3.3.1 Giới thiệu công cụ Cftool
Trong matlab có cung cấp cho người sử dụng một bộ công cụ Curve Fiting Tool. Bộ công cụ này cung cấp cho người dùng một giao diện đồ họa linh hoạt giúp bạn dễ dàng tương tác để chọn đường cong phù hợp với dữ liệu đầu vào của bạn. Với bộ công cụ này bạn có thể:
- Tạo, vẽ và so sánh các đường cong với nhau.
- Sử dụng hồi quy tuyến tính và phi tuyến, nội suy, hồi quy cục bộ, hoặc các phương trình tùy chỉnh.
- Xem các kết quả thống kê, khoảng tin cậy, giá trị ngoại lệ và mức độ hợp lệ
của dữ liệu ban đầu đối với từng đường cong.
- Tựđộng phát sinh ra code tương ứng với những đường cong đó.
Để sử dụng tool này trong matlab bạn gõ lệnh cftool. Giao diện công cụ hỗ
trợ sẽ xuất hiện để ta có thể nhập thông số của mô hình.
Với công cụ này thì cho ra các chỉ số đánh giá SSE, R-Square (phương sai bình phương), Adjusted R-Square (phương sai bình phương sau khi điều chỉnh), RMSE (phương sai lỗi).
3.3.2 Kết quả mô hình
Mô hình hàm mũ R_I
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 35
Hình 3.5 Công cụ Cftool tính thông số cho mô hình R-I. Ta được kết quả như sau:
He so cua phuong trinh: R=[A_0+A_(1 ) e^(-A_2 I)-A_3 e^(-A_4 I) ]/I A0 = -876 A1 = -2.283 A2 = -12.86 A3 = -12.86 A4 = -0.3263 SSE = 5.032e+04 PhuongSaiBinhPhuong R^2 = 0.9581 PhuongSaiLoi = 100.3
Đối với mô hình R-R theo dạng hàm bậc 2, kết quả tính toán được cho ở hình 3.6:
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 36
Hình 3.6 Kết quả tính toán cho mô hình R-P theo dạng hàm bậc 2. Ta được kết quả như sau:
He so cua phuong trinh bac 2: R=AP^2+BP+C A = -0.0799 B = -41.35 C = 1748 SSE = 6.546e+04 PhuongSaiBinhPhuong R^2 = 0.9455 PhuongSaiLoi = 96.7 Đối với mô hình R-P dạng hàm mũ bậc 2: = + , kết quả tính toán được thể hiện ở hình 3.7
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 37
Hình 3.7 Kết quả của mô hình R-P dạng hàm mũ bình phương. Ta được kết quả như sau:
He so cua phuong trinh: R=Ae^BP+Ce^DP A = 3728 B = -0.07186 C = -1.204e+04 D = -0.3125 SSE = 2.123e+04 PhuongSaiBinhPhuong R^2 = 0.9823 PhuongSaiLoi = 59.48
Thông số cho các mô hình được tổng kết trong bảng 3.2
Bảng 3.2: Tổng hợp các thông số mô hình Thông số Phương án 1 Phương án 2 Mô hình 1
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 38 A0 -21.129 -876 A1 72.836 -2.283 A2 0.141025 -12.86 A3 -72.837 -12.86 A4 0.141161 -0.3263 Mô hình 2 A -0.0799 -0.0799 B -41.3515 -41.35 C 1748.163 1748 Mô hình 3 A 1113.594 3728 B -0.04951 -0.07186 C 1113.592 -1.20E+04 D -0.04945 -0.3125
Bằng cách sử dụng chức năng gencode của công cụ cftool như hình 3.8, ta có thể
tạo được đoạn mã chương trình có chức năng tính toán các giá trị thông số như công cụ cftool.
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 39
Hình 3.8 Chức năng tạo mã tính toán bằng công cụ Cftool.
Đoạn Code tạo ra có dạng như sau:
ft = fittype( 'exp2' ); opts = fitoptions( ft ); opts.Display = 'Off';
opts.Lower = [-Inf -Inf -Inf -Inf];
opts.StartPoint = [2999.21154313076 -0.063102711842363 -25491.1647101052 -0.446523976010723]; opts.Upper = [Inf Inf Inf Inf];
% Fit model to data.
[fitresult, gof] = fit( xData, yData, ft, opts );
Theo đó lệnh được sử dụng trong cftool là lệnh fit dùng để tính toán thông số cho mô hình được định nghĩa trong biến ‘ft’. Vì kết quả tính toán của cftool có hệ số R lớn hơn nên ta chọn các mô hình bằng Cftool để thực hiện việc mô phỏng.
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 40
Chương 4
MÔ HÌNH BALLAST ĐIỆN TỬ
4.1 Ballast điện tử
Đèn huỳnh quang là thiết bị có đặc tính trở kháng âm, có nghĩa là đặc tuyến dòng
điện- điện áp của nó trái với các điện trở thường. Trong điện trở thường, nếu điện áp tăng thì dòng điện cũng sẽ tăng tương ứng theo định luật Ohm. Tuy nhiên đối với
điện trở âm, dòng điện sẽ giảm nếu điện áp tăng và ngược lại. Một số thiết bị khác cũng có điện trở âm đó là diode hoặc op-amp. Vì vậy để thiết bị này có thể hoạt
động tốt, đặc biệt ở chế độ thay đổi công suất thì mạch ballast điện tử đi kèm phải
được thiết kế phù hợp.
4.1.1 Cấu tạo ballast điện tử
Do đặc điểm của đèn, ballast điện tử phải tạo ra một điện áp cao ngay khi đèn bắt
đầu làm việc, sau đó hạn dòng khi đèn đã ở chế độ xác lập. Có hai loại ballast thường dùng là ballast điện từ và ballast điện tử. Ballast điện từ hoạt động ở điện áp và tần số 50Hz trong khi ballast điện tử hoạt động ở tần số lớn hơn 25KHz. Người ta chứng minh rằng khi làm việc ở tần số cao, đèn huỳnh quang sẽ có hệ số
công suất cao hơn, hiệu suất chiếu sáng cũng tăng lên tờ 10-20% so với ballast điện từ thông thường. Ngày nay, các ballast điện tử trên thị trường ngoài việc hoạt động
ở tần số cao còn cho phép khả năng thay đổi công suất làm việc để tạo nhiều hiệu
ứng phục vụ cho các mục đích thương mại khác nhau.
Để có thểđáp ứng cho yêu cầu thay đổi tần số, một mạch nghịch lưu dạng bán cầu thường được sử dụng như Hình 4.1.
Trong mạch trên, điện áp xoay chiều 50/60Hz được qua một mạch chỉnh lưu để tạo
điện áp một chiều DC, điện áp này dùng để tạo ra điện áp xoay chiều thông qua một mạch nghịch lưu một pha, các linh kiện đóng cắt Q1, Q2 được điều khiển theo nguyên tắc Q1+Q2=0. Khi Q1 đóng, Q2 mở, điện áp trên tải đạt được là Vdc trong
Nguyễn Nhật Hải Triều khi nếu Q2 đóng Q1 mở thì chặn dòng chạy ngược nhằm Hình 4.1 Nhằm đạt được điện áp cao mạch dao động nối tiếp, song so Hình 4.2 Trong Hình 4.2 , khi Q1 và xung vuông được tạo ra tại một mạch lọc dao động gồ động này có tác dụng hạn dòng đểđảm bảo điện áp cao cho đ với tải đèn. Đểđiện áp khở tụ Cs nhiều lần. Vì vậy giá tr thì điện áp ngõ ra là –Vdc. Các diode đượ m bảo vệ cho các thiết bịđóng cắt. Hình 4.1 Cấu tạo mạch nghịch lưu bán cầu. cao khi khởi động và hạn dòng trong chế độ
, song song được sử dụng như Hình 4.2.
Hình 4.2 Sơđồ nguyên lý ballast điện tử.
và Q2 đóng cắt tại tần số cao với chu kỳ 50%, i ngõ ra của bộ nghịch lưu. Điện áp này đư ồm cuộn dây Ls và tụ điện Cs mắc nối tiế
dòng cho đèn khi hoạt động ở chế độ xác l cho đèn khi khởi động, một tụđiện Cf được m
ởi động cao, tổng trở của tụ Cf phải lớn hơn giá trị Cs thường được chọn lớn hơn Cf khoảng 10 l
Trang 41
ợc sử dụng để
ộ xác lập, một
%, một điện áp y được đưa vào
ếp. Mạch dao c lập. Ngoài ra, mắc song song
ơn tổng trở của ng 10 lần.
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 42
4.1.2 Nguyên tắc hoạt động
Gọi Vs(t) là điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu, thành phần hài cơ bản của điện áp này là Vs. Điện áp hài bậc cơ bản của Vs được tính bằng công thức = √ .
Để thuận lợi cho việc khảo sát hoạt động của đèn, một số giả thiết sau được áp dụng:
(1). Các thiết bị chuyển mạch được giả thiết hoạt động ở chếđộ lý tưởng, vì vậy có thể bỏ qua tổn hao về công suất cũng như các hài bậc cao xuất hiện khi đóng cắt thiết bị.
(2). Điện trở các dây nối cho đèn là không đáng kể. (3). Mối liên hệ giữa CS và Cf là: CS = kCf
Để cung cấp đủđiện áp mồi, giảđịnh rằng CS>>Cf và k≥ 10.
Điều này cho phép ta giả thiết có thể bỏ qua ảnh hưởng của Cs khi khởi động và bỏ
qua ảnh hưởng của Cf khi đèn làm việc ở chếđộ xác lập. (4) Đèn được coi là có điện trở cực lớn khi vừa khởi động. Chếđộ khởi động
Hình 4.3 thể hiện một mạch tương đương khi vừa bắt đầu cấp điện. Dựa vào các giả định trên, CS có thể bỏ qua trong chế độ này. Do điện trở đèn lúc khở động có thể
coi là vô cùng lớn, điện trở này có thể xem là hở mạch.
Hình 4.3 Sơđồ tương đương của đèn và ballast điện tửở chếđộ khởi động. Vì vậy mạch có thể xem như một mạch cộng hưởng LC. Mạch LC cộng hưởng khi ZLs= ZCf. Vì vậy tần số cộng hưởng lúc khởi động được xác định bằng công thức:
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 43
Mối liên hệ giữa điện áp khởi động đèn và điện áp ngõ vào của mạch cộng hưởng
được mô tả như công thức: , = , , , = , (4.2)
Thế công thức 4.1 vào 4.2 ta có quan hệ giữa tỷ sốđiện áp và tỷ số giữa tần số làm việc và tần số cộng hưởng như sau: , = , , (4.3)
Đặc tính tần số của mạch cộng hưởng được mô tả trong hình 3 được rút ra từ (4.4). Theo đó để có thể duy trì điện áp khởi động cao, tỷ số ,
, được chọn từ 1 đến 1.1. Dòng điện khởi động của đèn theo đó được tính bởi: , = √ (4.4)
Hình 4.4 Mối liên hệ giữa tỷ sốđiện áp trên đèn/ điện áp nguồn và tỷ số , , . Chếđộ xác lập
Trong chế độ xác lập, mạch tương đương của ballast điện tử và đèn được thể hiện như trong hình 4.5 .Theo đó quá trình hoạt động ở trạng thái xác lập được xem như
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 44
Hình 4.5 Sơđồ tương đương của đèn ở chếđộ xác lập.
Vì CS >> Cf , mà tổng trỏ của Cf lớn hơn nhiều so với tổng trở của đèn nên có thể
coi trong chếđộ xác lập có thể bỏ qua ảnh hưởng của Cf. Tần số cộng hưởng ở trạng thái ổn định là:
, = 1
Gọi điện áp trên đèn là Vlamp, điện áp tại nguồn là Vs góc pha theta. Lúc này dòng điện qua đèn được tính theo công thức:
= √ ∠ = + (4.5) Với = √2 sin − 1 = √2 cos − − 1
Vì đèn được coi là một điện trở thuần nên phần ảo của dòng điện sẽ bằng 0. Dòng điện và điện áp trên đèn sẽ là:
= √ cos (4.6)
=
√
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 45
4.1.3 Thay đổi công suất làm việc của đèn (dimming)
Để thay đổi công suất làm việc của đèn, ba phương pháp thông dụng thường được sử dụng là thay đổi điện áp DC, thay đổi tần số làm việc, và thay đổi trở kháng. a. Thay đổi điện áp làm việc
Khi kể tới điện trở của dây dẫn, mạch hoàn chỉnh của sơ đồ làm việc được cho bởi hình sau:
Hình 4.6 Sơđồ tương đương của ballast và đèn khi xét tới ảnh hưởng của dây dẫn.
= ( ) + = ( )∠0 + (4.8) = + ( ) = ( ) − ( ) + ( ) + ( ) (4.9) Với = − = 1 = 2 = +
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 46
=
√ ( ) − + ( ) + (4.10)
Công thức 4.10 cho thấy chỉ cần thay đổi điện áp DC của bộ nghịch lưu thì có thể
thay đổi điện áp ra trên đèn, từđó thay đổi công suất đèn. b. Thay đổi tần số làm việc
Thay đổi tổng trở làm việc cũng là thay đổi các thông số liên quan đên ZLs, Zcs, Zcf.
Công thức liên hệ giữa điện áp trên đèn và điện áp nguồn được cho như sau:
= ( ) − ( ) + − ( ) + ( ) (4.11)
Bỏ qua ảnh hưởng của Rf, mối liên hệ giữa tần số và điện áp ra trên đèn thể hiện ở
công thức 4.12: ( ) + ( ) 1 − + ( ) ( ) + ( ) − 2 − − ( ) ( ) + ( ) + ( ) 1 + + + ( ) ( ) − ( ) ( ) − + ( ) = 0 (4.12) c. Thay đổi tổng trở Từ phương trình 4.9 ta có thể viết lại thanh | | = ( ) −2 ( ) + ( ) + ( ) ( ) (4.13)
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 47 ( ( ) −| | ) + 2 ( ) + ( ) + ( ) + ( ) = 0 (4.14)
Phương trình 4.14 có hai nghiệm, một nghiệm âm và một nghiệm dương. Nghiệm dương đạt được khi tải của bộ nghịch lưu là tải cảm trong khi nghiệm âm thể hiện tải dung như phương trình 4.15: = ( ) + ( ) + ( ) ( ) ± ( ) − ( ) + ( ) + ( ) ( ( ) −| | ) (4.15)
Từ 4.15 ta thấy tổng trở của mạch dao động phụ thuộc vào cả điện áp và tần số của bộ nghịch lưu. Điều này cho phép thay đổi công suất của tải bằng cách thay đổi cả
tần số và điện áp.
4.2 Thiết kế ballast điện tử
Đặt k1, k2, k3 lần lược là các hệ số thỏa mãn hệ phương trình: ZCf = k1ZCs
ZLs = k2ZCs ZCf = k3Rlamp
Việc thiết kế chần lưu điện tử phải được thực hiện sao cho điện áp khởi động đủ lớn
để khởi động đèn trong khi điện áp làm việc phải nhỏ. Vì vậy k1 được chọn lớn hơn hoặc bằng 10.
Khi đèn làm việc, ảnh hưởng của tụ Cf cần được loại bỏ, vì vậy ZCf>>Rlamp. Do đó k3được chọn từ 1 10.
Một thí nghiệm được thiết lập như hình 4.7 với đèn 40W thông số như trong bảng 4.1 đã cho kết quả mối liên hệ giữa công suất P và điện cảm Ls của đèn khi hệ số k2 thay đổi như trong hình 4.8
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 48 Bảng 4.1 Thông sốđèn thí nghiệm Điện áp 110VAC 60Hz Loại đèn TFL FL 40D/38 Công suất định mức đèn 40W Điện áp định mức 110Vrms Tần số chuyển đổi 30Khz Điện áp DC 311V
Hình 4.7 Thí nghiệm điều khiển công suất đèn.
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 49
Bảng 4.2 Thể hiện thông số ballast điện tử của các loại đèn
Lamp TFC 40D/38 PHILLIP TFC 36D-T8 OSRAM 54W
Tần số chuyển mạch 30 30 30 30 Cf(nF) 2.5 2.16 2.09 2.03 Cs(nF) 25 21.6 20.9 20.3 Ls(mH) 2.49 2.59 2.89 2.3
Như hình 4.8 ta nhận thấy để có thể đạt được công suất cao bằng định mức đèn ở
tần số làm việc 30KHz, hệ số k2 phải chọn khoảng 1.49.
Từ các điều kiện về các hệ số k1, k2, k3, việc lựa chọn thông số cho ballast điện tử
có thểđược thực hiện bằng hệ phương trình sau:
= (4.16)
= (4.17)
= (4.18)
4.3 Xây dựng mô hình cho ballast điện tử
a. Quy trình thực hiện.
Ngày nay trên thị trường có nhiều loại ballast có khả năng thay đổi công suất cho
đèn huỳnh quang. Bên cạnh đó, các ballast này còn đòi hỏi các tiêu chuẩn về chống bụi và bảo vệ chống các sự cố ngắn mạch một chiều cũng như xoay chiều. Vì vậy mạch thực tế của một ballast điện tử rất phức tạp.
Để xác định thông số Ls, Cs, Cf cho một ballast bất kỳ khi tiến hành mô phỏng, các thí nghiệm thực tếđược tiến hành theo quy trình sau:
Đo dòng điện và điện áp làm việc của đèn tại tầm công suất cực đại. Sau đó xác
Nguyễn Nhật Hải Triều Trang 50
Ứng với điện áp thấp nhất và dòng điện cao nhất, giá trị Cf sẽ được xác định theo công thức 4.16.
Giá trị tụ Cs được xác định theo công thức 4.17 với k2 được chọn bằng 10.
Theo công thức 4.9, khi đèn làm việc ở chế độ công suất thấp nhất, ứng với tần số
làm việc cao nhất, lúc đó điện trở đèn lớn nhất và có thể coi là có tác động lên hoạt
động của mạch. Lúc này điện áp trên đèn có thể tính bằng công thức:
= ∗ (4.10) Với = 1 = 1 1 + 1 + 1 = + 1
Các giá trị Vs và Vlamp có thểđo được từ thực tế và với Ls được chọn từ 2-4 mH Một chương trình máy tính được phát triển để tính điện áp trên đèn theo giá trị tụ điện Cp và Cs. Sao cho điện áp trên đèn đạt được gần thực tế nhất.
b. Tính toán thực tế
Thí nghiệm với đèn T8, chấn lưu điện tử 36W của TRITONIC. Bảng số liệu có
được như bảng 3.1. Tại thí nghiệm đo với công suất lớn nhất, tức là Rlamp đạt được