Xây dựng mô hình đèn huỳnh quang và ballast điện tử họat động ở tần số cao

vi MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv-v Mục lục vi-viii Danh sách các hình ix-xi Danh sách các bảng xii Chương 1: Tổng quan 1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1 1.1.1 Tiết kiệm điện trong chiếu sáng 1 1.1.1.1 Sử dụng thiết bị chiếu sáng có hiệu suất phát sáng cao 2 1.1.1.2 Sử dụng thiết bị điều khiển để nâng hiệu suất của đèn huỳnh quang 2 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 4 1.2.1 Mục tiêu 4 1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu 4 1.3 Đối tượng nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu 4 1.4 Phương pháp nghiên cứu 5 1.5 Các bước tiến hành 5 1.6 Điểm mới của luận văn 5 1.6.1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 5 1.6.2 Điểm mới của luận văn 10 vii 1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn 11 1.8 Nội dung thực hiện 11 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Lý thuyết tương quan và hàm hồi quy 12 2.1.1 Mối tương quan giữa hai biến ngẫu nhiên 12 2.1.2 Hệ số tương quan 12 2.1.2.1 Moment tương quan 12 2.1.2.2 Hệ số tương quan 13 2.1.2.3 Uớc lượng hệ số tương quan 13 2.1.2.4 Tính chất hệ số tương quan 14 2.1.2.5 Tỷ số tương quan 15 2.1.2.6 Hệ số xác định mẫu 15 2.1.3 Hồi quy 16 2.1.3.1 Kỳ vọng có điều kiện 16 2.1.3.2 Hàm hồi qui 16 2.1.3.3 Xác định hàm hồi qui 17 2.2 Mô hình hóa mô phỏng 20 2.2.1 Mô hình vật lý 21 2.2.2 Mô hình tương tự 21 2.2.3 Mô hình toán 22 2.3 Công cụ Matlap để phân tích mô phỏng và hồi quy 22 Chương 3 Xây dựng mô hình đèn 3.1 Phương pháp xây dựng mô hình 24 3.2 Chương trình xây dựng mô hình đèn 26 viii 3.2.1 Các lệnh hỗ trợ hồi quy 26 3.2.2 Chỉ số đánh giá hồi quy 31 3.2.3 Kết quả xây dựng mô hình 32 3.3 Công cụ cftool để xây dựng mô hình 34 3.3.1 Giới thiệu công cụ cftool 34 3.3.2 Kết quả mô hình 34 Chương 4: Mô hình Ballast điện tử 4.1 Ballast điện tử 40 4.1.1 Cấu tạo Ballast điện tử 40 4.1.2 Nguyên tắc hoạt động 42 4.1.3 Thay đổi công suất làm việc của đèn 45 4.2 Thiết kế Ballast điện tử 47 4.3 Xây dựng mô hình cho Ballast điện tử 49 Chương 5 Kết quả mô phỏng 5.1 Mô phỏng chấn lưu điện tử kết hợp đèn huỳnh quan 53 5.2 Kết quả mô phỏng 54 5.2.1 Mô phỏng với tần số thấp 47KHz 54 5.2.3 Mô phỏng với tần số trung bình 71.4Khz 58 5.2.4 Mô phỏng với tần số cao 100KHz 61 Chương 6 Kết luận 64 Tài liệu tham khảo 66 ix DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Đặc tuyến (U, P) theo C.S.Moo 6 Hình 1.2: Đặc tuyến (I, P) theo C.S.Moo 6 Hình 1.3: Đặc tuyến của đèn huỳnh quang theo T. Wu 7 Hình 1.4: Mô hình đèn huỳnh quang theo T Wu 7 Hình 1.5: Mô hình Ballast điện tử kết hợp với đèn huỳnh quang theo T Wu 8 Hình 1.6: Đặc tuyến đèn theo Naoki Onishi 8 Hình 1.7: Mô hình Ballast điện tử theo Naoki Onishi 9 Hình1.8: Mô hình bộ nghịch lưu, Ballast điện tử 10 Hình 2.1. Công cụ cftool của Matlap hỗ trợ hồi quy 23 Hình 3.1 Thí nghiệm đo thông số đèn 24 Hình 3.2: Đặc tuyến U-I của đèn phillip 36 W 25 Hình 3.3: Phân tích đặc tuyến U-I của đèn 26 Hình 3.4: Phân tích đặc tuyến R-P 26 Hình 3.5: Công cụ Cftool tính thông số cho mô hình R-I 35 Hình 3.6: Kết quả tính toán cho mô hình R-P theo dạng hàm bậc 2 36 Hình 3.7 kết quả của mô hình R-P dạng hàm mũ bình phương 37 Hình 3.8: Chức năng tạo mã tính toán bằng công cụ Cftool 39 Hình 4.1: Cấu tạo mạch nghịch lưu bán cầu 41 Hình 4.2 Sơ đồ nguyên lý Ballast điện tử 41 Hình 4.3: Sơ đồ tương đương của đèn và Ballast điện tử ở chế độ khởi động 42 x Hình 4.4 Mối liên hệ giữa tỷ số điện áp trên đèn/ điện áp nguồn và tỷ số , , . 43 Hình 4.5 Sơ đồ tương đương của đèn ở chế độ xác lập 44 Hình 4.6 Sơ đồ tương đương của Ballast và đèn khi xét tới ảnh hưởng của dây dẫn 45 Hình 4.7 Thí nghiệm điều khiển công suất đèn 48 Hình 4.8 Tương quan giữa Ls Và Plamp khi k2 thay đổi 48 Hình 4.9 Giá trị điện áp trên đèn hoạt động tại tầm công suất thấp theo giá trị Ls 51 Hình 5.1: Mô hình Ballast điện tử kết hợp với đèn huỳnh quan. 53 Hình 5.2: Mô hình đèn thể hiện mối liện hệ giữa R và I 53 Hình 5.3: Mô hình đèn thể hiện mối liên hệ giữa R và P bằng hàm bậc 2 54 Hình 5.4: Mô hình đèn thể hiện mối quan hệ giữa R và P theo hàm mũ 54 Hình 5.5 Dòng điện và điện áp mô hình R-I trong giai đoạn khởi động(47KHz) 55 Hình 5.6: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm bậc 2 trong giai đoạn khởi động(47KHz) 55 Hình 5.7: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm mũ trong giai đoạn khởi động(47KHz) 56 Hình 5.8 Tổng hợp dạng sóng dòng điện của ba mô hình (47KHz) 56 Hình 5.9 Tổng hợp dạng sóng điện áp của ba mô hình (47KHz) 57 Hình 5.10: Dạng sóng điện áp và dòng điện qua đèn (47KHz) 57 Hình 5.11: Dòng điện và điện áp mô hình R-I trong giai đoạn khởi động(71.4KHz) 58 Hình 5.12: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm bậc 2 trong giai đoạn khởi động(71.4KHz) 58 Hình 5.13: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm mũ trong giai đoạn khởi động (71.4KHz) 59 Hình 5.14: Tổng hợp dạng sóng dòng điện của ba mô hình(71.4KHz) 59 Hình5.15: Tổng hợp dạng sóng điện áp của ba mô hình(71.4KHz) 60 xi Hình 5.16: Dạng sóng điện áp và dòng điện qua đèn (71.4KHz) 60 Hình 5.17: Dòng điện và điện áp mô hình R-I khi vừa khởi động(100KHz) 61 Hình 5.18: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm bậc hai khi vừa khởi động(100KHz) 61 Hình 5.19: Dòng điện và điện áp mô hình R-P theo hàm mũ khi vừa khởi động(100KHz) 62 Hình 5.20: Dạng sóng điện áp tổng hợp của ba mô hình(100KHz) 62 Hình 5.21: Dạng sóng dòng điện tổng hợp của ba mô hình(100KHz) 62 Hình 5.22 Dạng sóng điện áp và dòng điện qua đèn (100KHz) 63 xii DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 3.1: Các thông số đo đạt của đèn T8 36W Philliip 24 Bảng 3.2: Tổng hợp các thông số mô hình 37 Bảng 4.1 Thông số đèn thí nghiệm 48 Bảng 4.2 Thể hiện thông số chấn lưu điện tử của các loại đèn 49 Luận văn thạc sỹ Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 1 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Sử dụng năng lượng cho chiếu sáng ngày càng chiếm tỉ trọng lớn và tăng nhanh đáng kể trong tổng nhu cầu về năng lượng sử dụng trong các toà nhà và sự phát thải khí nhà kính. Tại Việt Nam, hiện nay sản lượng điện cần cung cấp cho các toà nhà (nhà hàng, khách sạn, TT, thương mại, sinh hoạt….) gần 13.924 tỷ kWh tương đương với 48% cơ cấu điện thương phẩm. Nhu cầu sử dụng năng lượng của các toà nhà ngày một tăng: So sánh các năm 2006 và 2009 có trên 600 toà nhà trụ sở làm việc có mức năng lượng tiêu hao tăng so với cùng kỳ (một số đơn vị tăng 3,6 lần). Trong toàn bộ các hệ thống kỹ thuật sử dụng năng lượng (điều hoà không khí, chiếu sáng, thang máy, cấp nước, thiết bị khác…1) phục vụ cho hoạt động của các toà nhà thì hệ thống chiếu sáng là một trong những hệ thống chiếm tỷ lệ sử dụng lớn trong cơ cấu tiêu thụ năng lượng điện trong các tòa nhà. Hiện trạng sử dụng năng lượng tại các toà nhà được khảo sát trong năm 2008 - 2009 cho thấy rằng chiếu sáng là lĩnh vực tiêu thụ năng lượng chỉ sau lĩnh vực điều hoà không khí và tỉ lệ tiêu thụ năng lượng cụ thể như sau: Toà nhà công sở: 11,5%; Khách sạn: 18 %; Trung tâm thương mại: 9,11% Do vậy, nếu tiết kiệm điện cho hệ thống này đồng nghĩa với việc tiết kiệm được điện năng tiêu thụ đáng kể trong các toà nhà công sở, tổ hợp văn phòng thương mại, khách sạn, chung cư… 1.1.1 Tiết kiệm điện trong chiếu sáng Giải pháp đơn giản nhất là tận dụng các nguồn sáng tự nhiên, giảm thiểu việc sử dụng thiết bị chiếu sáng. Tuy nhiên, khi bắt buộc phải sử dụng nguồn sáng nhân tạo thì có hai giải pháp chính cho việc tiết kiệm điện trong chiếu sáng điển hình như sau: Luận văn thạc sỹ Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 2 1.1.1.1 Sử dụng thiết bị chiếu sáng có hiệu suất phát sáng cao Giải pháp này là giải pháp thay thế các thiết bị chiếu sáng bởi các thiết bị chiếu sáng mới có tổn thất thấp hơn nhằm tiết kiệm năng lượng. Trong các thiết bị chiếu sáng hiện đang được sử dụng thì các bóng đèn sợi đốt có hiệu suất phát sáng thấp nhất. Nói cách khác, nó có sự tổn thất cao nhất. Nguyên nhân chính của hiệu suất phát sáng thấp là do đèn phát sáng dựa trên nguyên tắc đốt nóng của sợi đốt ở nhiệt độ cao nên phần lớn điện năng bị biến thành nhiệt năng. Bóng đèn sợi đốt hiện nay được khuyến cáo là không nên sử dụng cho mục đích chiếu sáng trừ các trường hợp có yêu cầu đặc biệt. Giải pháp chiếu sáng được khuyến nghị hiện nay tại Việt Nam và một số nước trên thế giới là sử dụng đèn huỳnh quang và đèn huỳnh quang compact. Trong khi hiệu suất phát sáng thông thường của đèn sợi đốt chỉ là từ 1 tới 3% thì đèn huỳnh quang và huỳnh quang compact là từ 15 tới 25% (thực tế do phải tiêu tán công suất cho các thiết bị phụ nên hiệu suất của đèn huỳnh quang vào khoảng 12% và đèn huỳnh quang compact vào khoảng 15%). Do có dải chiếu sáng rộng nên đèn huỳnh quang được sử dụng để chiếu sáng các không gian rộng như phòng họp, hội trường, nhà xưởng còn đèn huỳnh quang compact được sử dụng cho chiếu sáng trong không gian hẹp hoặc làm chiếu sáng công cộng. Nhược điểm lớn nhất của đèn huỳnh quang và đèn huỳnh quang compact là nó có chứa thủy ngân nên nó gây hại lớn cho môi trường nên cần một chế độ thu gom và tiêu hủy đèn hỏng đặc biệt. 1.1.1.2 Sử dụng thiết bị điều khiển để nâng hiệu suất của đèn huỳnh quang Mặc dù có sự xuất hiện của đèn huỳnh quang compact và đèn LED nhưng nhờ ưu điểm của mình đèn huỳnh quang dạng ống đang và vẫn sẽ được sử dụng rộng rãi. Ý tưởng phát triển các thiết bị điều khiển để nâng cao hiệu suất phát sáng là dựa trên đặc điểm phi tuyến của đèn huỳnh quang và người ta tìm cách đưa chế độ hoạt động của đèn về mức tối ưu nhằm tiết kiệm điện năng và kéo dài tuổi thọ của đèn. Khi phân tích hoạt động của đèn huỳnh quang dạng ống, người ta nhận thấy tính chất đặc biệt của đèn này sau khi khởi động là giảm điện áp cấp vào đèn sẽ làm giảm công suất tiêu thụ nhưng cường độ phát sáng thì giảm không đáng kể. Cụ thể là khi Luận văn thạc sỹ Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 3 điện áp giảm còn 80% điện áp định mức, công suất tiêu thụ sẽ giảm còn 70% định mức trong khi cường độ sáng của đèn chỉ giảm 5% (còn 95% cường độ sáng định mức), có nghĩa là hiệu suất phát sáng của đèn tăng lên. Dựa vào tính chất đặc biệt này người ta đã chế tạo ra các bộ tiết kiệm điện sử dụng cho đèn huỳnh quang. Bộ điều khiển này sẽ thực hiện việc giảm công suất tiêu thụ của đèn sau khi đèn khởi động xong. Có các bộ tiêu chuẩn chế tạo cho 10, 20 và 40W. Đèn huỳnh quang, một trong loại đèn phóng điện khí áp suất thấp, đã trở thành nguồn chiếu sáng nhân tạo phổ biến nhất kể vì chúng có hiệu suất chiếu sáng cao và tuổi thọ dài hơn các đèn sợi đốt. Các đèn huỳnh quang có đặc tính trở kháng âm vì thế chúng cần có một số thiết bị để hạn chế dòng được mắc nối tiếp với đèn. Chức năng của ballast đèn là cung cấp một điện áp mồi thích hợp và kế đến là hạn chế dòng điện chạy qua đèn trong suốt quá trình hoạt động ổn đinh. Ballast của các lại đèn huỳnh quang có thể phân loại thành ballast điện từ có tần số dòng thông thường và ballast điện tử có tần số cao. Ballast điện tử hoạt động ở tần số cao (trên 25kHz) có thể đạt được một hệ số công suất cao hơn và tăng hiệu suất chiếu sáng lên 10- 20% ballast điện từ. Ngoài ra, kích thước và trọng lượng của các cuộn cảm được sử dụng trong một ballast điện tử nhỏ hơn nhiều so với ballast điện từ. Hoạt động ở tần số cao của đèn huỳnh quang là một kỹ thuật được sử dụng ngày càng tăng, với mục tiêu nâng cao chất lượng hệ thống chiếu sáng huỳnh quang. Chúng ta biết rằng đèn huỳnh quang hoạt động ở tần số cao sẽ có hiệu quả phát sáng cao hơn. Khi đèn huỳnh quang thể hiện một đặc tính điện trở âm, một dòng điều khiển ballast là cần thiết, để hạn chế dòng phóng điện. các mô hình tính toán đèn huỳnh quang, mô phỏng chính xác hành vi thực sự của đèn huỳnh quang, trở nên vô cùng cần thiết. Những mô hình đèn huỳnh quang tần số cao này được sử dụng cho nghiên cứu tối ưu hóa trên quan niệm về ballast điện tử. Khi nhu cầu phát triển các ballast điện tử cho các loại đèn huỳnh quang tăng lên, mô phỏng máy tính của mạch ballast điện tử trở nên hấp dẫn hơn cho các nhà thiết kế mạch để giảm bớt các thủ tục thiết kế và để có được thông tin chi tiết về các hoạt động mạch. Trong mô phỏng của ballast điện tử với tần số cao (hơn khoảng 10 kHz) [...]... của đèn huỳnh quang và ballast điện tử ♦ Phương pháp xây dựng mô hình: Phương pháp xây dựng mô hình dùng để xây dựng mô hình cho đèn huỳnh quang dựa theo các kết quả thực nghiệm ♦ Phương pháp mô phỏng: Phương pháp mô phỏng dùng để kiểm chứng kết quả các mô hình có được từ mô hình đèn huỳnh quang và ballast điện tử 1.5 Các bước tiến hành Bước 1: Xây dựng thí nghiệm khảo sát đặc tuyến làm việc của đèn huỳnh. .. hoạt động của đèn huỳnh quang và ballast điện tử Khảo sát đặc tuyến làm việc của một loại đèn và ballast trên thị trường Xây dựng mô hình toán học cho đặc tuyến làm việc của đèn Đề xuất lựa chọn thông số cho mô hình ballast điện tử Thiết kế mô hình ballast cho ballast được khảo sát Kiểm chứng mô hình đèn và mô hình ballast làm việc tại nhiều điều kiện khác nhau 1.2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu Xây dựng thí nghiệm... huỳnh quang Philip T8 và ballast điện tử Tritonic Bước 2: Dùng công cụ overfiting và các hàm hồi quy để xây dựng mô hình đèn Bước 3: Khảo sát nguyên lý làm việc của đèn huỳnh quang và phân tích hoạt động của đèn ở chế độ xác lập, chế độ quá độ Bước 4: Dựa vào phân tích hoạt động của đèn và các số liệu thực nghiệm, đề xuất phương pháp thiết kế mô hình ballast điện tử Bước 5: Tiến hành mô phỏng và so... khảo sát đặc tính đèn Khảo sát đặc tuyến làm việc của đèn huỳnh quang T8 Phillip 36 W và ballast TRITONIC 36W Xây dựng mô hình đèn cho đèn T8 Phillip 36 W và ballast TRITONIC 36W Đề xuất quy trình xác định thông số cho mô hình ballast điện tử T8 Phillip 36 W Thiết kế mô hình ballast cho ballast TRITONIC 36W So sánh hoạt động của mô hình so với thực nghiệm 1.3 Đối tượng nghiên cứu và giới hạn nghiên... Ls thuyết phục cho mô hình ballast điện tử 1.6.2 Điểm mới của luận văn ♦ Là nghiên cứu đầu tiên có sự so sánh tính tương đồng giữa các mô hình đèn huỳnh quang với nguyên mẫu ♦ Xây dựng mô hình Ballast điện tử trong môi trường Matlab Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 10 Luận văn thạc sỹ 1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn ♦ Cung cấp mô hình bóng đèn huỳnh quang và ballast điện tử trong môi trường Matlab, phục... mô hình ballast điện tử cho đèn Hình 1.4 Mô hình đèn huỳnh quang theo T Wu Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 7 Luận văn thạc sỹ Hình 1.5 Mô hình Ballast đi tử kết hợp với đèn huỳnh quang theo T Wu ast điện W Ưu điểm của phương pháp này là có thể kết hợp với các mô hình khác của phần mềm Pspice, từ đó tạo ra mộ ứng dụng lớn hơn ột Tuy nhiên nhược điểm của công trình này là không chỉ ra tính phi tuyế của đèn. .. Philip 36W hoạt động kèm với ballast 36W Tritonic Kết quả thực nghiệm được sử dụng để xây dụng ba mô hình đèn dựa theo các mô hình được đề nghị ở các công trình khác Một phương pháp xác định mô hình vật lý cho ballast Tritonic được đề nghị dựa vào thí nghiệm thực tế Mô hình đèn và ballast được mô phỏng trong môi trường Matlab và kiểm nghiệm với thực tế trong nhiều tần số khác nhau Kết quả mô phỏng đạt... trúc chuẩn ở Hình 1.8 Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 9 Luận văn thạc sỹ Hình1 .8 Mô hình bộ nghịch lưu, ballast điện tử Hình 1.8 thể hiện mô hình bộ nghịch lưu, ballast điện tử khi nối với đèn, trong đó L là điện cảm bộ nghịch lưu, Cs là điện dung bộ nghịch lưu, và Cp là điện dung của đèn, kết hợp với dây dẫn Phương pháp của C.Min dựa trên giả định mối liên hệ giữa công suất và điện trở của đèn là một hàm... hoạt động, mô hình đèn huỳnh quang có thể được trình bày như là một điện trở tương đương Tuy nhiên, trở kháng tương đương đèn là khác nhau ở các cấp độ điều chỉnh khác nhau theo đặc tính trở kháng âm của bóng đèn Do đó, trở kháng đèn là thấp hơn ở mức năng lượng cao và cao hơn ở mức năng lượng thấp nhất có thể điều chỉnh được 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động. .. vào nghiên cứu mô hình đèn huỳnh quang hoạt động ở tần số cao Đặc biệt các loại ballast điện tử cho phép thay đổi công suất làm việc của đèn nhằm đạt được hiệu quả thẩm mỹ cũng như tự động điều khiển để đạt được các yêu cầu về độ chiếu sáng mà Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 5 Luận văn thạc sỹ vẫn tiết kiệm điện thì vẫn chưa được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình Tại nước ngoài, ballast điện tử . sát đặc tuyến làm việc của đèn huỳnh quang và ballast điện tử. ♦ Phương pháp xây dựng mô hình: Phương pháp xây dựng mô hình dùng để xây dựng mô hình cho đèn huỳnh quang dựa theo các kết quả. thường và ballast điện tử có tần số cao. Ballast điện tử hoạt động ở tần số cao (trên 25kHz) có thể đạt được một hệ số công suất cao hơn và tăng hiệu suất chiếu sáng lên 10- 20% ballast điện từ 7 Hình 1.5: Mô hình Ballast điện tử kết hợp với đèn huỳnh quang theo T Wu 8 Hình 1.6: Đặc tuyến đèn theo Naoki Onishi 8 Hình 1.7: Mô hình Ballast điện tử theo Naoki Onishi 9 Hình1 .8: Mô hình