chương 1, hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng dùng trong bóng tuýp vẫn còn những hạn chế sau: - Chưa đưa ra được giải pháp điều chỉnh độ sáng dùng trong thiết bị đèn phóng điện và đèn LED. - Sử dụng biến áp tự ngẫu kích thước, khối lượng lớn, gây khó khăn trong việc lắp đặt, thi công Phần tiếp theo sẽ nghiên cứu, phân tích và đưa ra giải pháp khắc phục những nhược điểm trên. Trên thế giới, để điều chỉnh công suất cho các hệ thống chiếu sáng, có rất nhiều phương pháp đã được thực hiện, ví dụ như sử dụng chấn lưu điện tử để giảm độ sáng của đèn phóng điện [41], sử dụng TRIAC điều khiển các đối tượng đèn phóng điện [42], nghiên cứu các mạch điều khiển khác nhau điều khiển đèn LED [43] [44],… Hướng nghiên cứu của luận án là đưa ra nghiên cứu phân tích cấu tạo, đặc tính của các nguồn sáng nhân tạo (thiết bị chiếu sáng) thường gặp, sau đó phân tích một phương án đã được thực hiện trong nghiên cứu, đó là phương án điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước. Phương án điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước thường hay được lựa chọn trong việc điều chỉnh mức năng lượng cho bóng đèn, tuy nhiên thường làm ảnh hưởng tới tuổi thọ của bóng.
Nghiên cứu sẽ phân tích và chỉ rõ hạn chế này dựa trên các mô hình đặc tính điện của từng loại tải đèn, từ đó lựa chọn một phương pháp mới để điều chỉnh điện áp đó là dựa trên cắt biên sau.1 Mô hình, đặc tính của các đối tượng đèn 2.1 Đèn LED 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. Điều đó có nghĩa là chúng có thể tạo ra ánh sáng như một bóng đèn sợi đốt chỉ với một phần năng lượng rất ít so với năng lường dùng cho bóng đèn sợi đốt. Đèn LED là công nghệ sạch nhất trong tất cả các hình thức chiếu sáng hiện nay. Nó không chứa thủy ngân gây hại cho môi trường giống như bóng đèn huỳnh quang.
Tuổi thọ lâu hơn (khoảng 10-20 năm) và do đó việc xử lý chúng ít được quan tâm hơn [33] [51]. Hầu hết các bóng đèn huỳnh quang có tuổi thọ không kéo dài hơn 3-4 năm (10000-15000 giờ sử dụng), trong khi đó đèn LED có tuổi thọ cao hơn từ 2 đến 3 lần (lên đến 25000-50000 giờ sử dụng) [33]. 22 Bộ điều khiển LED cung cấp dòng điện được điều chỉnh hoặc điều khiển cho đèn LED để giữ độ sáng ổn định hoặc hoặc tăng/giảm độ sáng, không phụ thuộc vào sự thay đổi điện áp nguồn và sự thay đổi nhiệt độ. Bộ nguồn chuyển mạch (Switch mode power supply - SMPS) - bộ điều khiển LED sử dụng xung PWM với tần số hàng trăm kHz được sử dụng rộng rãi do kích thước bộ lọc nhỏ gọn và đặc tính méo hài tổng (Total Harmonic Distortion - THD) thấp.
Tuy nhiên, bộ điều khiển LED loại SMPS bị suy hao chuyển mạch lớn và tuổi thọ ngắn hơn LED do nhiệt độ tiếp giáp cao của các chuyển mạch [43] [52]. Thay vào đó, bộ điều khiển LED loại thụ động được ưa thích hơn do hiệu suất rất cao và tuổi thọ lớn [44]. Tuy nhiên, nhược điểm cố hữu của các bộ điều khiển LED loại thụ động là không có khả năng điều chỉnh dòng điện và kích thước bộ lọc tương đối lớn. Ví dụ mô hình thiết kế bộ nguồn chuyển mạch - SMPS được đưa ra ở 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 phi tuyến, do cấu trúc phức tạp của bộ điều khiển LED.2 Đèn phóng điện Như tên gọi, các bóng đèn này 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. Có đến 30% năng lượng điện tiêu thụ được chuyển thành ánh sáng, do đó dùng đèn phóng điện tiết kiệm điện hơn rất nhiều so với bóng đèn sợi đốt, ít bị nóng lên vô ích.[25] Sơ đồ đơn giản của bóng đèn phóng điện với chấn lưu được thể hiện trong hình 2. Đèn phóng điện, có đặc tính điện trở âm [53].
Do đặc tính điện trở âm này, đèn phóng điện sẽ tạo ra dòng điện quá mức có thể gây phá hủy đèn tức thì nếu hoạt động trực tiếp 23 từ điện áp đường dây [54] Chấn lưu được mắc nối tiếp để cung cấp điện áp khởi động và hoạt động thích hợp và sau đó hạn chế dòng điện để bắt đầu và duy trì phóng điện hồ quang giữa hai điện cực của bóng đèn. Có hai loại chấn lưu thường được sử dụng; chấn lưu điện từ và chấn lưu điện tử. Mặc dù chấn lưu điện tử đang có nhu cầu lớn hiện nay nhưng chấn lưu điện từ vẫn được sử dụng phổ biến nhất do giá thành rẻ và thiết kế đơn giản.2: Sơ đồ bóng đèn phóng điện.3 chỉ ra sơ đồ bóng đèn phóng điện sử dụng chấn lưu điện tử Hình 2.3: Sơ đồ bóng đèn phóng điện sử dụng chấn lưu điện tử. Chấn lưu thường có các loại như chấn lưu cảm ứng-điện trở (RL), cảm ứng-điện dung (LC) và chấn lưu từ (L), trong đó chấn lưu điện từ được sử dụng rộng rãi hơn cả.
Chấn lưu điện từ lấy dòng điện phản kháng từ nguồn cung cấp.2 cho thấy sơ đồ mạch điện của một đèn phóng điện với chấn lưu điện từ. Để nâng cao hệ số công suất, người ta mắc song song một tụ điện với nguồn. Giả sử rằng điện áp đầu vào (Vin) là hình sin, nó có thể được tính như sau: 24 Vin (t)=Vin sin (ωt+φ) (2.1) Trong đó Vin biểu thị biên độ của sóng sin, φ là độ lệch pha giữa điện áp đèn (Va) so với điện áp đầu vào (Vin), ω là tần số góc dòng điện. Theo Lee, Seong và Nayar, Chemmangot [53], điện áp trên đèn phóng điện (Va) có thể được coi là một sóng vuông 4Va 1 Va (t)= ∑n=odd sin n ωt (2.2) π n Trong đó Va biểu diễn biên độ của sóng vuông.
Mặc dù điện áp của đèn có thể được tính gần đúng như một hình sóng vuông, Va gần như không đổi trong mỗi nửa chu kỳ, có thể được đơn giản hóa thành một giá trị không đổi. Ngược lại với dòng điện của bóng đèn, Va có thể được coi là không phụ thuộc vào các biến đổi điện áp đầu vào [54]. Do đó điện áp rơi trên chấn lưu có thể được tính như sau: dia VL =L = vin (t)-va (t) (2.3) dt Bằng cách tích phân phương trình, i(t) có thể được tính như sau: Va π Vin Ia (t)= ( -ωt) - cos(ωt+γ) (2.4) ωL 2 ωL Trong những nghiên cứu để đưa ra mô hình đặc tính cho đèn phóng điện, một số tác giả như M. Chang [55] , đã sử dụng điện trở cố định để biểu diễn bóng đèn phóng điện khi mô phỏng mạch chấn lưu.
Cách tiếp cận này chỉ có hiệu lực đối với một điểm hoạt động vì trong phạm vi hoạt động bình thường, điện trở hiệu dụng của bóng đèn phóng điện giảm khi tăng dòng điện của bóng đèn. Một cải tiến so với mô hình điện trở cố định là xây dựng hàm điện trở của đèn trở thành một hàm công suất trung bình. Một mô hình khác có thể sử dụng để xây dựng hàm điện trở là mô hình điện trở thay đổi, trong đó điện áp hiệu dụng của bóng đèn là hàm của dòng điện hiệu dụng, thay vì sử dụng hàm công suất trung bình. Quá trình tính trung bình liên quan đến việc tính toán giá trị của công suất đèn trung bình, hoặc dòng điện hiệu dụng của bóng đèn trong các mô hình điện trở thay đổi khiến cho điện trở của bóng đèn không thay đổi đột ngột trong nửa chu kỳ của dòng điện tần số cao.
Do đó, các đặc tính i-v tần số cao của các mô hình như vậy về cơ bản là tuyến tính. Mặc dù các mô hình điện trở biến đổi tuyến tính rất hữu ích, chúng không thể dự đoán chính xác hệ số công suất của bóng đèn và hệ số dòng điện đỉnh của bóng đèn vì các đặc tính i-v động tức thời của đèn phóng điện và đèn cao áp natri là phi tuyến. Mô hình đầu tiên trình bày đặc tuyến i-v phi tuyến của một bóng đèn phóng điện hoạt động ở tần số cao được phát triển bởi Tokic, Amir và cộng sự [56]. Trong mô hình này, 25 điện áp đèn là một hàm khối của dòng đèn.
Nghiên cứu của Tokic, Amir và cộng sự sử dụng phép nội suy đường khối để nội suy dữ liệu độ dẫn đo được và sau đó thu được một tập hợp các đa thức khối vuông để mô tả độ dẫn động của bóng đèn phóng điện. Bằng cách so sánh các kết quả đo và mô phỏng, nghiên cứu của Mader và Horn cho thấy rằng mô hình đề xuất là chính xác cho việc đánh giá các sóng hài của đèn phóng điện. Một nghiên cứu khác của Cepisca, Costin & Florin, Argatu & Grigorescu, Sorin & Seritan, George & M, Covrig [57] đề xuất phương pháp nội suy đường khối để mô hình hóa các đặc tính v-i của đèn phóng điện và đèn natri cao áp. Phương pháp nội suy đường khối là một cách tiếp cận mô hình chính xác và hiệu quả để xác định các thành phần sóng hài của bóng đèn và có thể được áp dụng để mô hình hóa các tải phóng hồ quang tương tự khác.
Kết luận lại, mô hình đèn phóng điện có thể được mô tả bằng một hàm điện trở động, trong đó đặc tính i-v để tính toán giá trị điện trở động có thể được tính bằng phương án nội suy đường khối. Tải đèn phóng điện là tải phi tuyến nếu xét hoạt động ở tần số cao, còn với tần số thấp, tải đèn phóng điện là tải thuần cảm.3 Kết luận về mô hình đặc tính của các loại đèn Tổng hợp lại, đèn LED là tải phi tuyến, trong khi đó đèn phóng điện là tải phi tuyến nếu xét hoạt động ở tần số cao, còn với tần số thấp, đèn phóng điện là tải thuần cảm. Khi nghiên cứu cải tiến phương pháp điều khiển cần chú ý tới những yếu tố này, đặc biệt là với tải phi tuyến.