Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng sử dụng cắt mức biên sau điện áp và cảm biến quay đa hướng cho thiết bị chiếu sáng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ANH DŨNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ANH DŨNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN PHAN KIÊN TS NGUYỄN MẠNH CƯỜNG Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu luận án trung thực chưa tác giả khác công bố Giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả TS Nguyễn Phan Kiên Hoàng Anh Dũng TS Nguyễn Mạnh Cường LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Phan Kiên TS Nguyễn Mạnh Cường Hai thầy định hướng cho triển khai ý tưởng khoa học, tận tình hướng dẫn tơi suốt thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô Bộ môn Công nghệ Điện tử Kỹ thuật Y Sinh tạo điều kiện, định hướng, giúp đỡ động viên để tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Đặc biệt xin cảm ơn Khoa Công nghệ Điện tử Thông tin, Trường Đại học Mở Hà Nội giúp đỡ nhiều sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu góp ý định hướng nghiên cứu để tơi hồn thành tốt cơng trình nghiên cứu Tơi xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo Viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện cho trình học tập nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân, động viên tinh thần, thời gian vật chất để tơi có động lực công việc nghiên cứu khoa học Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả Hoàng Anh Dũng MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi DANH MỤC CÔNG THỨC x MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài, mục đích nghiên cứu: Mục đích nghiên cứu luận án 2 Phương pháp nghiên cứu luận án 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Các đóng góp luận án Bố cục luận án CHƯƠNG CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1.1 Chiến lược cải thiện yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng 1.2 Chiến lược cải thiện phương án thay bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp 1.3 Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm lượng 11 1.4 Tình hình nghiên cứu tiết kiệm lượng Việt Nam 13 1.4.1 Phân tích văn quy định chiếu sáng Việt Nam 13 1.4.2 Phân tích hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên 15 1.5 Kết luận chương 20 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CẢI TIỂN KHỐI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG 22 2.1 Mơ hình, đặc tính đối tượng đèn 22 2.1.1 Đèn LED 22 2.1.2 Đèn phóng điện 23 i 2.1.3 Kết luận mô hình đặc tính loại đèn 26 2.2 Phân tích phương pháp điều chỉnh điện áp dựa cắt biên trước 26 2.3 Xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa cắt biên sau 31 2.4 Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt biên sau 38 2.5 Kết luận chương 43 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUAY ĐA HƯỚNG 44 3.1 Tổng quan loại cảm biến ánh sáng sử dụng hệ thống tiết kiệm lượng 44 3.2 Phân tích số phương án cải tiến cảm biến ánh sáng 45 3.3 Xây dựng cảm biến quay ánh sáng 48 3.4 Xây dựng thuật toán cho cảm biến quay đa hướng 51 3.5 Kiểm tra kết phương pháp 52 3.5.1 Mô tả điều kiện kiểm thử 52 3.5.2 Kết kiểm thử đo cường độ ánh sáng đa hướng 53 3.5.3 Kết kiểm thử phát hướng sáng bị chặn nguồn sáng thay đổi đột ngột 54 3.5.4 Kết luận 55 3.6 Xây dựng vector đo ánh sáng đa hướng 56 3.7 Nghiên cứu giải pháp nâng cấp cảm biến 57 3.8 Kết đo sau nâng cấp cảm biến 62 3.8.1 Cảm biến quay lấy mẫu theo hướng – tham chiếu với cảm biến tĩnh 63 3.8.2 Cảm biến quay lấy mẫu theo 16 hướng 65 3.8.3 Phát nguồn sáng 66 3.8.4 Phát vật cản 68 3.9 Đề xuất ma trận tham số ảnh hưởng 68 3.10 Mô hệ điều khiển sử dụng liệu đo cảm biến ánh sáng quay đa hướng 71 ii 3.10.1 Mơ hình hệ thống điều khiển 71 3.10.2 Lựa chọn phương án mô 73 3.10.3 Các phương án tiền xử lý 78 3.10.4 Đánh giá hiệu kết mô 82 3.11 Kết luận chương 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 iii DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AC Alternate Current Dòng điện xoay chiều ADC Analog to Digital Conversion Chuyển đổi tương tự -số CCT Correlated Color Temperature) Chỉ số nhiệt độ màu CFL Compact fluorescent lamp Đèn compact huỳnh quang CRI Color Rendering Index Chỉ số hoàn màu DC Direct current Dòng điện chiều DIAC Diode for Alternating Curent Diode cho dòng xoay chiều EMI Electro Magnetic Interference Nhiễu điện từ IC Integrated Circuit Vi mạch IDE Integrated Development Environment Mơi trường tích hợp phát triển IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly IoT Internet of Things Internet vạn vật LED Light Emitting Diode Đèn diode phát quang LQR Linear Quadratic Regulator Điều khiển tối ưu tồn phương tuyến tính MCU Microcontroller Unit Vi điều khiển Metal - Oxide Semiconductor Field Transistor hiệu ứng trường MOSFET Effect Transistor PID Proportional Integral Derivative Điều khiển vi tích phân tỉ lệ PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung Căn bậc trung bình phương dịng RMS Root Mean Square điện xoay chiều SMPS Switch mode power supply Bộ nguồn chuyển mạch chế độ THD Total Harmonic Distortion Tổng méo hài TRIAC TRIode for Alternating Current Bán dẫn ba cực cho dòng xoay chiều TVS Transient voltage suppression Bộ triệt điện áp tạm thời iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh mức tiết kiệm lượng tuổi thọ loại bóng đèn Bảng 1.2: So sánh bóng đèn huỳnh quang T-5 bóng đèn LED T-8 11 Bảng 1.3: So sánh hiệu tiết kiệm điện giải pháp cải thiện chiếu sáng 13 Bảng 1.4: Bảng yêu cầu độ rọi trì tối thiểu cho phòng, khu vực làm việc 14 Bảng 1.5: Thông số điện sử dụng không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện 18 Bảng 3.1: So sánh ưu nhược điểm cảm biến đơn tĩnh mạng cảm biến 45 Bảng 3.2: Quan hệ số lượng hướng đo cảm biến, góc quay số lượng bước động 49 Bảng 3.3: Mô tả cảm biến quay 58 Bảng 3.4: Hàm thành viên cho biến đầu vào Error ngôn ngữ 74 Bảng 3.5: Hàm thành viên cho biến đầu vào DeltaError ngôn ngữ 75 Bảng 3.6 Tập hợp luật Fuzzy 76 Bảng 3.7: So sánh tỷ lệ tiết kiệm phương pháp điều khiển so với điều khiển cảm biến tĩnh 85 v DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các chiến lược tiết kiệm lượng cho chiếu sáng, theo thứ tự từ thấp đến cao độ hiệu (ở thấp nhất) Hình 1.2: Nguyên lý cân ánh sáng tự nhiên – ánh sáng nhân tạo 16 Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm điện sử dụng phương pháp dimming 17 Hình 1.4: Hình ảnh hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn 18 Hình 2.1: Ví dụ mơ hình nguồn chuyển mạch cho LED 23 Hình 2.2: Sơ đồ bóng đèn phóng điện 24 Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển tải TRIAC 27 Hình 2.4: Cắt mức lượng biên trước, với d khoảng thời gian điện áp mức 27 Hình 2.5: Điện áp dịng điện đèn sợi đốt điều chỉnh cắt biên trước; 28 Hình 2.6: Đồ thị tương quan cường độ đỉnh dòng điện đột biến giới hạn chịu đựng dòng điện đột biến ốt cầu 30 Hình 2.7: Mạch điện điều chỉnh cơng suất đèn LED phương pháp cắt biên trước 30 Hình 2.8: Đồ thị dịng điện điện áp qua tải bóng đèn LED phương án điều khiển điện áp cắt biên trước 31 Hình 2.9: Cắt mức lượng biên sau, với d thời gian điện áp mức 32 Hình 2.10: Sơ đồ khối thiết bị điều chỉnh mức sáng đèn dựa cắt biên sau 33 Hình 2.11: Khối bắt điểm không 33 Hình 2.12: Khối driver cho IGBT khối cắt pha (gồm IGBT cầu diode) 34 Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán điều khiển thiết bị 35 Hình 2.14: Tín hiệu bắt điểm không đưa vào vi điều khiển 35 Hình 2.15: Điện áp dịng điện đèn sợi đốt điều chỉnh cắt biên sau; 36 vi Hình 3.32: Kết trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng theo ngưỡng so với cảm biến tĩnh (iii) Phương pháp lấy giá trị cực đại Nếu coi giá trị cường độ ánh sáng đo từ hướng phản ánh chân thực cường độ ánh sáng mơi trường q trình sử dụng ánh sáng hồn tồn lấy nguồn sáng làm đối tượng để điều khiển cường độ ánh sáng xung quanh Phương pháp tìm giá trị cực đại tìm nguồn sáng ảnh hưởng nhiều đến cường độ ánh sáng môi trường dùng làm giá trị đầu vào cho điều khiển Ta có giá trị theo công thức sau: Ymax(t)= Max(E1, E2,…, EN) (3.12) Với Y giá trị trích chọn từ cảm biến, N số hướng đo cảm biến quay, Ei giá trị đo cảm biến hướng i Để thực tìm cực đại ta so sánh giá trị hướng đo với gán Ymax(t)=Ei(t) Ei(t)> Ymax(t) với 1< i