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.