Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau lên đối tượng đèn huỳnh quang và đèn compact

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH MỨC SÁNG DỰA TRÊN CẮT MỨC NĂNG LƯỢNG BIÊN SAU LÊN ĐỐI TƯỢNG ĐÈN HUỲNH QUANG VÀ ĐÈN COMPACT IMPROVE THE POWER ADJUSTMENT METHOD BASED ON TRAILING EDGE DIMMING FOR FLUORESCENT LAMPS Nguyễn Phan Kiên1*, Nguyễn Mạnh Cường2, Hoàng Anh Dũng3, Vũ Duy Thuận4 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2Học viện Kỹ thuật quân sự, 3Trường Đại học Mở Hà Nội Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 04/02/2020, Ngày chấp nhận đăng: 24/04/2020, Phản biện: TS Trần Văn Thịnh Tóm tắt: Phương pháp điều chỉnh cường độ sáng dựa cắt mức lượng biên (cạnh) trước phổ biến thị trường từ lâu lại gặp số nhược điểm gây nhiễu điện từ, giảm tuổi thọ đèn sợi đốt đèn compact Các nhược điểm khắc phục nhờ phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau hồn tồn phù hợp với đối tượng đèn sợi đốt không hiệu với đèn compact không sử dụng với đối tượng đèn huỳnh quang chấn lưu sắt từ Nghiên cứu giải pháp triệt tiêu xung ngược giải pháp cắt mức biên sau cách sử dụng mơ hình biến đổi RLC từ nối tiếp sang song song, đồng thời đề xuất sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung nhằm mở rộng dải điều chỉnh mạch điều chỉnh mức sáng, cho phép điều chỉnh lượng ảnh sáng đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu sắt từ từ mức trở không từ 30% lượng phương pháp cũ Từ khóa: Điều chỉnh mức sáng, cắt biên sau, cắt biên trước, đèn huỳnh quang, đèn compact, TRIAC, IGBT Abstract: The power adjustment method based on leading edge dimming has been popular in the market for a long time but has some disadvantages such as causing electromagnetic interference, and reducing the life of incandescent or compact lamps However, these disadvantages can be overcome by power adjustment method based on trailing edge dimming which is completely suitable to incandescent lamps but ineffective for compact lamps and inapplicable to ballast fluorescent lamps This research shows a new reverse pulse suppression method in trailing edge dimming by using the reform RLC model from serial to parallel, and proposes the use of pulse width modulation method to open a wide range of adjustment for brightness of ballast fluorescent lamps from 0% onwards in comparision with 30% of the energy as the old methods Keywords: Power dimming, trailing edge, leading edge, fluorescent lamps, compact lamps, TRIAC, IGBT Số 22 37 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) GIỚI THIỆU Mạch điều chỉnh mức sáng có mục đích cuối điều khiển cơng suất cho tải tiêu thụ điện phương pháp phổ biến điều chỉnh mức sáng đèn chiếu sáng dân dụng dựa cắt mức lượng biên trước [1] Phương pháp sử dụng khóa bán dẫn điều khiển TRIAC (TRIode for Alternating Current) cho dòng chạy qua thời điểm định sau điểm tín hiệu sin đóng dịng điện đảo chiều Trong nửa chu kì, điện áp xoay chiều tăng vọt lên giá trị định vòng cỡ 1µs, đồng thời với bóng compact ln có tụ điện nạp với dịng điện có cường độ tăng nhanh nửa chu kỳ Hai tượng làm giảm tuổi thọ bóng nhanh chóng [2] Sự tăng vọt dịng điện lần đóng ngắt TRIAC gây nhiễu điện từ, nhiễu tăng lên đáng kể theo chiều dài dây nối từ tải tới mạch Hình Cắt mức lượng biên trước biên sau Phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau nghiên cứu cũ [2] khắc phục số vấn đề nêu trên, ví dụ phương pháp thay khóa điều khiển sử dụng TRIAC IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) từ cho phép điện áp đèn tăng từ từ theo sườn hình sin Hình Cắt mức lượng biên sau đèn sợi đốt, đèn compact đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu cuộn dây 38 Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Phương pháp gọi khởi động mềm, điều khiển thời gian đóng mở IGBT cách dễ dàng, điều làm giảm tối đa nhiễu điện từ sinh q trình đóng ngắt nửa chu kỳ Nhưng phương pháp chưa áp dụng đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu sắt từ [2] Nghiên cứu tập trung vào cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau lên đối tượng đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu sắt từ MÔ TẢ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN Mạch điều chỉnh mức sáng đèn theo phương pháp cắt mức lượng biên sau [2] thiết kế dựa nguyên lý: điều khiển đóng mở IGBT vi điều khiển Atmega 16 dựa tín hiệu bắt điểm dịng điện Thời gian cho dòng chạy qua IGBT nửa chu kỳ dễ dàng điều chỉnh biến trở, tác dụng điều khiển công suất giống phương pháp cắt biên trước Sơ đồ khối thiết kế hình Trong đó, nguồn cung cấp 220 V, 50 Hz lấy mẫu để xác định điểm không thông qua khối bắt điểm không [3] Tín hiệu bắt điểm khơng đưa vào vi điều khiển, đồng thời tín hiệu xác định thời gian ngắt nửa chu kì đọc từ điện áp biến trở vào vi điều khiển Từ tín hiệu vi điều khiển xuất tín hiệu kích cho driver IGBT, từ khối cắt biên thực cắt mức lượng chảy vào tải Hình Sơ đồ khối mạch điều chỉnh mức sáng đèn dựa phương pháp cắt mức lượng sau Mạch lái điều khiển đóng cắt cho IGBT hình Trong cặp transistor kéo đẩy D468 B562 (Renesas) có vai trị (điều khiển) đóng cắt cho IGBT (FGA25N120ANTD, Fairchild Semiconductor) [2] Tín hiệu kích cho cặp transistor truyền từ chân PD4 vi điều khiển thông qua opto (PC817, Sharp) Diode zenner (1N4744, General Semiconductor) Số 22 TVS diode (P6KE400CA, Fairchild Semiconductor) giúp bảo vệ IGBT khỏi xung áp Mỗi có tín hiệu ngắt ngồi đưa vào vi điều khiển (Atmega16, Atmel) từ mạch bắt điểm không, chân PD4 xuất tín hiệu mức cao kích cho mạch lái đóng IGBT, sau khoảng thời gian định (nhỏ 10 ms), chân PD4 xuất tín hiệu mức 39 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) thấp kích cho ngắt IGBT Khi có tín hiệu ngắt ngồi q trình lại lặp lại Như thời gian dòng điện chảy qua tải nửa chu kì phụ thuộc vào thời gian đóng IGBT, thời gian điều chỉnh biến trở thông qua chân ADC vi điều khiển Khối cắt biên hình Do IGBT đóng ngắt với dịng chiều nên để IGBT hoạt động bán kì âm dương ta cần sử dụng thêm diode chỉnh lưu cầu VCC R5 220R 15V R6 10k U2 PD4 A1 FGA25N120A-IGBT R9 D6 Q2 D468 Q1 A2 D7 D8 2A 2A D9 D10 2A 2A AC 22R 1A ZN1 Opto Z1 R8 2k2 PGND R11 2k 400V 25V/1W W Q3 B562 Load PGND Hình Khối driver cho IGBT khối cắt pha (gồm IGBT cầu điôt) Khi đóng IGBT để dẫn điện thời điểm bắt đầu nửa chu kỳ có độ trễ, để kiểm sốt tốc độ đóng IGBT ta có nhiều cách bao gồm điều chỉnh dV/dt (bằng điện trở cực G mắc song song tụ điện cực G E) điều chỉnh di/dt (bằng cuộn cảm nhỏ cực E) [4, 5, 6] Cách thức sử dụng viết dùng điện trở cực G (hình 5) Điện trở lớn độ trễ thời gian đóng IGBT tăng Tuy nhiên điện trở không phép lớn tốc độ đóng ngắt chậm đồng nghĩa với mát nhiệt IGBT lớn làm nóng IGBT Ta ước lượng tốc độ đóng mở IGBT theo công thức: 40 Vth dV  dt Rg * Ciss Trong đó: V: điện áp Vce; Vth: điện áp Vge; Rg: điện trở cực G; 𝐶𝑖𝑠𝑠 : dung kháng cực G E Trong mạch với mục đích làm cho thời gian đóng khơng q nhanh, thời gian mở không cần chậm (do điện áp tăng từ từ sau điểm nửa chu kì) nên ta chọn điện trở R9 (22 Ω) nhỏ, điện trở R8 (2,2 kΩ) lớn Trong mạch điện hình tụ điện Cge, tốc độ đóng mở IGBT bị ảnh hưởng trực tiếp thời gian nạp xả tụ Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Rg Nguồn cách ly Vce C1 Rg 0V IGBT PWM C2 Vge Cge Hình Nguyên lý điều khiển IGBT sử dụng điện trở cực G Khi driver nhận tín hiệu mở, transistor D468 thơng transistor B562 đóng, lúc tụ Cge nguồn nạp tới 15V thông qua điện trở R9 Do có trị số nhỏ, nên thời gian mở IGBT ngắn Khi driver nhận tín hiệu đóng, transistor B562 thơng transistor D468 đóng, lúc tụ Cge xả qua điện trở R8 R9 nối tiếp Do tổng trở R8 R9 lớn, nên q trình đóng IGBT diễn chậm lại cỡ vài chục micro giây THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC TRÊN PHƯƠNG PHÁP CŨ Thực nghiệm đo đạc đầu với đối tượng đèn khác điều chỉnh biến trở giảm dần từ mức cực đại cực tiểu, cụ thể bóng sợi đốt (25 W/220 V, Rạng Đơng), bóng huỳnh quang (18 W/0,6 m, Philips) chấn lưu sắt từ Kết điều khiển cơng suất với bóng sợi đốt bóng huỳnh quang chấn lưu sắt từ hình 6, tương ứng Số 22 Hình Điện áp đèn sợi đốt Với bóng sợi đốt, điều chỉnh biến trở giảm từ mức cực đại cực tiểu khoảng dẫn dịng chạy qua đèn nửa chu kì hình sin giảm theo (từ 10 ms ms) đồng thời độ sáng 41 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) bóng giảm từ tối đa Đèn tắt hẳn biến trở Với bóng huỳnh quang chấn lưu sắt từ, điều chỉnh biến trở giảm từ cực đại cực tiểu, cường độ ánh sáng đèn giảm dần Đèn bắt đầu tắt hẳn khoảng dẫn nửa chu kỳ hình sin nhỏ ms Ngay sau thời điểm đóng IGBT nửa chu kì ln xuất xung ngược lớn, IGBT nóng nhanh hỏng sau lần đầu sử dụng Đồng thời nhiễu điện từ sinh lớn chí phát tiếng ồn (hình 7) PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ Qua kết thu phương pháp cũ ta thấy có xuất xung điện áp ngược với biên độ lớn, tạo nên tượng “đánh thủng thác lũ” làm hỏng IGBT [7] Trong hình ta thu dạng tín hiệu sau IGBT đóng lại dao động tắt dần có tần số hài bậc cao biên độ tắt dần Dao động sinh chất thiết bị chiếu sáng đèn huỳnh quang mạch RLC nối tiếp hình 8, thành phần L chấn lưu sắt từ cuộn dây, R điện trở bóng đèn sau đèn sáng C thành phần dung dung kháng bóng đèn Mạch tạo thành dao động điều hòa cho dòng điện cộng hưởng giống mạch LC điện trở R tải làm tắt dần dao động tắt IGBT Hình Mạch điện đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu sắt từ Hình Điện áp đèn huỳnh quang chấn lưu sắt từ điều chỉnh biến trở giảm dần Từ nghiên cứu đề xuất phương pháp triệt tiêu xung ngược cải thiện dải điều chỉnh khoảng dẫn, từ mở rộng dải điều chỉnh cường độ sáng đèn huỳnh quang so với nghiên cứu cũ 42 Trong mạch thành phần điện trở, cuộn cảm tụ điện mắc nối tiếp với nối vào nguồn điện áp xoay chiều Đối với mạch RLC mắc nối tiếp, đại lượng quan trọng là:  R 0  2L LC Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong α gọi tần số neper đại lượng đặc trưng cho tốc độ tắt dao động mạch nguồn cấp khơng cịn Gọi tần số neper có đơn vị neper/giây (Np/s), neper đơn vị suy giảm ω0 tần số góc cộng hưởng Để triệt tiêu dao động tắt dần nghiên cứu sử dụng tụ điện gốm mắc song song với tải đèn Qua đó, chuyển đổi mạch điện tải đèn từ mạch RLC nối tiếp thành mạch RLC song song Một thơng số hữu ích hệ số suy giảm, ζ định nghĩa tỷ số đại lượng này:   0 Đối với mạch RLC mắc nối tiếp, hệ số suy giảm sau:  R C L Giá trị hệ số suy giảm xác định kiểu tắt dao động mạch Hình 10 Mạch điện RLC song song Tổng dẫn phức mạch RLC song song tổng độ dẫn nạp thành phần: 1 1 1      jC  Z Z L ZC Z R j L R Sự thay đổi từ mạch nối tiếp sang mạch song song dẫn đến mạch xuất trở kháng cực đại lúc cộng hưởng khơng phải cực tiểu, mạch chống lại cộng hưởng Hình Đáp ứng tắt dần mạch điện RLC nối tiếp Hình giản đồ xung biểu diễn đáp ứng tắt dần xung tắt dần mạch RLC nối tiếp Đáp ứng tắt dần tới hạn đường cong đỏ đậm Với L = 1, C = ω0=1 Số 22 Hình 11 Vị trí cắt biên sau làm đèn tắt 43 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Vấn đề thứ hai cần giải điều chỉnh biến trở để khoảng dẫn ms đèn tắt, làm cho dải điều chỉnh cơng suất đèn bị giới hạn (hình 11) Hình 12 Lưu đồ thuật tốn thực đóng cắt 50 lần nửa chu kỳ Nguyên nhân biên độ điện áp thấp Để tăng dải điều chỉnh công suất cho phương pháp cắt biên sau nghiên cứu đề xuất cải tiến thuật toán cắt pha từ lần chuyển sang nhiều lần mức công suất điều chỉnh dựa phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (hình 12) Nghiên cứu thực mơ đóng cắt 10 lần với mức điều chỉnh cơng suất 50% phần mềm mô cho kết hình 13 Hình 13 Kết dạng tín hiệu điều khiển điện áp mô với tụ 100 nF mắc song song với tải 44 Kết đo đạc thực tế phần cứng cải tiến với tụ 1uF mắc song song đầu Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) mức công suất điều chỉnh 30% thể hình 14 Hình 14 Kết dạng tín hiệu điện áp tải đèn huỳnh quang KẾT LUẬN Như phương pháp điều chỉnh mức sáng cải tiến dựa cắt mức lượng biên sau sử dụng cho bóng đèn huỳnh quang chấn lưu sắt từ Phương pháp loại bỏ xung điện áp ngược với biên độ lớn nguyên nhân làm nóng IGBT nhanh hỏng sau thời gian ngắn sử dụng Nghiên cứu mở rộng dải điều chỉnh cường độ ánh sáng hay công suất tiêu thụ bóng đèn huỳnh quang chấn lưu sắt từ giải thuật điều khiển cho phép điều chỉnh cơng suất tiêu thụ bóng đèn huỳnh quang từ mức lượng trở khơng cịn mức 30% so với phương pháp cũ Kết giải thuật thực yêu cầu nghiên cứu đề áp dụng chương trình vi điều khiển ATMEG16 Mạch điện thực tế chạy tốt cho kết đo đạc giống mô phần mềm Hướng nghiên cứu tích hợp giải pháp vào hệ thống tiết kiệm lượng chiếu sáng đèn huỳnh quang Giá trị điều khiển tính tốn dựa số phương pháp điều khiển vịng kín PID fuzzy logic Hình 15 Dạng tín hiệu điều khiển đo cực G IGBT sử dụng oscilloscope 100 MHz Số 22 45 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y.C Wu; G.-H Chen “TRIAC dimming electronic ballast for compact fluorescent lamps” 2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering DOI: 10.1109/ICEICE.2011.5777142 [2] Nguyễn Phan Kiên, Nguyễn Mạnh Cường, Hoàng Anh Dũng, Trần Đức Hưng, Đỗ Chí Hiếu “Nghiên cứu tác động phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau lên đối tượng đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang đèn compact” - REV- ECIT 2015 [3] Ankita Gupta, R.T An Efficient Approach to Zero Crossing Detection Based On Journal of Engineering Research and Applications , (5), 834-838 (2013) [4] Chen, Runruo & Peng, Fang (2014) A high-performance resonant gate-drive circuit for MOSFETs and IGBTs Power Electronics, IEEE Transactions on 29 4366-4373 10.1109/TPEL.2013.2284836 [5] Baharom, R & Khairul Safuan, Muhammad & Seroji, M.N & Mohd Salleh, Mohd Khairul (2015) Development of a gate drive with overcurrent protection circuit using IR2110 for fast switching halfbridge converter 10 17463-17467 [6] Chen, J & Ng, W (2017) Design trends in smart gate driver ICs for power MOSFETs and IGBTs 112-115 10.1109/ASICON.2017.8252424 [7] Ivanovich Smirnov, Vitaliy & Sergeev, Vjacheslav & Anatolievich Gavrikov, Andrey & Mihailovich Shorin, Anton (2017) Thermal Impedance Meter for Power mosfet and IGBT Transistors IEEE Transactions on Power Electronics PP 1-1 10.1109/TPEL.2017.2740961 Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Phan Kiên tốt nghiệp đại học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 1999; nhận Thạc sĩ chuyên ngành điện tử viễn thông năm 2002, Tiến sĩ năm 2005 Viện Công nghệ Shibaura, Tokyo, Nhật Bản Hiện tác giả giảng viên Bộ môn Công nghệ điện tử Kỹ thuật y sinh, Viện Điện tử viễn thông, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Lĩnh vực nghiên cứu: sinh, điện sinh học cấp độ mô, điện tử ứng dụng thiết bị y tế Tác giả Hoàng Anh Dũng tốt nghiệp đại học năm 2004 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; nhận Thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật điện tử năm 2007 Hiện tác giả giảng viên Khoa Công nghệ điện tử - thông tin, Trường Đại học Mở Hà Nội Lĩnh vực nghiên cứu: kỹ thuật điện tử, điện tử viễn thơng 46 Số 22 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tác giả Nguyễn Mạnh Cường tốt nghiệp đại học ngành điện tử viễn thông năm 2000 Học viện Kỹ thuật quân sự; nhận Tiến sĩ năm 2010 Đại học Tổng hợp miền nam Nga Hiện tác giả giảng viên, chủ nhiệm Bộ môn Điện tử Y sinh, Học viện Kỹ thuật quân Lĩnh vực nghiên cứu: tự động hóa q trình cơng nghệ, xử lý tín hiệu y sinh Tác giả Vũ Duy Thuận tốt nghiệp đại học ngành đo lường tin học công nghiệp, nhận Thạc sĩ ngành tự động hóa Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004 2008, nhận Tiến sĩ ngành điều khiển tự động hóa Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam năm 2018 Hiện tác giả giảng viên Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: điều khiển tự động hóa, lập trình điều khiển Số 22 47 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 48 Số 22 ... điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau lên đối tượng đèn huỳnh quang sử dụng chấn lưu sắt từ MÔ TẢ THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN Mạch điều chỉnh mức sáng đèn theo phương pháp cắt mức lượng biên sau. .. Dũng, Trần Đức Hưng, Đỗ Chí Hiếu ? ?Nghiên cứu tác động phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau lên đối tượng đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang đèn compact? ?? - REV- ECIT 2015 [3] Ankita... điện từ, nhiễu tăng lên đáng kể theo chiều dài dây nối từ tải tới mạch Hình Cắt mức lượng biên trước biên sau Phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau nghiên cứu cũ [2] khắc phục