoài Halogen không?
   Mô hình và thuật toán điều khiển có thể được điều chỉnh để áp dụng cho các loại đèn cao áp khác như Metal Halide, Sodium hoặc LED, tuy nhiên cần hiệu chỉnh tham số PID và thiết kế phần cứng phù hợp.

5. Chi phí đầu tư ban đầu có cao không?
   Chi phí đầu tư ban đầu cho tủ điều khiển cao hơn so với giải pháp tắt xen kẽ bóng đèn, nhưng bù lại mang lại lợi ích lâu dài về tiết kiệm điện năng, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ thiết bị, giúp tiết kiệm tổng chi phí vận hành.

Kết luận

• Đã thiết kế thành công tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen, sử dụng bộ điều khiển PID trong PLC S7-1200.
• Mô hình thực nghiệm chứng minh khả năng tiết kiệm điện năng từ 50% đến 60% trong giờ thấp điểm, đồng thời ổn định điện áp và bảo vệ tuổi thọ bóng đèn.
• Hệ thống hỗ trợ đa chế độ vận hành và điều khiển từ xa qua mạng WiFi, nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành.
• Đề xuất triển khai thí điểm tại các tuyến đường đô thị và đào tạo cán bộ kỹ thuật để nhân rộng ứng dụng.
• Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục phát triển các thuật toán điều khiển thông minh hơn nhằm tối ưu hóa hiệu quả tiết kiệm năng lượng trong tương lai.

Hành động tiếp theo là tiến hành lắp đặt thử nghiệm mô hình tại các tuyến đường trọng điểm, đồng thời tổ chức đào tạo vận hành cho cán bộ kỹ thuật để đảm bảo hiệu quả ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG 1. Tổng quan về các loại đèn đường 1. Cấu tạo Đèn đường sử dụng hiện nay là loại đèn cao áp. Đèn cao áp trên thị trường là những loại đèn được lắp đặt những nơi cần không gian chiếu sáng lớn, có công suất lớn để mang đến hiệu suất chiếu sáng hiệu quả.

Các bộ phận của đèn cao áp Đèn cao áp là loại đèn có cấu tạo và chức năng như sau: Ballast: Bộ hiệu chỉnh để điều chỉnh dòng điện phù hợp với những công suất bóng đèn khác nhau. Tụ điện: giữa 2 bản cực đặt song song là lớp điện môi được dùng để cách điện. Chức năng của tụ điện là giúp bóng đèn ổn định độ sáng. Tụ điện được chia thành Tụ hóa, Tụ gốm và Tụ giấy vì chất liệu làm tụ là giấy, mica, gốm tẩm hóa chất để tạo thành điện môi.

Chấn lưu: tạo ra suất điện động tự cảm trong quá trình khởi động. Đây là một cuộn dây khi kết hợp với U nguồn sẽ tạo ra điện áp Ukđ = 400v, điện áp này sẽ tạo ra điện giữa 2 cực đen. Tuy nhiên, điện áp còn tại 2 đầu bóng chỉ khoảng 40V, số còn lại rơi trên chấn lưu trong chế độ xác lập. Các loại đèn cao áp Hiện nay, thị trường có 4 loại đèn cao áp được sử dụng là đèn cao áp Metal Halide, đèn cao áp Sodium, đèn cao áp thủy ngân và đèn LED cao áp: 4 c Đèn thủy ngân là loại đèn cao áp được sử dụng đầu tiên, tuy nhiên, đèn có tuổi thọ thấp, sử dụng nguồn điện có hiệu điện thế lớn lên đến vài trăm vôn.

Quan trọng nhất là, đèn thủy ngân chứa thủy ngân cực kỳ có hại cho môi trường và sức khỏe con người. Đèn cao áp Metal Halide có bóng thẳng và bóng bầu với ánh sáng trắng, độ chiếu sáng cao và rộng hơn. Tiết kiệm nhiều hơn nhờ sử dụng công suất nhỏ, không chứa thủy ngân. Đèn cao áp Sodium phát ra ánh sáng vàng, cùng có dạng bóng bầu và bóng thẳng.

Tuổi thọ của loại bóng này lên đến 20,000 giờ. Đèn có chất lượng chiếu sáng tốt. Đèn led cao áp được sử dụng tương đối rộng rãi để chiếu sáng nhờ kiểu dáng đa dạng, tính năng phong phú, siêu tiết kiệm điện và có tuổi thọ cao. Đèn led được cấu tạo từ 5 bộ phận chính là bóng đèn, thân đèn, mạch đèn, tản nhiệt, bộ nguồn và chip đèn.

Tuy nhiên giá thành của đèn LED lại rất cao. Các loại đèn cao áp hiện nay a. Đèn cao áp thủy ngân b. Đèn cao áp Metal Halide c.

Đèn cao áp Sodium d. Đèn led cao áp Hiện nay, đèn cao áp thủy ngân ít được sử dụng hơn đèn cao áp Metal Halide, đèn cao áp Sodium, đèn led cao áp. Những loại đèn cao áp này được sử dụng rộng rãi hơn và thay thế dần cho đèn cao áp thủy ngân nhờ công nghệ mới, giúp tăng lợi ích kinh tế, tuổi thọ cao, hạn chế sử dụng điện và bảo vệ môi trường. Công suất đèn thủy ngân: 130W - 1000W 5 c Công suất đèn Sodium: 70W - 1000W Công suất đèn Metal: 70W - 2000W Công suất đèn led cao áp: 70W - 1000W 1.

Nguyên lý hoạt động đèn cao áp Nguyên lý hoạt động của những loại đèn cao áp này khá tương tự nhau Đèn cao áp Metal Halide: hoạt động theo nguyên lý của phản ứng hỗn hợp muối Indium - Thadium - Natri. Phản ứng này tạo thành những dải sóng 3 màu. Đèn cao áp Sodium: hoạt động tương tự như đèn cao áp Metal Halide theo nguyên lý 3 hỗn hợp muối tạo thành sóng 3 màu. Đèn cao áp thủy ngân: phát sáng được nhờ thủy ngân và khí trơ chứa trong ống thạch anh.

Hơi thủy ngân được tạo ra từ đây sẽ phát sáng khi gặp dòng điện với hiệu điện thế lớn. Đèn led cao áp: đèn led hoạt động giống như các loại đèn diot bán dẫn khác. Khối bán dẫn này có 2 loại tiếp giáp n và p. Trên khối bán dẫn có các lỗ trống tự do có điện tích dương, khối bán dẫn chứa điện tử tự do bị hút và tiến đến gần nhau, sau đó kết hợp với nhau để tạo thành các nguyên tử trung hòa.

Cuối cùng là giải phóng năng lượng thành ánh sáng, chiếu ra bên ngoài theo hướng đi đã được định sẵn thông qua các lớp bảo vệ. Sơ đồ nối dây đèn cao áp 6 c 1. Ứng dụng đèn cao áp Đèn cao áp được sử dụng và áp dụng vô cùng đa dạng trong cuộc sống. Tùy thuộc vào công suất của đèn mà sử dụng cho những nhu cầu chiếu sáng khác nhau.

Đèn công suất lớn được dùng chiếu sáng cho địa điểm cần ánh sáng lớn và mạnh như nhà máy, đường phố, công viên, sân vận động, rạp hát, siêu thị. Đèn công suất vừa và nhỏ được sử dụng trong nhà, thay thế cho các loại đèn compact chiếu sáng gia đình. Ứng dụng đèn cao áp trong chiếu sáng đèn đường 1. Tiêu chuẩn lựa chọn bóng đèn cao áp 1.

Khả năng điều chỉnh độ sáng Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà điều chỉnh độ sáng tại những khu vực khác nhau. Đây là yếu tố cần được lưu ý khi lựa chọn bóng đèn cao áp.2 Thông số bóng đèn Chỉ số điện năng tiêu thụ trong một giờ càng lớn thì càng tốn điện, nên lựa chọn những loại đèn sử dụng điện năng tiêu thụ thấp. Tiết kiệm tối đa điện năng tiêu thụ. Chỉ số hiệu suất phát sáng Lumen, chỉ số này càng cao thì đèn phát sáng càng mạnh.

Vị trí lắp đặt Thẩm mỹ là yếu tố được quan tâm hàng đầu. Nên lựa chọn bóng đèn màu gì, kích thước như thế nào, lắp đặt ra sao cho thích hợp với từng khu vực và từng nhu cầu 7 c chiếu sáng là điều khá quan trọng. Nên tham khảo đầy đủ các thông tin về vị trí và tính năng sử dụng của từng loại bóng để chọn lựa cho phù hợp với từng không gian. Tuổi thọ đèn cao áp Tuổi thọ trung bình của đèn thủy ngân cao áp là 10,000 - 24,000 giờ chiếu sáng Tuổi thọ của đèn led cao phải 7 - 8 năm mới cần bảo dưỡng với 35,000 - 50,000 giờ chiếu sáng.

Tuổi thọ đèn Sodium là 20,000 giờ Tuổi thọ trung bình của đèn Metal Halide là 6,000 - 15,000 giờ 1. Ưu nhược điểm của đèn cao áp 1. Ưu điểm Đèn Metal Halide và led cao áp mang đến hiệu quả chiếu sáng lớn Đèn led không chứa các tia UV, tia tử ngoại, tia cực tím nên thân thiện với con người và môi trường Đèn led chiếu sáng Metal giúp không gian được chiếu sáng tốt, mang đến nguồn sáng cực lớn, thích hợp với những khu vực công cộng cần sự chiếu sáng tập trung 1.2 Nhược điểm Chi phí cho đèn led cao áp khá lớn, thường là được nhập khẩu mà không được sản xuất trực tiếp. Tuy nhiên, thị trường cũng có khá nhiều loại đèn được nhập khẩu rẻ tiền với giá thấp khiến khách hàng không biết nên lựa chọn như thế nào.

Tuổi thọ của các loại đèn cao áp Metal và Sodium khá thấp, chất lượng chiếu sáng cũng không tốt như lúc ban đầu 1. Các tính năng của đèn cao áp Phù hợp với nhiều công trình chiếu sáng, nhiều lĩnh vực chiếu sáng khác nhau Đảm bảo khả năng chiếu sáng, không gây ảnh hưởng hoạt động sinh hoạt Tiết kiệm điện năng và tiết kiệm chi phí chiếu sáng cho không gian chiếu sáng diện rộng Thân thiện tối đa với môi trường, đảo bảo an toàn cho sức khỏe con người, không gây độc hại 8 c Có nhiều sự lựa chọn để đưa ra chọn lựa hợp lý nhất Chóa đèn, nắp và thân đèn được làm từ chất liệu nhôm đúc áp lực cao không hấp thụ ánh sáng mà còn có khả năng phản tốt. Chống oxy hóa hay rỉ sét dưới tác động của môi trường Đèn được thiết kế đơn giản, thuận lợi cho việc lắp đặt 1. Một số giải pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng đèn đường Những năm gần đây, ở Việt Nam, nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị chiếu sáng cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng như: sử dụng công nghệ đèn chiếu sáng hiệu suất cao (đèn huỳnh quang T5, T8; đèn huỳnh quang compact; đèn LED; đèn OLED; đèn hơi natri áp xuất thấp hoặc cao; đèn hơi halogen kim loại; đèn không điện cực LVD); nâng cao hiệu suất các thiết bị trong bộ đèn (choá đèn, chấn lưu).

Ngoài việc áp dụng công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao để tiết kiệm điện năng, thì một vấn đề rất được quan tâm là sử dụng hợp lý công suất chiếu sáng cho phù hợp với nhu cầu chiếu sáng. Đặc biệt là đối với chiếu sáng ở các nơi công cộng, do vào ban đêm khi mật độ giao thông rất thấp, việc duy trì 100% công suất chiếu sáng là không cần thiết. Vì vậy, việc triết giảm công suất chiếu sáng trong thời gian này là yêu cầu bắt buộc đối với chiếu sáng công cộng hiện đại. Để giải quyết vấn đề nêu trên một số các giải pháp cơ bản có thể áp dụng như: Giải pháp 1: Tắt luân pha các bóng đèn vào ban đêm, cắt giảm năng lượng chiếu sáng bằng biện pháp tắt luân pha đến 50% số bóng đèn khi vận hành vào ban đêm, lưu lượng giao thông thấp.

Giải pháp này đã tiết kiệm đến 50% điện chiếu sáng, tuy nhiên vẫn tồn tại một số nhược điểm như sau: + Số bóng đèn tham gia chiếu sáng vào ban đêm vẫn không tránh khỏi hiện tượng quá điện áp nguồn nên giảm tuổi thọ đáng kể; + Ánh sáng trên các tuyến đường không đồng đều, vùng tối, vùng sáng bởi việc tắt luân pha các bóng đèn gây ra, ảnh hưởng đến an toàn giao thông và mỹ quan đô thị. 9 c Giải pháp 2: Sử dụng chấn lưu hai mức công suất hoặc sử dụng chấn lưu phụ mắc thêm cho chấn lưu thường để tạo thành tổ hợp chấn lưu hai mức công xuất để giảm công suất tiêu thụ của đèn vào ban đêm khi nhu cầu chiếu sáng giảm bớt. Giải pháp này áp dụng trong thiết kế mới các dự án đèn đường và phải đảm bảo chất lượng điện áp ổn định. Ưu điểm thiết bị gọn, tổn hao thấp.

Nhược điểm là giá thành thiết bị cao, không điều chỉnh được mức tiết kiệm do đã được lập trình sẵn, chi phí sửa chữa thay thế cao. Giải pháp 3: Dùng 2 bóng công suất nhỏ trên 1 cột. Đây là giải pháp đơn giản hiệu quả tiết kiệm cao, tuy nhiên chi phí đầu tư cao. Giải pháp 4: Thay thế các bóng đang có sang bóng LED.

Giải pháp này có ưu điểm tiết kiệm điện, tuổi thọ bóng LED cao.