(Luận văn thạc sĩ) thiết kế và lắp đặt mạch điều khiển độ sáng của đèn chiếu sáng công cộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU  ĐỀ TÀI KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘ SÁNG CỦA ĐÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG Chủ nhiệm đề tài: Huỳnh Thanh Nam Phạm Quốc Thái Hướng dẫn khoa học: ThS Phan Thanh Hoàng Anh Bà Rịa - Vũng Tàu 6/2015 Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT TRƯỜNG ĐH BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc o0o - NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Họ tên sinh viên: Huỳnh Thanh Nam MSSV: 1151010015 Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1993 Nơi sinh: Long An Họ tên sinh viên: Phạm Quốc Thái MSSV: 1151010021 Ngày, tháng, năm sinh: 06/03/1993 Nơi sinh: Bà Rịa Vũng Tàu Chuyên Ngành: Kỹ thuật điện I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế lắp đặt mạch điều khiển độ sáng đèn chiếu sáng công cộng II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động đèn chiếu sáng công cộng (ở nhóm em dùng đèn natri cao áp), từ tìm hiểu nguyên tắc điều khiển đèn mạch điều khiển - Mục tiêu điều khiển độ sáng đèn thông qua cấp công suất điều khiển tự động (bật, tắt) đèn qua cảm biến ánh sáng (quang trở) - Qua tìm hiểu, sinh viên vẽ toàn sơ đồ mạch điều khiển, mô mạch cảm biến án sáng phần mềm proteus, từ tiến hành mua linh kiện cần thiết khâu lại đấu dây chạy thử III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN: 04/04/2015 IV NGÀY HOÀN THÀNH ĐỒ ÁN: V HỌ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS Phan Thanh Hoàng Anh Bà Rịa - Vũng Tàu, Ngày… tháng …năm 2015 SINH VIÊN THỰC HIỆN (Ký ghi rõ họ tên) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) Huỳnh Thanh Nam ThS Phan Thanh Hoàng Anh SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Phạm Quốc Thái Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT PHÒNG NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (Ký ghi rõ họ tên) TRƯỞNG KHOA (Ký ghi rõ họ tên) TS Vũ Văn Đông TS Nguyễn Phan Cường SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT MỞ ĐẦU Trong công đổi đất nước, song song với q trình cơng nghiệp hóa-hiện đại hóa việc xây dựng sở hạ tầng tiến hành Quá trình nâng cấp, xây dựng hệ thống chiếu sáng khu đô thị không nằm kế hoạch Hiện nay, kinh tế nước ta phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân nâng cao cách nhanh chóng Yêu cầu họ lĩnh vực: công nghiệp dịch vụ, du lịch sinh hoạt tăng trưởng khơng ngừng Chính yêu cầu này, đòi hỏi nhà kĩ thuật, mỹ thuật, nhà khoa học phải nghiên cứu, tìm hiểu để tạo sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu họ Thiết kế hệ thống điện chiếu sáng cơng việc làm khó Nó khơng đòi hỏi chiếu sáng đơn mà phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mức độ tiện nghi, đảm bảo khơng bị chói lóa… Ngồi cịn phải đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ có tính kinh tế cao như: tiết kiệm điện năng, chi phí đầu tư nhỏ, cho ánh sáng đẹp, dẩm bảo mỹ quan… Để có thiết kế địi hỏi người thiết kế ngồi kiến thức chun mơn cịn phải có hiểu biết định xã hội, môi trường đối tượng thiết kế Tránh thiết kế sai gây dư thừa lãng phí nguyên vật liệu làm tính thẩm mỹ… SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án này, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy cô khoa điện-điện tử trường đại học Bà Rịa–Vũng Tàu tận tình giúp đỡ chúng em Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy ThS Phan Thanh Hoàng Anh không tiếc thời gian công sức tận tình hướng dẫn, thảo luận dẫn dắt chúng em hồn thành đề tài Chính dẫn q báu thầy Hồng Anh thầy khoa giúp chúng em bước giải vấn đề trình thực đề tài, giúp chúng em kết hơm Do kiến thức kinh nghiệm có hạn, đồng thời thời gian thực hạn chế, nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Do vậy, chúng em mong nhận đóng góp ý kiến q thầy để đề tài hồn chỉnh Cuối cùng, chúng em muốn gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người ln ln bên động viên tinh thần, tiếp thêm động lực để chúng em vượt qua khó khăn học tập sống Chúng em xin chân thành cảm ơn! Vũng tàu, ngày … tháng … năm 2015 Sinh viên thực (Ký ghi rõ họ tên) Huỳnh Thanh Nam Phạm Quốc Thái SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nguồn lượng thực tế Việt Nam có thứ hạng cao giới số tăng trưởng bất chấp tình trạng suy thối kinh tế toàn cầu Tuy nhiên thách thức đặt mức độ tăng trưởng kinh tế diễn mạnh mẽ đồng nghĩa với việc nhu cầu sử dụng lượng tăng nhanh Trung bình năm nhu cầu sử dụng lượng đất nước tăng gấp hai ngành lượng tăng trưởng đáp ứng khoảng 60% yêu cầu Tiết kiệm lượng trở thành nhu cầu cấp thiết Nhucầu tiêu thụ lượng nước ta gia tăng mạnh mẽ, bối cảnh phải phấn đấu vượt qua thách thức to lớn nguy hủy hoại môi trường, nguồn tài nguyên lượng truyền thống (than, dầu khí, thủy điện) ngày khan hiếm, chủ đề “tiết kiệm lượng” có ý nghĩa vô quan trọng Nhận thấy tầm quang trọng việc tiết kiệm lượng nói chung tiết kiệm điện nói riêng, chúng em hướng dẫn thầy ThS Phan Thanh Hoàng Anh, chúng em thiết kế mạch điều khiển độ sáng đèn chiếu sáng cơng cộng Mạch điều khiển điều khiển tự động dựa ánh sáng từ môi trường bên (trời tối đèn tự bật trời sáng đèn tự tắt) đặt để đèn thay đổi sang cấp công suất khác (từ 18h đến 23h đèn sáng 250w, từ 23h đến 6h sáng hôm sau đèn sáng 150w) Tính ưu việt đề tài tính tự động hóa cao, hệ thống điều khiển đơn giản, thuận tiện việc lắp đặt vận hành 1.2 Mục tiêu hướng giải đề tài - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động đèn chiếu sáng cơng cộng (ở nhóm em dùng đèn natri cao áp), từ tìm hiểu ngun tắc điều khiển đèn mạch điều khiển - Mục tiêu điều khiển độ sáng đèn thông qua cấp công suất điều khiển tự động (bật, tắt) đèn qua cảm biến ánh sáng (quang trở) - Qua tìm hiểu, sinh viên vẽ tồn sơ đồ mạch điều khiển, mô mạch cảm biến án sáng phần mềm proteus, từ tiến hành mua linh kiện cần thiết khâu lại đấu dây chạy thử 1.3 Tính tối ưu đề tài - Tạo tính tư cho sinh viên trình nghiên cứu SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT - Tạo tính linh động mở rộng cho sinh viên thiết kế mạch điều khiển đèn chiếu sáng công cộng dựa sở thực tế trình tìm hiểu - Mạch điều khiển đơn giản, tiết kiệm điện SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT CHƯƠNG : MƠ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH 2.1 Giới thiệu phần mềm protues Phần mềm Proteus phần mềm cho phép mô hoạt động mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch viết chương trình điều khiển cho họ vi điều khiển MCS-51, PIC, AVR, … Phần mềm bao gồm chương trình: ISIS cho phép mơ mạch ARES dùng để vẽ mạch in Khởi động chương trình Start > All Program > Proteus Professional > ISIS Professional Cửa sổ chương trình sau khởi động: Hình 2.1: Giao diện phần mềm proteus SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang Báo cáo nghiên cứu khoa học Các thao tác Trường ĐHBRVT * Sử dụng cơng cụ chuẩn: Hình 2.2: Thanh công cụ phần mềm proteus Các thao tác cơng cụ chuẩn thực thơng qua menu File menu Edit * Sử dụng linh kiện SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT Để đưa linh kiện vào vùng thiết kế, ta thực hiên chọn linh kiện nhấn chuột trái vùng làm việc Để thực chọn linh kiện, ta thực nhấn chuột phải linh kiện, chuyển sang màu đỏ cho biết trạng thái chọn Sau chọn linh kiện, ta di chuyển linh kiện cách thực thao tác drag-and-drop (nhấn chuột trái giữ di chuyển chuột đến vị trí kế) Để xố linh kiện, ta chọn linh kiện nhấn chuột phải để xoá Thêm linh kiện mới: Nếu linh kiện không tồn linh kiện, ta phải thực thêm từ thư viện có sẵn cách chọn menu Library > Pick hay nhấn P SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT Hình 3.4: Hình ảnh chạy thử mạch SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 15 Báo cáo nghiên cứu khoa học 3.2 Mạch cảm biến ánh sáng Trường ĐHBRVT Hình 3.5: Mạch cảm biến ánh sáng - LDR (quang điện trở): loại cảm biến ánh sáng đơn giản, nguyên tắc hoạt động dựa vào tượng quang điện Nguyên lý làm việc quang điện trở ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (có thể Cadmium sulfide – CdS, Cadmium selenide – CdSe) làm phát sinh điện tử tự do, tức dẫn điện tăng lên làm giảm điện trở chất bán dẫn Các đặc tính điện độ nhạy quang điện trở dĩ nhiên tùy thuộc vào vật liệu dùng chế tạo Khi ánh sáng kích thích chiếu vào LDR nội trở LDR giảm xuống, tiến ơm (mạch kín) Nhưng ánh sáng kích thích ngừng nội trở tăng đến vơ (hở mạch) SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 16 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT Hình 3.6: Quang trở - LM311N: opamp so sánh điện áp V+ V-, V+ > V- ngõ chân mang mức (5V) kích dịng cho transistor, ngược lại mang mức (0V) Hình 3.7: Opamp LM311N - 2N2222: transistor nhận dịng kích từ chân opamp LM311N dịng qua relay điều khiển đèn SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 17 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT Transistor gồm ba lớp bán dẫn ghép với hình thành hai mối tiếp giáp P-N , ghép theo thứ tự PNP ta Transistor thuận , ghép theo thứ tự NPN ta Transistor ngược phương diện cấu tạo Transistor tương đương với hai Diode đấu ngược chiều Hình 3.8: Cấu tạo transistor Cấu tạo Transistor + Ba lớp bán dẫn nối thành ba cực , lớp gọi cực gốc ký hiệu B (Base), lớp bán dẫn B mỏng có nồng độ tạp chất thấp + Hai lớp bán dẫn bên nối thành cực phát (Emitter) viết tắt E, cực thu hay cực góp (Collector) viết tắt C, vùng bán dẫn E C có loại bán dẫn (loại N hay P) có kích thước nồng độ tạp chất khác nên khơng hốn vị cho SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 18 Báo cáo nghiên cứu khoa học Hình 3.9: Transistor 2N2222 Trường ĐHBRVT - VR1: biến trở 50k có nhiệm vụ chỉnh độ nhạy quang trở, điện trở biến trở lớn dịng qua quang trở nhỏ ngược lại Hình 3.10: Biến trở VR - Relay: Hình 3.11: Cấu tạo relay + Relay công tắc điều khiển từ xa đơn giản, dùng dịng nhỏ để điều khiển dịng lớn dùng để bảo vệ cơng tắc nên xem SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 19 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT thiết bị bảo vệ Một rơle điển hình điều khiển mạch điều khiển nguồn Kết cấu relay gồm có lõi sắt, cuộn từ tiếp điểm Hình 3.12: Relay 24VDC + Relay công tắc điện điều khiển từ xa điều khiển công tắc khác SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 20 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT Hình 3.7: Ứng dụng relay * Nguyên lý hoạt động mạch cảm biến ánh sáng: Quang trở nhận ánh sáng từ mơi trường bên ngồi, có ánh sáng (trời sáng) làm tăng electron tự quang trở có dịng điện qua, dịng điện tới chân V(-) opamp, V(+) < V(-) nên ngõ chân opamp (0v), ngược lại ánh sáng yếu (trời tối) nội trở quang trở lớn, dòng điện quang trở nhỏ dòng tới chân V(-) 0, V(+) > V(-) nên ngõ chân opamp (12v) Dòng điện tới chân G kích cho transistor 2N2222 làm cho relay có điện đóng tiếp điểm lại, đèn sáng 3.3 Mạch đèn 3.3.1 Các phận đèn chiếu sáng cơng cộng - Dùng bóng đèn chiếu sáng công cộng cao áp sodium hãng Philips SON-T 250W - Các thành phần đèn lắp bóng cao áp hai cấp công suất: SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 21 Báo cáo nghiên cứu khoa học +Ballast hai cấp công suất: 250w/150w + Tụ kích (mồi) + Bóng đèn Sodium: 250w + Tụ bù hệ số cơng suất (nên có): 32µF, 25 µF, 20µF Trường ĐHBRVT - Nguyên tắc hoạt động đèn sodium (natri cao áp): natri với áp suất 250mmHg nhiệt độ > 1000oC xạ, đèn cao áp lợi dụng phóng điện (hồ quang) điện cực để tạo nên xạ tia cực tím, tia phản ứng với kim loại như: thủy ngân, natri, metal halide va đập vào lớp bột huỳnh quang để phát ánh sáng nhìn thấy - Chấn lưu hai cấp cơng suất chấn lưu điện từ có thêm cuộn kháng phụ, nối làm giảm công suất tiêu thụ đèn Đối với chấn lưu hai cấp công suất cuộn kháng phụ cuộn dây quấn cực từ cuộn dây nối tiếp với cuộn dây đó, chấn lưu có cực đấu dây Nhờ chuyển mạch, chấn lưu làm việc với cuộn dây hay chuyển sang làm việc với cuộn dây có thêm cuộn phụ Hình 3.8: Chấn lưu (ballast, tăng phô) cấp công suất - Tụ kích (mồi), bóng đèn, tụ bù hệ số công suất chọn để lắp với chấn lưu mức công suất SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 22 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT Hình 3.9: Tụ kích Nhiệm vụ tụ kích mồi cho đèn cao áp sáng, đèn sáng tụ kích khơng cịn nhiệm vụ Tụ kích đấu nối dây với chân L đấu vào chân L đèn, chân N đấu với chân N đèn chân B đấu vào chân 12 relay 220VAC/220VAC (vì em thay chuyển đổi công suất thành khối relay) SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 23 Báo cáo nghiên cứu khoa học - Tụ bù hệ số cơng suất Trường ĐHBRVT Hình 3.10: Tụ bù Tụ bù dùng để cải thiện hệ số cos φ, chưa lắp tụ bù hệ số cos φ 0.5, lắp tụ bù hệ số cos φ cải thiện lên 0.9 SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học 3.3.2 Đấu nối dây đèn sodium cao áp Trường ĐHBRVT Hình 3.11: Sơ đồ đấu dây đèn SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 25 Báo cáo nghiên cứu khoa học Hình ảnh đấu nối dây đèn chiếu sáng công cộng SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trường ĐHBRVT Trang 26 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 4.1 Kết luận 4.1.1 Ưu điểm đề tài - Tính tự động hóa cao: khả bật tắt đèn hồn tồn tự động dựa ánh sáng từ mơi trường bên ngoài, phù hợp với thực tế yêu cầu đặt hệ thống chiếu sáng thông minh tiết kiệm điện - Hệ thống điều khiển đơn giản, thuận tiện việc lắp đặt, vận hành bảo trì sửa chữa - Chi phí đầu tư nhỏ đảm bảo tiêu chí chiếu sáng yếu tố kỹ thuật, tiết kiệm khoảng tiền lớn cho ngân sách Nhà nước - Tăng tuổi thọ cho thiết bị chiếu sáng (bóng đèn, ballast,…) 4.1.2 Nhược điểm đề tài - Mạch điều khiển đèn - Chưa tận dụng ballast cấp công suất - Sai số cao quang trở 4.2 Hướng phát triển đề tài - Giao tiếp điều khiển qua điện thoại, nhận gửi lại tín hiệu bật tắt đèn điều khiển công suất đèn qua lệnh gửi tin nhắn - Điều khiển nhiều bóng đèn thực tế đặt hệ thống chiếu sáng công cộng - Tận dụng phát triển mạch điều khiển đèn từ ballast cấp công suất SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 27 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường ĐHBRVT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất 1, Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, năm 2011 [ 2] Nguyễn Văn Nhờ, Cơ sở truyền động điện, Nhà xuất Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh, năm 2003 [3] Phan Thị Thanh Bình tác giả khác, Hướng dẫn thiết kế lắp đặt điện theo tiêu chuẩn quốc tế IEC, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, năm 2002 [4] Trần Bách, Lưới điện & Hệ thống điện, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [5] Lê Văn Doanh – Võ Thạch Sơn, Kỹ thuật mạch điện tử , Nhà xuất khoa học kỹ thuật [6] Http://www.weddien.com/ [7] Http://www.dientuvietnam.net/ SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 28 Báo cáo nghiên cứu khoa học MỤC LỤC Trường ĐHBRVT NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI NHẬN XÉT MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nguồn lượng thực tế 1.2 Mục tiêu hướng giải đề tài 1.3 Tính tối ưu đề tài CHƯƠNG : MÔ PHỎNG TRÊN MÁY TÍNH 2.1 Giới thiệu phần mềm protues 2.2 Mạch nguyên lý 2.3 Mạch Layout 11 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 12 3.1 Mạch toàn hệ thống điều khiển 12 3.2 Mạch cảm biến ánh sáng 16 3.3 Mạch đèn 21 3.3.1 Các phận đèn chiếu sáng công cộng 21 3.3.2 Đấu nối dây đèn sodium cao áp 25 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 27 4.1 Kết luận 27 4.1.1 Ưu điểm đề tài 27 4.1.2 Nhược điểm đề tài 27 4.2 Hướng phát triển đề tài 27 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 SVTH: Huỳnh Thanh Nam – Phạm Quốc Thái Luan van Trang 29 ... chúng em thiết kế mạch điều khiển độ sáng đèn chiếu sáng cơng cộng Mạch điều khiển điều khiển tự động dựa ánh sáng từ môi trường bên (trời tối đèn tự bật trời sáng đèn tự tắt) đặt để đèn thay... I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế lắp đặt mạch điều khiển độ sáng đèn chiếu sáng công cộng II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động đèn chiếu sáng công cộng (ở nhóm em dùng đèn natri cao... hoạt động đèn chiếu sáng cơng cộng (ở nhóm em dùng đèn natri cao áp), từ tìm hiểu ngun tắc điều khiển đèn mạch điều khiển - Mục tiêu điều khiển độ sáng đèn thông qua cấp công suất điều khiển tự động