6. Bố cục của luận án
2.1.2Đèn phóng điện
Như tên gọi, các bóng đèn này làm việc theo nguyên lý phóng điện trong chất khí có hơi thủy ngân nên phát ra tia tử ngoại, tia này đập vào chất huỳnh quang ở bên trong thành ống, kích thích các nguyên tửphát ra ánh sáng. Có đến 30% năng lượng điện tiêu thụđược chuyển thành ánh sáng, do đó dùng đèn phóng điện tiết kiệm điện hơn rất nhiều so với bóng đèn sợi đốt, ít bị nóng lên vô ích.[25]
Sơ đồđơn giản của bóng đèn phóng điện với chấn lưu được thể hiện trong hình 2.2. Đèn phóng điện, có đặc tính điện trở âm [53]. Do đặc tính điện trở âm này, đèn phóng điện sẽ tạo ra dòng điện quá mức có thể gây phá hủy đèn tức thì nếu hoạt động trực tiếp
24 từ điện áp đường dây [54] Chấn lưu được mắc nối tiếp để cung cấp điện áp khởi động và hoạt động thích hợp và sau đó hạn chếdòng điện để bắt đầu và duy trì phóng điện hồ quang giữa hai điện cực của bóng đèn. Dòng điện (ia) và điện áp (Va) của bóng đèn có các đặc tính phi tuyến [54]. Có hai loại chấn lưu thường được sử dụng; chấn lưu điện từ và chấn lưu điện tử. Mặc dù chấn lưu điện tửđang có nhu cầu lớn hiện nay nhưng chấn lưu điện từ vẫn được sử dụng phổ biến nhất do giá thành rẻ và thiết kếđơn giản.
Hình 2.2: Sơ đồbóng đèn phóng điện.
Hình 2.3 chỉ ra sơ đồbóng đèn phóng điện sử dụng chấn lưu điện tử
Hình 2.3: Sơ đồ bóng đèn phóng điện sử dụng chấn lưu điện tử .
Chấn lưu thường có các loại như chấn lưu cảm ứng-điện trở (RL), cảm ứng-điện dung (LC) và chấn lưu từ (L), trong đó chấn lưu điện từđược sử dụng rộng rãi hơn cả. Chấn lưu điện từ lấy dòng điện phản kháng từ nguồn cung cấp. Hình 2.2 cho thấy sơ đồ mạch điện của một đèn phóng điện với chấn lưu điện từ. Để nâng cao hệ số công suất, người ta mắc song song một tụđiện với nguồn. Giả sử rằng điện áp đầu vào (Vin) là hình sin, nó có thểđược tính như sau:
25 Vin(t)=Vinsin (ωt+φ) (2.1) Trong đó Vin biểu thịbiên độ của sóng sin, φ là độ lệch pha giữa điện áp đèn (Va) so với điện áp đầu vào (Vin), ω là tần số góc dòng điện. Theo Lee, Seong và Nayar, Chemmangot [53], điện áp trên đèn phóng điện (Va) có thểđược coi là một sóng vuông
Va(t)=4Va
π ∑n=odd1nsin nωt (2.2) Trong đó Va biểu diễn biên độ của sóng vuông. Mặc dù điện áp của đèn có thể được tính gần đúng như một hình sóng vuông, Va gần như không đổi trong mỗi nửa chu kỳ, có thểđược đơn giản hóa thành một giá trịkhông đổi. Ngược lại với dòng điện của bóng đèn, Va có thểđược coi là không phụ thuộc vào các biến đổi điện áp đầu vào [54]. Do đó điện áp rơi trên chấn lưu có thểđược tính như sau:
VL=Ldia
dt = vin(t)-va(t) (2.3)
Bằng cách tích phân phương trình, i(t) có thểđược tính như sau: Ia(t)= Va
ωL(π2-ωt)- Vin
ωLcos(ωt+γ) (2.4) Trong những nghiên cứu đểđưa ra mô hình đặc tính cho đèn phóng điện, một số tác giả như M. Sun và B. L. Hesterman, G. W. Chang [55] , đã sử dụng điện trở cốđịnh để biểu diễn bóng đèn phóng điện khi mô phỏng mạch chấn lưu. Cách tiếp cận này chỉ có hiệu lực đối với một điểm hoạt động vì trong phạm vi hoạt động bình thường, điện trở hiệu dụng của bóng đèn phóng điện giảm khi tăng dòng điện của bóng đèn. Một cải tiến so với mô hình điện trở cố định là xây dựng hàm điện trở của đèn trở thành một hàm công suất trung bình. Một mô hình khác có thể sử dụng để xây dựng hàm điện trở là mô hình điện trở thay đổi, trong đó điện áp hiệu dụng của bóng đèn là hàm của dòng điện hiệu dụng, thay vì sử dụng hàm công suất trung bình. Quá trình tính trung bình liên quan đến việc tính toán giá trị của công suất đèn trung bình, hoặc dòng điện hiệu dụng của bóng đèn trong các mô hình điện trở thay đổi khiến cho điện trở của bóng đèn không thay đổi đột ngột trong nửa chu kỳ của dòng điện tần sốcao. Do đó, các đặc tính i-v tần số cao của các mô hình như vậy vềcơ bản là tuyến tính. Mặc dù các mô hình điện trở biến đổi tuyến tính rất hữu ích, chúng không thể dựđoán chính xác hệ số công suất của bóng đèn và hệ sốdòng điện đỉnh của bóng đènvì các đặc tính i-v động tức thời của đèn phóng điện và đèn cao áp natri là phi tuyến.
Mô hình đầu tiên trình bày đặc tuyến i-v phi tuyến của một bóng đèn phóng điện hoạt động ở tần sốcao được phát triển bởi Tokic, Amir và cộng sự [56]. Trong mô hình này,
26 điện áp đèn là một hàm khối của dòng đèn. Nghiên cứu của Tokic, Amir và cộng sự sử dụng phép nội suy đường khối để nội suy dữ liệu độ dẫn đo được và sau đó thu được một tập hợp các đa thức khối vuông để mô tả độ dẫn động của bóng đèn phóng điện. Bằng cách so sánh các kết quảđo và mô phỏng, nghiên cứu của Mader và Horn cho thấy rằng mô hình đề xuất là chính xác cho việc đánh giá các sóng hài của đèn phóng điện. Một nghiên cứu khác của Cepisca, Costin & Florin, Argatu & Grigorescu, Sorin & Seritan, George & M, Covrig [57] đề xuất phương pháp nội suy đường khối để mô hình hóa các đặc tính v-i của đèn phóng điện và đèn natri cao áp. Phương pháp nội suy đường khối là một cách tiếp cận mô hình chính xác và hiệu quả để xác định các thành phần sóng hài của bóng đèn và có thể được áp dụng để mô hình hóa các tải phóng hồ quang tương tự khác.
Kết luận lại, mô hình đèn phóng điện có thểđược mô tả bằng một hàm điện trởđộng, trong đó đặc tính i-v để tính toán giá trịđiện trởđộng có thểđược tính bằng phương án nội suy đường khối. Tải đèn phóng điện là tải phi tuyến nếu xét hoạt động ở tần số cao, còn với tần số thấp, tải đèn phóng điện là tải thuần cảm.