Thiết kế hệ thống điều chỉnh công suất đèn chiếu sáng công cộng

Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… i BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI        ðẶNG TIẾN DŨNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ðIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT ðÈN CHIẾU SÁNG CÔNG CỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: ðiện khí hoá sản xuất nông nghiệp và nông thôn Mã số: 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH. TRẦN HOÀI LINH Hà Nội – 2012 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu thiết kế và chế tạo, tôi ñã hoàn thành luận văn “Thiết kế hệ thống ñiều chỉnh công suất ñèn chiếu sáng công cộng” theo yêu cầu ñược giao luận văn cao học. Trước hết tôi xin gửi tới PGS.TSKH Trần Hoài Linh, người ñã trực tiếp hướng dẫn và tạo ñiều kiện giúp ñỡ tôi hoàn thành luận văn này lời cảm ơn trân trọng nhất. Qua ñây tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn tới Ban chủ nhiệm cùng các thầy cô Bộ môn Tự ñộng hóa – Khoa Cơ ðiện – Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã tạo ñiều kiện, ñộng viên và giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình học tập chương trình ñào tạo thạc sỹ vừa qua. Tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Lãnh ñạo Sở Công Thương, Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Bắc Giang nơi tôi công tác và lời cảm ơn tới gia ñình, bạn bè cùng khóa học ñã luôn ủng hộ tạo ñiều kiện, khích lệ tôi ñể tôi có thể học tập, nghiên cứu và trưởng thành như ngày hôm nay. Một lần nữa xin trân trọng cảm ơn! Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iii LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan rằng ñây là ñề tài nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa công bố trong ñề tài khoa học nào trước ñó. Tôi xin cam ñoan rằng các thông tin trích dẫn trong bản luận văn của tôi ñều ñược chỉ rõ nguồn gốc. Người cam ñoan ðặng Tiến Dũng Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… iv MỤC LỤC Danh sách các hình …………………………………………………………… …3 Danh sách các bảng………………………………………………………………….6 MỞ ðẦU 7 1. ðặt vấn ñề 7 2. Mục tiêu 8 3. Nội dung nghiên cứu 8 4. Phương pháp nghiên cứu 9 5. Phạm vi ứng dụng 9 6. Cấu trúc luận văn 9 CHƯƠNG1: TỔNG QUAN VỀ ðÈN CHIẾU SÁNG VÀ MẠCH ðO ðIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT CỦA ðÈN 11 I.1. Một số khái niệm về ánh sáng và giải pháp công suất ñèn chiếu sáng 11 I.1.1. Một khái niệm cơ bản về ánh sáng và chiếu sáng…………………… 11 I.1.2. Giới thiệu một số loại ñèn chiếu sáng…………………………………16 I.1.3. Các giải pháp kiểm soát công suất ñèn chiếu sáng…………………… 20 I.2. Cảm biến ánh sáng 22 I.2.1. Giới thiệu chung về cảm biến………………………………………… 22 I.2.2. Phân loại cảm biến……………………………………………………22 I.2.3. Cảm biến quang (tế bào quang dẫn) …………………………………24 I.3. Kết luận chương I 31 CHƯƠNG II: GIẢI PHÁP ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG CÔNG SUẤT CỦA ðÈN SỬ DỤNG CÁC PHẦN TỬ CÔNG SUẤT 32 II.1. Triac và ứng dụng trong ñiều chỉnh công suất ñầu ra 33 II.1.1. Giới thiệu Triac ……………………………………………………… 33 II.1.2. ðiều khiển Triac………………………………………………………35 II.1.3. Ứng dụng……………………………………………………………….36 II.2. Máy biến áp và ứng dụng trong ñiều chỉnh công suất ñầu ra 38 II.2.1. Nguyên lý hoạt ñộng của máy biến áp 38 II.2.2. Máy biến áp có nhiều nấc ñiều chỉnh 41 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ MẠCH ðIỀU KHIỂN ðIỀU CHỈNH TỰ ðỘNG CÔNG SUẤT ðẦU RA CỦA BÓNG ðÈN 42 III.1. Sơ ñồ khối và chức năng của các khối 42 III.1.1. Sơ ñồ chung………………………………………………………… 42 III.1.2. Sơ ñồ khối cụ thể……………………………………………………42 III.2. Thiết kế chi tiết 44 III.2.1. Khối nguồn nuôi………………………………………………………44 III.2.2. Lựa chọn và thiết kế khối cảm biến ñộ sáng…………………………45 III.2.3. Lựa chọn và thiết kế khối triac……………………………………….47 III.2.4. Lựa chọn và thiết kế biến áp………………………………………….50 III.2.5. Lựa chọn và thiết kế khối LCD………………………………………50 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… v III.2.6. Lựa chọn và thiết kế khối phím………………………………………51 III.2.7. Lựa chọn và thiết kế khối truyền thông………………………………51 III.2.8. Lựa chọn và thiết kế vi xử lý…………………………………………53 III.3. Thiết kế tổng thể mạch thiết bị 58 III.4. Phân tích và thiết kế phần mềm vxl…………………………………58 III.4.1. Phân tích và thiết kế hệ thống phần mềm trên PC……………………59 III.4.2. Xây dựng mối liên hệ giữa cường ñộ sáng và góc mở ñèn…………59 III.5. Kết luận chương III 60 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TRIỂN KHAI 61 IV.1. Mạch phần cứng 61 IV.1.1. Sơ ñồ nguyên lý các khối trong mạch công suất……………………61 IV.1.2. Sơ ñồ nguyên lý các khối mạch ñiều khiển…………………………64 IV.2. Phần mềm vi xử lý 68 IV.3. Phần mềm tích hợp trên PC 71 IV.4. Các kết quả thử nghiệm 73 IV.5. Kết luận chương IV 77 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 1.Kếtluận………………………………………………………………………78 2.Hướng phát triển tiếp theo của ñề tài………………………………………78 PHỤ LỤC 80 Phụ lục 1: Chương trình chính (main.c)…………………………………….80 Phụ lục 2: Chương trình use.h………………………………………………83 Phụ lục 3: Sơ ñồ mạch công suất…………………………………………….84 Phụ lục 4: Sơ ñồ mạch ñiều khiển …………………………………………….85 Tài liệu tham khảo 86 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vi Danh sách các hình Hình 1.1: Cường ñộ sáng theo 1 phương 16 Hình 1.2: Mô tả ñộ rọi và mật ñộ quang thông trên bề mặt chiếu sáng 17 Hình 1.3: Bóng ñèn sợi ñốt 19 Hình 1.4: Bóng ñèn Natri 20 Hình 1.5: Bóng ñèn Natri cao áp 21 Hình 1.6: Một số dạng bóng ñèn huỳnh quang 22 Hình 1.7: Một số dạng bóng ñèn compact 22 Hình 1.8: Bóng ñèn LED 23 Hình 1.9: Tủ ñiều chỉnh quang thông tự ñộng 24 Hình 1.10: Cảm biến phát 26 Hình 1.12: Hìnhdạng, ký hiệu và phân cực của quang diode 29 Hình 1.13: ðặc tuyến của quang diode 30 Hình 1.14: Ký hiệu, cấu tạo và ñặc tuyến của quang transistor. 31 Hình 1.15: Mạch ño cường ñộ sáng 31 Hình 1.16: Mạch ñóng cắt rơle 32 Hình 1.17: Hình dạng và ký hiệucủa quang ñiện trở 32 Hình 1.18: Mối quan hệ giữa cường ñộ ánh sáng và giá trị ñiện trở 33 Hình 1.19: Mạch báo ñộng 33 Hình 1.20: Mạch mở ñiện tự ñộng 34 Hình 2.1: Cấu tạo Triac 37 Hình 2.2: ðặc tuyến V-A của Triac 38 Hình 2.3: 4 phương pháp ñiều khiển chuyển trạng thái của Triac 38 Hình 2.4: Ứng dụng của Triac 39 Hình 2.5: Một số dạng sóng ñiện áp khi sử dụng các giải pháp ñiều khiển ñóng/cắt khác nhau 41 Hình 2.6: Hình dạng bên ngoài của một máy biến áp 41 Hình 2.7: Cấu tạo máy biến thế 42 Hình 2.8 : Nguyên lý hoạt ñộng của mạch MBA 42 Hình 3.1: Sơ ñồ ý tưởng thiết bị ñiều chỉnh công suất ra 45 Hình 3.2: Sơ ñồ khối chính của thiết bị ñiều chỉnh công suất ra 46 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… vii Hình 3.3: Hình ảnh nguồn nuôi 47 Hình 3.4: Mạch nguyên lý khối nguồn 48 Hình 3.5: Nguyên lý cấu tạo quang trở LDR 48 Hình 3.6: ðặc tính của quang trở 49 Hình 3.7: Mạch nguyên lý khối cảm biến ñộ sáng 50 Hình 3.8: Các chân giao diện của triac 50 Hình 3.9: Sơ ñồ mở của Triac 51 Hình 3.10: Sơ ñồ hoạt ñộng Triac 51 Hình 3.11:Hình ảnh Triac BTA12-600 52 Hình 3.12: Mạch nguyên lý ghép nối triac với vi xử lý 52 Hình 3.13: Mạch nguyên lý khối biến áp 53 Hình 3.14: Mạch nguyên lý ghép nối khối LCD 53 Hình 3.15: Hình ảnh khối phím 54 Hình 3.16: Sơ ñồ nguyên lý kết nối USB 55 Hình 3.17 : Hình ảnh PIC18F4550 56 Hình 3.18: Hỗ trợ truyền thông qua USB 56 Hình 3.19: Sơ ñồ chân của PIC18F4550 trong hộp DIP-40 57 Hình 3.20: TQFP 58 Hình 3.21: QFN 58 Hình 3.22: Mạch nguyên khối vi xử lý 61 Hình 3.23: Mô hình ñiều khiển dùng Triac 62 Hình 3.24: ðiện áp ra trên tải sau khi ra xung ñiều khiển triac 63 Hình 4.1: Khối kết nối 64 Hình 4.2: Khối phát hiện ñiểm O 64 Hình 4.3: Khối ñiều khiển ñiện áp vào 65 Hình 4.4: Khối phản hồi ñiện áp 65 Hình 4.5: Khối chỉ thị 65 Hình 4.6: Khối chuyển mạch ñiện áp ra 66 Hình 4.7: Mạch công suất 67 Hình 4.8: Khối nguồn nuôi 67 Hình 4.9: Khối cảm biến ánh sáng 68 Hình 4.10: Khối kết nối 68 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… viii Hình 4.11: Khối cách ly quang 69 Hình 4.12: Khối chuyển mạch rơle 69 Hình 4.13: Khối vi xử lý 70 Hình 4.14: Mạch ñiều khiển 70 Hình 4.15: Hình ảnh 3 chiều 71 Hình 4.16: Sơ ñồ khối thuật toán chương trình main 72 Hình 4.17: Sơ ñồ khối thuật toán chương trình ngắt ngoài 2 73 Hình 4.18: Sơ ñồ khối thuật toán chương trình ñiều chỉnh góc mở Triac 74 Hình 4.19: Giao diện màn hình chính 75 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… ix Danh sách các bảng Bảng 1: Quang thông của một số nguồn sang thông dụng…………………………… 12 Bảng 2: Cường ñộ sáng của một số nguồn sáng thông dụng………………………… 13 Bảng 3: ðộ rọi trên một số bề mặt thường gặp…………………………………………14 Bảng 4: Tiêu chuẩn chiếu sáng các khu vực dành cho người ñi bộ…………………….14 Bảng 5: ðộ chói của một số nguồn thông dụng ………………………………………15 Bảng 6: Thông số chính của BTA12-600……… …………………………………… 49 Bảng 7: Mô tả các chức năng từng chân của Vi xử lý PIC18F455…………… 56 Bảng 8: Các thông số ño……………………………………………………… 74 Chương mở ñầu Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật ………………………… 10 MỞ ðẦU 1. ðặt vấn ñề Năng lượng có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển của mỗi Quốc gia, là một trong những nhu cầu thiết yếu ñối với sinh hoạt và cũng chính là yếu tố ñầu vào không thể thiếu của rất nhiều ngành kinh tế khác, có ảnh hưởng không nhỏ ñến các hoạt ñộng kinh tế, chính trị, văn hoá và xã hội. ðiện năng trong chiếu sáng công cộng chiếm tỷ trọng khá lớn trong cơ cấu tiêu thụ ñiện và ñược ngân sách nhà nước chi trả nên tiết kiệm ñiện năng trong chiếu sáng công cộng chính là tiết kiệm ngân sách. Trong chiếu sáng công cộng, về ban ñêm khi lưu lượng các phương tiện giao thông giảm bớt thì nhu cầu chiếu sáng cũng giảm, việc duy trì 100% công suất chiếu sáng là không cần thiết và gây lãng phí ñiện năng. ðể giảm bớt công suất chiếu sáng vào ban ñêm, hiện nay ñang áp dụng phổ biến giải pháp cắt bớt 30% và 50 % số bóng ñèn. Giải pháp trên có nhược ñiểm là tạo nên những khoảng tối trên ñường không ñảm bảo an ninh và giảm mỹ quan ñô thị. ðặc biệt giải pháp này không tiết kiệm ñiện năng trong thời gian ñèn sáng. • Tình hình nghiên cứu ngoài nước Ngày nay, do tốc ñộ phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp sử dụng năng lượng tăng mạnh. Khai thác năng lượng thiên nhiên cũng tăng theo nhằm ñáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu, chính vì vậy nguồn năng lượng thiên nhiên ñang dần cạn kiệt và bắt ñầu xảy ra khủng khoảng về năng lượng trên toàn thế giới. Do ñó nhiều quốc gia trên thế giới (ñặc biệt là các nước phát triển) ñã tập chung nghiên cứu tìm ra những giải pháp quản lý và kỹ thuật, ứng dụng những công nghệ tiên tiến, thiết bị hiện ñại nhằm sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả, ñồng thời sử dụng hạn chế, tiết kiệm năng lượng truyền thống như than ñá, dầu mỏ , ñẩy mạnh sử dụng năng tái sinh, năng lượng sạch như năng lượng mặt trời, thủy ñiện, năng lượng gió . Hiện nay một số nước trên thế giới ñã có các sản phẩm và thiết bị tiết kiệm ñiện năng cho chiếu sáng công cộng có trình ñộ công nghệ hiện ñại, Tuy nhiên do giá thành cao, nên việc triển khai ứng dụng ở Việt Nam gặp nhiều khó khăn. • Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam ñã có rất nhiều kết quả nghiên cứu của nhiều ñơn vị, cá nhân về các sản phẩm tiết kiệm ñiện, tiết kiệm năng lượng như của Viện Khoa học Việt [...]... lưu) Ngoài vi c áp d ng công ngh chi u sáng hi u su t cao ñ ti t ki m ñi n năng, thì m t v n ñ r t ñư c quan tâm là s d ng h p lý công su t chi u sáng cho phù h p v i nhu c u chi u sáng ð c bi t là ñ i v i chi u sáng các nơi công c ng, do vào ban ñêm khi m t ñ giao thông r t th p, vi c duy trì 100% công su t chi u sáng là không c n thi t Vì v y, vi c ti t gi m công su t chi u sáng trong th i gian này... n chi u sáng Gi i pháp này s cho phép cung c p công su t chi u sáng thích nghi v i th c t v n hành ñ ti t ki m năng lư ng Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t ………………………… 13 Chương I: T ng quan v ñèn chi u sáng và m ch ño – ñi u ch nh công su t… CHƯƠNG I: T NG QUAN V ðÈN CHI U SÁNG VÀ M CH ðO - ðI U CH NH CÔNG SU T C A ðÈN Trong chi u sáng công c ng, ñèn chi u sáng ngoài... ng mà v n ti t ki m ñi n Trong chương này ta s gi i thi u sơ b v m t s khái ni m liên quan t i chi u sáng và gi i pháp ki m soát công su t ñèn chi u sáng I.1 M t s khái ni m v ánh sáng và gi i pháp ki m soát công su t ñèn chi u sáng I.1.1 M t s khái ni m cơ b n v ánh sáng và chi u sáng a) Khái ni m ánh sáng B t kỳ v t th nào có nhi t ñ l n hơn 00K ñ u có kh năng b c x năng lư ng dư i d ng sóng ñi n t... m ñi n năng 2 M c tiêu Xây d ng m t h th ng ñi u ch nh t ñ ng công su t c a m ch chi u sáng s d ng các ph n t công su t và bi n áp ña c p s d ng tín hi u ñi u khi n t c m bi n ño ñ sáng 3 N i dung nghiên c u – Tìm hi u v các m ch ño ñ sáng – Nghiên c u bài toán ki m soát công su t, tiêu chu n chi u sáng công c ng – Tìm hi u v các ph n t công su t cơ b n và m ch ño và ñi u khi n t ñ ng giá tr ñi n áp... chi u sáng công c ng ñang chi m m t t tr ng khá cao và ñư c chi tr b ng ngu n ngân sách c a Nhà nư c ðư c s hư ng d n t n tình c a PGS.TSKH Tr n Hoài Linh tôi ñã ti n hành th c hi n ñ tài “Thi t k h th ng ñi u ch nh công su t ñèn chi u sáng công c ng” Lu n văn ñ xu t gi i pháp s d ng c m bi n ño ñ sáng tích h p v i h th ng ñi u ch nh t ñ ng s d ng bi n áp và các ph n t công su t ñ ñi u ch nh công su... phương Cư ng ñ sáng theo m t phương ñư c tính theo công th c: dφ d Ω→0 d Ω I OA = lim ðơn v cư ng ñ sáng là cadela (cd) là cư ng ñ sáng theo m t phương c a ngu n sáng ñơn s c có t n s 540.1012 Hz (555nm) có cư ng ñ năng lư ng theo phương này là 1/683 oát trên góc kh i 1 steradian B ng 2: Cư ng ñ sáng c a m t s ngu n sáng thông d ng Ngu n sáng Cư ng ñ sáng cadela (cd) Ng n n n 0,8 theo m i phương ðèn... nhìn vào m t ngu n sáng ho c m t v t ñư c chi u sáng, ta có c m giác b chói m t ð d c trưng cho kh năng b c x ánh sáng c a ngu n ho c b m t ph n x gây nên c m giác chói sáng ñ i v i m t, ngư i ta ñưa ra ñ nh nghĩa ñ chói Các nguyên t di n tích c a các v t ñư c chi u sáng nói chung ph n x ánh sáng nh n ñư c m t cách khác nhau và tác ñ ng như m t ngu n sáng th c p phát các cư ng ñ sáng khác nhau theo... d ng trong chi u sáng ñư ng giao thông, b n bãi, các khu c m công nghi p nh ng nơi s d ng ánh sáng thay ñ i theo yêu c u 6 C u trúc c a lu n văn 1 M ñ u: – Gi i thi u qua v v n ñ ñư c gi i quy t trong lu n văn – Gi i thi u v các chương m c c a lu n văn 2 T ng quan v ñèn chi u sáng và m ch ño ñi u ch nh công su t c a ñèn: – Các gi i pháp ki m soát công su t ñèn chi u sáng ph thu c ñ sáng môi trư ng... ánh ñèn Ánh sáng do các loài v t phát ra g i là ánh sáng sinh h c b) Các ñ i lư ng ño ánh sáng Ánh sáng là các b c x ñi n t mang năng lư ng và ñư c ñ c trưng b ng các ñ i lư ng ño năng lư ng T t c các ngu n sáng ñ u bi n ñ i năng lư ng mà nó tiêu th thành m t ho c nhi u hi u ng trong ba hi u ng hóa, nhi t, ñi n t Tia sáng ch là ph n nh c a b c x ñi n t do v y chúng ch mang theo m t ph n công su t Trư... là m t ñ quang thông trên b m t chi u sáng Khi quang thông vuông góc v i b m t chi u sáng thì: Elx = φlx Slx hay 1lux= 1lm/m2 Trư ng ð i h c Nông nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c k thu t ………………………… 16 Chương I: T ng quan v ñèn chi u sáng và m ch ño – ñi u ch nh công su t… Hình 1.2: Mô t ñ r i và m t ñ quang thông trên b m t chi u sáng Khi m t ñư c chi u sáng không ñ u thì ñ r i ñư c tính b . hành thực hiện ñề tài Thiết kế hệ thống ñiều chỉnh công suất ñèn chiếu sáng công cộng . Luận văn ñề xuất giải pháp sử dụng cảm biến ño ñộ sáng tích hợp với hệ thống ñiều chỉnh tự ñộng sử dụng. VỀ ðÈN CHIẾU SÁNG VÀ MẠCH ðO ðIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT CỦA ðÈN 11 I.1. Một số khái niệm về ánh sáng và giải pháp công suất ñèn chiếu sáng 11 I.1.1. Một khái niệm cơ bản về ánh sáng và chiếu sáng …………………. LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu thiết kế và chế tạo, tôi ñã hoàn thành luận văn Thiết kế hệ thống ñiều chỉnh công suất ñèn chiếu sáng công cộng theo yêu cầu ñược giao luận văn cao