6. Bố cục của luận án
2.3 Xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên sau
Nghiên cứu đã đưa ra giải pháp cắt mức năng lượng biên sau, thay vì cắt mức năng lượng biên trước, đồng thời điều khiển bằng tín hiệu số. Phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau sẽ giải quyết các nhược điểm nói trên của phương pháp cắt mức năng lượng biên trước (bao gồm sự sinh nhiễu điện từ và sự giảm tuổi thọ của bóng đèn). Trong luận án, luận án đồng thời khảo sát sự tác động của phương
31 pháp này lên các đối tượng đèn khác nhau, cụ thể là đèn sợi đốt, đèn LED, đèn phóng điện vì bản chất của các loại đèn này rất khác nhau. Cụ thể, với các loại đèn sợi đốt thì tải được coi là tải thuần trở trong khi đèn LED, đèn phóng điện thì có dạng tải phi tuyến (vừa dạng tải cảm, vừa dạng tải dung tùy thuộc vào quá trình phóng điện (khởi tạo ban đầu) và quá trình ổn định khi đèn đã sáng). Về bản chất của bóng đèn phóng điện như đã đề cập ở trên thì đặc tuyến của những bóng này không phải dạng tải cảm cũng không phải dạng tải dung thuần túy mà nó là sự kết hợp của hai dạng tải này với đặc tính tải là dạng phi tuyến.
Hình 2.9 chỉ ra đồ thị điện áp theo thời gian đối với cắt mức năng lượng biên sau.
Hình 2.9: Cắt mức năng lượng biên sau, với d là thời gian điện áp ở mức 0
Đối với cắt mức năng lượng biên sau như trên hình 2.9 ta có điện áp trên tải:
- Khi k.T - d < t < k.T (với T = 1/50) thì Ura = 0
- Còn lại thì Ura = 220.sin(50.2π.t)
Mạch điều chỉnh mức sáng của đèn theo phương pháp này được nghiên cứu dựa trên nguyên lý: điều khiển đóng mở IGBT bằng vi điều khiển Atmega 16 dựa trên tín hiệu bắt điểm 0 của dòng điện. IGBT là transistor có cực điều khiển cách ly là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực [59]. IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ nhỏ. Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp nối với cực thu tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa cực phát (tương tự cực cổng) với cực thu (tương tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET. Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một
32 transistor p-n-p với dòng cực nền được điều khiển bởi một MOSFET. Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển về phía cực thu vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa cực nền và cực thu ở transistor thường, tạo nên dòng ở cực thu. Thời gian cho dòng chạy qua IGBT trong mỗi nửa chu kỳ được dễ dàng điều chỉnh bằng chiết áp, do đó tác dụng điều khiển công suất cũng giống như phương pháp cắt biên trước. Thêm vào đó phương pháp này cho phép dòng qua IGBT tăng từ từ theo sườn hình sin, và thời gian đóng IGBT cũng có thể kiểm soát dễ dàng, chính điều này làm giảm tối đa nhiễu điện từ sinh ra do quá trình đóng ngắt trong mỗi nửa chu kỳ.
Hình 2.10: Sơ đồ khối của thiết bị điều chỉnh mức sáng đèn dựa trên cắt biên sau
Sơ đồ khối của thiết bị được chỉ ra trong hình 2.10. Trong đó, nguồn cung cấp 220V, 50Hz được lấy mẫu để xác định điểm không thông qua khối bắt điểm không. Tín hiệu bắt điểm không được đưa vào vi điều khiển, đồng thời tín hiệu xác định thời gian ngắt trong mỗi nửa chu kì cũng được đọc từ điện áp trên biến trở vào vi điều khiển. Từ 2 tín hiệu này vi điều khiển xuất ra tín hiệu kích cho driver của IGBT, từ đó khối cắt biên sẽ thực hiện cắt mức năng lượng chảy vào tải.
Sơ đồ khối bắt điểm không được chỉ ra trong hình 2.11.
33
Hình 2.12: Khối driver cho IGBT và khối cắt pha (gồm IGBT và cầu diode)
Mạch driver cho IGBT được chỉ ra trong hình 2.12. Trong đó cặp transistor kéo đẩy có vai trò đóng mở cho IGBT. Tín hiệu kích cho cặp transistor này được truyền từ chân xuất ra của vi điều khiển thông qua opto quang. Diode zenner và TVS diode giúp bảo vệ IGBT khỏi xung quá áp. Mỗi khi có tín hiệu ngắt ngoài đưa vào vi điều khiển từ mạch bắt điểm không, chân tín hiệu ra xuất tín hiệu mức cao kích cho driver mở IGBT, sau một khoảng thời gian nhất định (nhỏ hơn 10ms), chân tín hiệu ra xuất tín hiệu mức thấp kích cho driver đóng IGBT. Khi nào có tín hiệu ngắt ngoài thì quá trình trên lại đc lặp lại. Như vậy thời gian dòng điện chảy qua tải trong mỗi nửa chu kỳ phụ thuộc vào thời gian delay, và thời gian này được điều chỉnh bằng một chiết áp thông qua chân ADC của vi điều khiển. Khối cắt pha được chỉ ra trong hình 2.12. Do IGBT chỉ đóng ngắt được với dòng một chiều nên để IGBT hoạt động được ở cả nửa chu kỳ âm và dương ta cần cầu diode chỉnh lưu.
Lưu đồ thuật toán điều khiển của vi điều khiển Atmega16 được trình bày trong hình 2.13. Khi dòng điện xoay chiều từ nguồn 220V về 0, tín hiệu ngắt ngoài được gửi tới chân PD3. Khi đó Chân PD4 được đưa lên mức cao để kích mở IGBT và trạng thái này được giữ trong khoảng thời gian t ms, sau đó PD4 lại được đưa về mức thấp để đóng IGBT. Tín hiệu điện áp trên chân PA0 được đưa vào bộ ADC để tính ra thời gian t tương ứng muốn delay.
34
Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán điều khiển của thiết bị
Kết quả thực nghiệm đo trên các thiết bị: bóng LED, bóng sợi đốt và đèn phóng điện như sau:
Mạch bắt điểm không và driver cho IGBT hoạt động tốt, được chỉ ra ở hình 2.14
35 Với bóng sợi đốt, khi điều chỉnh cắt biên sau giảm 100% về 0% dòng chạy qua đèn trong mỗi nửa chu kì cũng giảm theo (từ 10-0ms) đồng thời độ sáng của bóng giảm từ tối đa về 0. Đèn tắt hẳn khi chiết áp về 0% (hình 2.15)
Hình 2.15: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên sau. a. URMS = 222V, IRMS = 188mA; b. URMS = 204V, IRMS = 181mA; c. URMS = 149V, IRMS =
155mA; d. URMS = 104V, IRMS = 129mA; e. URMS =71.8V, IRMS = 107mA
Với bóng đèn LED, khi điều chỉnh cắt biên sau giảm 100% về 0% dòng chạy qua đèn trong mỗi nửa chu kì cũng giảm theo (từ 10-0ms) đồng thời độ sáng của bóng giảm từ tối đa về 0. Đèn bị nháy khi tắt hẳn khi chiết áp về 30%. Và tắt hẳn khi về 0%. So sánh với kết quả của phương pháp cắt biên trước (được chỉ ra ở hình 2.8), ta có thể nhận thấy phương pháp cắt biên sau không tạo ra các xung dòng có biên độ lớn. Dòng điện qua đèn LED gần như không đổi chỉ có điện áp là giảm do đó dẫn đến giảm công suất. Hay nói cách khác phương pháp cắt biên sau KHÔNG làm giảm tuổi thọ của bóng đèn (hình 2.16).
a b
c d
36
Hình 2.16: Điện áp và dòng điện trên đèn LED khi điều chỉnh bằng cắt biên sau; a. URMS = 222V, IRMS = 27.5mA; b. URMS = 202V, IRMS = 26.7mA; c. URMS = 150V, IRMS =
23.9mA; d. URMS = 104V, IRMS = 20.9mA; e. URMS =70.4V, IRMS = 17.3mA
Qua kết quả trên, có thể thấy được rằng, phương pháp cắt biên sau đã loại bỏ được xung đỉnh có cường độ lớn xuất hiện trên dòng điện đi qua bóng đèn LED, so với phương pháp cắt biên trước. Đến đây có thể kết luận được việc điều chỉnh công suất bằng phương pháp cắt biên sau hoàn toàn phù hợp với đối tượng đèn LED. Tuy nhiên, như đã trình bày ở phần mục tiêu nghiên cứu bao gồm đối tượng đèn phóng điện, luận án đã thực hiện kiểm thử phương pháp cắt biên sau lên đối tượng đèn phóng điện. Kết quả kiểm thử được đưa ra như sau:
Với bóng đèn phóng điện, khi điều chỉnh cắt biên sau giảm từ 100% thời gian có dòng chạy qua đèn cũng giảm theo, đồng thời độ sáng của bóng giảm dần từ mức tối đa đến 0. Đèn bắt đầu tắt hẳn khi chiết áp vẫn chưa về mức 0%. Ngay sau mỗi thời điểm khóa IGBT ở mỗi nửa chu kì luôn xuất hiện một xung ngược rất lớn, IGBT nóng rất
a
c d
e
37 nhanh và hỏng sau một thời gian ngắn sử dụng. Đồng thời nhiễu điện từ sinh ra rất lớn thậm chí phát ra cả tiếng ồn. Điều này là do thành phần cảm kháng của chấn lưu rất lớn nên ngay sau mỗi thời điểm khóa của IGBT sẽ có xung cảm ứng điện từ dội về IGBT (hình 2.17)
Hình 2.17: Điện áp trên đèn phóng điện khi điều chỉnh bằng phương pháp cắt biên sau
Dựa trên kết quả đo được, kết luận dạng tín hiệu điện áp của các loại đèn rất khác nhau. Điều này là do bản chất loại tải của các đèn này khác nhau.Tín hiệu điện áp đèn sợi đốt phản ánh sát với lý thuyết của phương pháp này do đèn này là tải thuần trở. Tín hiệu điện áp của đèn phóng điện dù có phần phản ánh lý thuyết nhưng lại xuất hiện xung ngược rất lớn dội về. Điều này là do thành phần cảm kháng của chấn lưu rất lớn nên ngay sau mỗi thời điểm khóa của IGBT sẽ có xung cảm ứng điện từ dội về IGBT. Trong khi đó, bóng LED là tải kết hợp RLC, dạng tín hiệu điện áp không phản ánh lý thuyết của phương pháp điều chỉnh mức sáng này. Dù thời gian có dòng chạy qua bóng không thay đổi khi điều chỉnh cắt biên sau nhưng thay vào đó là sự thay đổi của điện áp cực đại trong mỗi nửa chu kỳ, do đó vẫn có hiệu quả điều chỉnh mức sáng.
Từ những kết quả trên, nghiên cứu tiến hành cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau lên đối tượng đèn phóng điện sử dụng chấn lưu sắt từ.