Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích chính của đề tài là đánh giá hệ thống chiếu sáng bằng bóng Hanlogen hiện nay. Đề xuất giải pháp thiết kế nhằm tiết kiệm năng lượng và vận hành hiệu quả hơn hệ thống chiếu sáng đèn đường; Xây dựng thành công mô hình thực nghiệm; Đề xuất lắp đặt thử nghiệm mô hình thí điểm tại một vài tuyến đường tại Thành phố Sơn la.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ TRỌNG HIỆP THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG BÓNG HALOGEN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN Thái Nguyên - năm 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP VŨ TRỌNG HIỆP THIẾT KẾ TỦ ĐIỀU KHIỂN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN CHO HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG BÓNG HALOGEN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8.52.02.01 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Hữu Công 2. TS. Vũ Ngọc Kiên Thái Nguyên – năm 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Vũ Trọng Hiệp Đề tài luận văn: Thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen Chuyên ngành: Kỹ thuật điện. Mã số: : 8.52.02.01 Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 04/10/2020 với các nội dung sau: - Sửa sai sót về thuật ngữ, lỗi chính tả, format, in ấn. - Chỉnh sửa lại các hình vẽ. Thái Nguyên,ngày 26 tháng 10 năm 2020 Cán bộ hướng dẫn 1 Cán bộ hướng dẫn 2 Tác giả luận văn PGS.TS. Nguyễn Hữu Công TS. Vũ Ngọc Kiên Vũ Trọng Hiệp CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS. Nguyễn Như Hiển i
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dựa trên sự hướng dẫn của tập thể các nhà khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn. Kết quả nghiên cứu là trung thực. Thái Nguyên, ngày 05 tháng 07 năm 2020 Học viên Vũ Trọng Hiệp ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT........................................................ v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................ix MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................. 3 3. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................................... 3 4. Những kết quả đạt được ........................................................................................... 3 5. Cấu trúc của luận văn ............................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG .......................................................................................................................... 4 1.1. Tổng quan về các loại đèn đường ......................................................................... 4 1.1.1. Cấu tạo ............................................................................................................ 4 1.1.2. Các loại đèn cao áp ......................................................................................... 4 1.1.3. Nguyên lý hoạt động đèn cao áp..................................................................... 6 1.1.4. Ứng dụng đèn cao áp ...................................................................................... 7 1.1.5. Tiêu chuẩn lựa chọn bóng đèn cao áp ............................................................ 7 1.1.5.1. Khả năng điều chỉnh độ sáng ................................................................... 7 1.1.5.2 Thông số bóng đèn .................................................................................... 7 1.1.5.3. Vị trí lắp đặt .............................................................................................. 7 1.1.5.4. Tuổi thọ đèn cao áp .................................................................................. 8 1.1.6. Ưu nhược điểm của đèn cao áp ...................................................................... 8 1.1.6.1. Ưu điểm .................................................................................................... 8 1.1.6.2 Nhược điểm ............................................................................................... 8 1.1.7. Các tính năng của đèn cao áp ......................................................................... 8 1.2. Một số giải pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng đèn đường ............................. 9 1.3. Đề xuất giải pháp thiết kế ................................................................................... 10 iii
1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................... 13 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG .................................................................................... 14 2.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển kinh điển PID .............................................. 14 2.2. Tìm hiểu bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200 ................................................ 18 2.2.1. Giới thiệu PLC S7 1200................................................................................ 18 2.2.1.1. Tổng quan .............................................................................................. 18 2.2.1.2. Cấu trúc phần cứng PLC S7 1200 ......................................................... 22 2.2.1.3. Các vùng nhớ hay sử dụng ..................................................................... 26 2.2.2. Bộ điều khiển PID trong PLC S7 1200 ........................................................ 27 2.2.3. Phương pháp khai báo và cài đặt bộ điều khiển PID_Compact ................... 32 2.3. Xây dựng cấu trúc điều khiển hệ thống .............................................................. 40 2.4. Xây dựng thuật toán điều khiển .......................................................................... 42 2.5. Kết luận chương 2 ............................................................................................... 47 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG ...................................................................... 48 3.1. Thiết kế mạch động lực bộ biến đổi AC/AC ...................................................... 48 3.2. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ biến đổi AC/AC ............................................. 50 3.2.1. Yêu cầu chung của mạch điều khiển. ........................................................... 50 3.2.2 Mạch điều khiển bộ biến đổi xoay chiều - xoay chiều 1 pha. ....................... 51 3.2.2.1 Xây dựng sơ đồ khối ............................................................................... 51 3.2.2.2 Chức năng, nguyên lý làm việc, các thông số cơ bản của từng khối. ..... 52 3.3. Sơ đồ đấu nối mạch điện của mô hình thực nghiệm ........................................... 66 3.4. Chương trình điều khiển ..................................................................................... 67 3.5. Xây dựng phần mềm điều khiển, giảm sát .......................................................... 68 3.6. Kết quả thực nghiệm ........................................................................................... 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 83 iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Biểu diễn Ghi chú tiếng anh CPU Bộ điều khiển trung tâm Central Processing Unit DI Đầu vào số Digital Input DO Đầu ra số Digital Output AI Đầu vào tương tự Analog Input AO Đầu ra tương tự Analog Output PWM Modun điều chế độ rộng xung Pulse-width modulation SM Modun tín hiệu Signal Module SB Board tín hiệu Singal Board CM Modun truyền thông Communication Module CTU Bộ đếm lên Counter Up CUD Bộ đếm xuống Counter Down CTUD Bộ đếm lên xuống Counter Up Down TON Timer đóng chậm Timer On Delay TONR Timer đóng chậm có nhớ Timer On Delay Remember TOF Timer mở chậm Timer Off Delay v
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các bộ phận của đèn cao áp ............................................................................ 4 Hình 1.2. Các loại đèn cao áp hiện nay ........................................................................... 5 Hình 1.3. Sơ đồ nối dây đèn cao áp ................................................................................. 6 Hình 1.4. Ứng dụng đèn cao áp trong chiếu sáng đèn đường ......................................... 7 Hình 1.5. Đặc tính làm việc ở chế độ tiêu chuẩn .......................................................... 11 Hình 1.6. Đặc tính làm việc ở chế độ hỗn hợp .............................................................. 12 Hình 2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID ........................................................................... 14 Hình 2.2. Đặc tính động của bộ điều khiển PID............................................................ 15 Hình 2.3: Đáp ứng nấc của hệ hở có dạng S ................................................................. 16 K  K gh Hình 2.4: Đáp ứng quá độ của hệ kín khi và tín hiệu vào dạng nấc .............. 17 Hình 2.5. PLC S7-1200 đi kèm phần mềm lập trình tự động hóa tích hợp................... 19 Hinh 2.6. PLC S7 – 1200 và các module mở rộng ....................................................... 20 Hình 2.7. Hình dạng bên ngoài của S7 – 1200 (CPU 1212C) ....................................... 22 Hình 2.8: Cấu trúc bên trong PLC S7 1200 .................................................................. 23 Hình 2.9. Hình ảnh một số loại Modul mở rộng của PLC S7 1200 ........................... 24 Hình 2.10. Sơ đồ nối dây cho CPU 1212C AC/DC/RLY ............................................. 25 Hình 2.11. Sơ đồ nối dây cho Modul mở rộng SM1232 AQ2x14bit ............................ 26 Hình 2.12. Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển PID của PLC S7 1200................................... 28 Hình 2.13. Sơ đồ cấu trúc khối PIDT1 Anti Windup trong bộ điều khiển PID của PLC S7 1200 .......................................................................................................................... 29 Hình 2.14. Sơ đồ khối làm việc của lệnh PID_Compact PLC S7 1200 ....................... 30 Hình 2.15. Đặt tên Project ............................................................................................ 32 Hình 2.16. Chọn CPU phù hợp..................................................................................... 33 Hình 2.17. Khai báo khối chương trình ngắt xử lý PID ............................................... 33 Hình 2.18. Khai báo khối PID ..................................................................................... 34 Hình 2.19. Khai báo các đầu vào/ra cho khối PID theo yêu cầu công nghệ ................ 34 Hình 2.20. Cấu hình loại bộ điều khiển ........................................................................ 35 Hình 2.21. Thiết lập loại tín hiệu vào/ra ....................................................................... 35 vi
Hình 2.22. Thiết lập mức cao và mức thấp của giá trị vật lý điều khiển ..................... 36 Hình 2.23. Các tham số của bộ điều khiển ................................................................... 36 Hình 2.24. Đặt địa chỉ cho PLC .................................................................................... 37 Hình 2.25. Đặt địa chỉ cho máy tính ............................................................................. 38 Hình 2.26. Tham số bộ điều khiển PID sau khi thiết kế (Kp = 0.02; Ti = 0.2; .............. 39 Td = 0.026) ..................................................................................................................... 39 Hình 2.27. Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống ............................................................ 40 Hình 2.28. Sơ đồ chức năng các khối ............................................................................ 41 Hình 2.29. Lưu đồ thuật toán tổng thể........................................................................... 43 Hình 2.30. Lưu đồ thuật toán chế độ tiêu chuẩn ........................................................... 44 Hình 2.31. Lưu đồ thuật toán chế độ cắt pha................................................................. 45 Hình 2.32. Lưu đồ thuật toán chế độ hỗn hợp ............................................................... 46 Hình 3.1. sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi xoay chiều – xoay chiều 1 pha. ........................ 48 Hình 3.2. Giản đồ dòng điện và điện áp trên các phần tử trong BBĐ.......................... 49 Hình 3.3. Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch điều khiển .............................. 51 Hình 3.4. Sơ đồ khối mạch điều khiển. ......................................................................... 52 Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý và giản đồ thời gian mạch đồng bộ hoá ............................. 52 Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý và giản đồ thời gian mạch phát sóng răng cưa. .................. 54 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch tổng hợp tín hiệu và khuếch đại trung gian. ............. 56 Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại trừ. ....................................................... 57 Hình 3.9a. Sơ đồ nguyên lý mạch so sánh..................................................................... 58 Hình 3.9b. Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của mạch so sánh ................................. 58 Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý mạch sửa xung dùng các cổng logic ............................... 59 Hình 3.11. Giản đồ thời gian mạch sửa xung dùng cổng logic .................................... 59 Hình 3.12. Sơ đồ trải vi mạch 555 ................................................................................ 60 Hình 3.13. Sơ đồ nguyên lý mạch phát xung chùm và giản đồ thời gian .................... 61 Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý mạch chia xung ............................................................... 62 Hình 3.15. Giản đồ thời gian mạch chia xung .............................................................. 62 Hình 3.16. Sơ đồ nguyên lý mạch khuyếch đại xung ................................................... 63 Hình 3.17. Giản đồ điện áp theo thời gian của mạch khuếch đại xung ........................ 64 vii
Hình 3.18. Sơ đồ bản vẽ đấu nối mô hình thực nghiệm ................................................ 67 Hình 3.19. Chương trình điều khiển viết trên phần mềm TIA Portal ........................... 68 Hình 3.20. Giao diện điều khiển trên Wincc tại máy tính ............................................. 70 Hình 3.21. Giao diện điều khiển trên HMI tại tủ điều khiển ......................................... 72 Hình 3.22. Mô hình thực nghiệm hệ thống tiết kiệm chiếu sáng đèn đường ................ 73 Hình 3.23. Điều khiển hệ thống từ phần mềm Wincc xây dựng trên máy tính thông qua sóng Wifi ....................................................................................................................... 74 Hình 3.24. Điều khiển hệ thống từ HMI ....................................................................... 74 Hình 3.25. Tất cả các bóng đều sáng vào thời điểm cao điểm ở chế độ tiêu chuẩn ...... 75 Hình 3.26. Chiết giảm 60% công suất vào thời điểm thấp điểm của chế độ tiêu chuẩn, tất cả các bóng vẫn sáng ................................................................................................ 76 Hình 3.28. Cắt xen pha .................................................................................................. 77 Hình 3.29. Các bóng có thể bị quá áp ở chế độ cắt xen pha khi không có tính năng ổn áp ................................................................................................................................... 78 Hình 3.30. Đặc tính công suất khi bắt đầu chuyển sang cắt xen pha và chiết giảm...... 79 Hình 3.31. Đặc tính công suất khi chuyển từ cắt xen pha + chiết giảm về chiết giảm . 79 Hình 3.32. Thí nghiệm mắc thêm tải vào hệ thống để gây sự tăng đột biến công suất. 80 Hình 3.33. Cảnh báo “có tổn thất công suất” ................................................................ 80 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler- Nichols với hệ hở có đáng ứng đầu ra với các thông số:............................................... 17 Bảng 2.2: Của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp Zeigler-Nichols với hệ kín dạng chuẩn ..................................................................................................................... 18 Bảng 2.3: Bảng chức năng các tín hiệu vào/ra của bộ điều khiển PID S7 1200 ........... 30 ix
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trên thế giới, điện năng chiếu sáng chiếm vào khoảng khoảng 17%. Hiện đại hóa hệ thống đèn đường nhằm tiết kiệm điện năng và chi phí, đồng thời vẫn đảm bảo chất lượng chiếu sáng được xem là một giải pháp cấp bách. Một hệ thống chiếu sáng công cộng được đánh giá thông qua các tiêu chí: Tiết kiệm năng lượng; Giảm chi phí đầu tư và nhân công vận hành; An toàn cho thiết bị chiếu sáng; An toàn cho người tham gia giao thông; Đảm bảo mỹ quan đô thị. Tuy nhiên, hiện nay các hệ thống chiếu sáng giao thông công cộng vận hành chưa hiệu quả: Ban đêm từ 22h30 đêm đến 5h30 sáng, lưu lượng phương tiện tham gia giao thông ít nhưng ánh sáng đèn đường vẫn được duy trì như khoảng thời gian từ 18h đến 22h30. Mặt khác lưới điện chiếu sáng được sử dụng chung với lưới điện sinh hoạt nên khoảng thời gian về đêm điện áp lưới thường cao hơn định mức (đạt khoảng 240V) do đó công suất tiêu thụ của mỗi bóng cũng tăng nên, điều này đã gây lãng phí điện năng không cần thiết đồng thời làm giảm tuổi thọ của bóng đèn (do bóng bị quá điện áp). Các nghiên cứu sử dụng bộ Vi xử lý với tính năng thời gian thực kết hợp các thiết bị động lực để điều chỉnh công suất bóng đèn truyền thông qua mạng viễn thông GSM để tạo ra hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh – điều khiển qua điện thoại [4], [7], [10], [12], [13]. Cũng với phương pháp truyền thông bằng GSM, nhưng [9] sử dụng năng lượng mặt trời để làm nguồn điện cấp cho chiếu sáng thay vì sử dụng điện áp lưới. [14] đề xuất một hệ thống tự động tắt ánh sáng trên đường phố khi không có xe và tự động bật ánh sáng khi có một số xe đang đi tới. Các nghiên cứu về lý thuyết điều khiển hiện đại cũng đã được áp dụng cho hệ thống chiếu sáng đèn đường. Bằng việc sử dụng lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy logic) [15] và Mạng Noron nhân tạo (artiﬁcialneuralnetworks) [16]. 1
Tại việt Nam, đã có các giải pháp được áp dụng để tiết kiệm năng lượng chiếu sáng đèn đường như: * Tắt xen kẽ các bóng trên một tuyến đường: Giải pháp này có ưu điểm là đơn giản, chi phí thấp. Tuy nhiên các phương tiện tham gia giao thông gặp khó khăn khi đi trên đoạn đường có vị trí tối - sáng làm ảnh hưởng xấu đến sự điều tiết của mắt người tham gia giao thông, đồng thời ảnh hưởng đến mỹ quan đô thị. Các bóng đèn chiếu sáng vẫn không tránh được làm việc với điện áp lưới cao hơn định mức. * Thay thế các bóng đang sử dụng sang loại bóng tiết kiệm điện Ưu điểm: Giảm được điện năng tiêu thụ, đảm bảo mỹ quan đô thị, An toàn cho phương tiện tham gia giao thông Nhược điểm: Chi phí đầu tư lớn và việc thay thế toàn bộ các bóng đang sử dụng sang các bóng tiết kiệm điện sẽ gây lãng phí. * Sử dụng máy biến áp tự ngẫu Điều chỉnh điện áp đầu ra của máy biến áp một cách vô cấp để điều khiển cường độ sáng và công suất của bóng đèn. Giải pháp này có ưu điểm: Bóng đèn không bị quá áp, nâng cao tuổi thọ bóng đèn Nhược điểm là chi phí đầu tư lớn, không tiết kiệm được nhiều điện do tổn hao trên máy biến áp. * Sử dụng thiết bị điều chỉnh công suất Sử dụng các thiết bị bán dẫn để để điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn, tối ưu theo nhu cầu sử dụng của từng thời điểm, theo mùa, và theo thời tiết. Vào thời điểm buổi tối hoặc trời mưa phương tiện tham gia giao thông đông đúc, lúc này hệ thống sẽ điều khiển để đặt toàn bộ điện áp lưới lên bóng đèn để sử dụng hết công suất. Khi về đêm các phương tiện tham gia giao thông giảm, hoặc trời sáng trăng hệ thống tự động điều chỉnh giảm điện áp đặt lên các bóng đèn để giảm công suất và tiết kiệm điện. Nhằm mục đích tiết kiệm năng lượng, giảm chi phí vận hành và tận dụng các cơ sở vật chất có sẵn của hệ thống chiếu sáng đang tồn tại. Do đó đề tài đề xuất giải pháp thiết kế ra một tủ điện dựa trên các các linh kiện bán dẫn, các bộ PLC để tự động chiết giảm và ổn định điện áp đặt lên bóng đèn theo các thời điểm, thời tiết khác nhau, đồng thời tủ điều khiển còn cho phép tắt xen kẽ các pha và tích hợp đầy đủ các tính năng bảo vệ thiết bị. 2
2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá hệ thống chiếu sáng bằng bóng Hanlogen hiện nay - Đề xuất giải pháp thiết kế nhằm tiết kiệm năng lượng và vận hành hiệu quả hơn hệ thống chiếu sáng đèn đường - Xây dựng thành công mô hình thực nghiệm - Đề xuất lắp đặt thử nghiệm mô hình thí điểm tại một vài tuyến đường tại Thành phố Sơn la 3. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: lý thuyết tổng quan về đối tượng điều khiển, các linh kiện điện tử công suất, PLC, lý thuyết điều khiển PID. - Thực nghiệm: Xây dựng mô hình thực nghiệm và cài đặt thuật toán vào mô hình. 4. Những kết quả đạt được Luận văn đã đạt được một số yêu cầu như sau: - Đánh giá được thực trạng của hệ thống chiếu sáng đèn đường hiện nay. - Phân tích ưu nhược điểm của các loại đèn đường đang sử dụng hiện nay. - Xây dựng được thuật toán điều khiển tối ưu cho đèn đường, nhằm tiết kiệm năng lượng hiệu quả. - Kiểm chứng kết quả nghiên cứu bằng mô hình thực nghiệm. - Là nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy trong nhà trường; Làm tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và cán bộ kỹ thuật ngành Điện lực. 5. Cấu trúc của luận văn Tính cấp thiết của đề tài được trình bày ở phần mở đầu của luận văn. Chương I của luận văn trình bày tổng quan về giải pháp tiết kiệm điện chiếu sáng đèn đường, trong đó đi sâu nghiên cứu loại bóng đèn cao áp Halogen. Chương II xây dựng mô hình lý thuyết hệ thống điều khiển chiếu sáng đèn đường, trên cơ sở sử dụng thuật toán điều khiển tự động PID để điều chỉnh và ổn định điện áp đặt lên bóng đèn. Chương III Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán, các số liệu thực nghiệm được đánh giá phân tích và so sánh với việc không sử dụng tủ tiết kiệm điện. Các kết luận và kiến nghị được mô tả ở cuối chương 3. 3
CHƯƠNG 1: CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM ĐIỆN CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG 1.1. Tổng quan về các loại đèn đường 1.1.1. Cấu tạo Đèn đường sử dụng hiện nay là loại đèn cao áp. Đèn cao áp trên thị trường là những loại đèn được lắp đặt những nơi cần không gian chiếu sáng lớn, có công suất lớn để mang đến hiệu suất chiếu sáng hiệu quả. Hình 1.1. Các bộ phận của đèn cao áp Đèn cao áp là loại đèn có cấu tạo và chức năng như sau: Ballast: Bộ hiệu chỉnh để điều chỉnh dòng điện phù hợp với những công suất bóng đèn khác nhau. Tụ điện: giữa 2 bản cực đặt song song là lớp điện môi được dùng để cách điện. Chức năng của tụ điện là giúp bóng đèn ổn định độ sáng. Tụ điện được chia thành Tụ hóa, Tụ gốm và Tụ giấy vì chất liệu làm tụ là giấy, mica, gốm tẩm hóa chất để tạo thành điện môi. Chấn lưu: tạo ra suất điện động tự cảm trong quá trình khởi động. Đây là một cuộn dây khi kết hợp với U nguồn sẽ tạo ra điện áp Ukđ = 400v, điện áp này sẽ tạo ra điện giữa 2 cực đen. Tuy nhiên, điện áp còn tại 2 đầu bóng chỉ khoảng 40V, số còn lại rơi trên chấn lưu trong chế độ xác lập. 1.1.2. Các loại đèn cao áp Hiện nay, thị trường có 4 loại đèn cao áp được sử dụng là đèn cao áp Metal Halide, đèn cao áp Sodium, đèn cao áp thủy ngân và đèn LED cao áp: 4
Đèn thủy ngân là loại đèn cao áp được sử dụng đầu tiên, tuy nhiên, đèn có tuổi thọ thấp, sử dụng nguồn điện có hiệu điện thế lớn lên đến vài trăm vôn. Quan trọng nhất là, đèn thủy ngân chứa thủy ngân cực kỳ có hại cho môi trường và sức khỏe con người. Đèn cao áp Metal Halide có bóng thẳng và bóng bầu với ánh sáng trắng, độ chiếu sáng cao và rộng hơn. Tiết kiệm nhiều hơn nhờ sử dụng công suất nhỏ, không chứa thủy ngân. Đèn cao áp Sodium phát ra ánh sáng vàng, cùng có dạng bóng bầu và bóng thẳng. Tuổi thọ của loại bóng này lên đến 20,000 giờ. Đèn có chất lượng chiếu sáng tốt. Đèn led cao áp được sử dụng tương đối rộng rãi để chiếu sáng nhờ kiểu dáng đa dạng, tính năng phong phú, siêu tiết kiệm điện và có tuổi thọ cao. Đèn led được cấu tạo từ 5 bộ phận chính là bóng đèn, thân đèn, mạch đèn, tản nhiệt, bộ nguồn và chip đèn. Tuy nhiên giá thành của đèn LED lại rất cao. a) b) c) d) Hình 1.2. Các loại đèn cao áp hiện nay a. Đèn cao áp thủy ngân b. Đèn cao áp Metal Halide c. Đèn cao áp Sodium d. Đèn led cao áp Hiện nay, đèn cao áp thủy ngân ít được sử dụng hơn đèn cao áp Metal Halide, đèn cao áp Sodium, đèn led cao áp. Những loại đèn cao áp này được sử dụng rộng rãi hơn và thay thế dần cho đèn cao áp thủy ngân nhờ công nghệ mới, giúp tăng lợi ích kinh tế, tuổi thọ cao, hạn chế sử dụng điện và bảo vệ môi trường. Công suất đèn thủy ngân: 130W - 1000W 5
Công suất đèn Sodium: 70W - 1000W Công suất đèn Metal: 70W - 2000W Công suất đèn led cao áp: 70W - 1000W 1.1.3. Nguyên lý hoạt động đèn cao áp Nguyên lý hoạt động của những loại đèn cao áp này khá tương tự nhau Đèn cao áp Metal Halide: hoạt động theo nguyên lý của phản ứng hỗn hợp muối Indium - Thadium - Natri. Phản ứng này tạo thành những dải sóng 3 màu. Đèn cao áp Sodium: hoạt động tương tự như đèn cao áp Metal Halide theo nguyên lý 3 hỗn hợp muối tạo thành sóng 3 màu. Đèn cao áp thủy ngân: phát sáng được nhờ thủy ngân và khí trơ chứa trong ống thạch anh. Hơi thủy ngân được tạo ra từ đây sẽ phát sáng khi gặp dòng điện với hiệu điện thế lớn. Đèn led cao áp: đèn led hoạt động giống như các loại đèn diot bán dẫn khác. Khối bán dẫn này có 2 loại tiếp giáp n và p. Trên khối bán dẫn có các lỗ trống tự do có điện tích dương, khối bán dẫn chứa điện tử tự do bị hút và tiến đến gần nhau, sau đó kết hợp với nhau để tạo thành các nguyên tử trung hòa. Cuối cùng là giải phóng năng lượng thành ánh sáng, chiếu ra bên ngoài theo hướng đi đã được định sẵn thông qua các lớp bảo vệ. Hình 1.3. Sơ đồ nối dây đèn cao áp 6
1.1.4. Ứng dụng đèn cao áp Đèn cao áp được sử dụng và áp dụng vô cùng đa dạng trong cuộc sống. Tùy thuộc vào công suất của đèn mà sử dụng cho những nhu cầu chiếu sáng khác nhau. Đèn công suất lớn được dùng chiếu sáng cho địa điểm cần ánh sáng lớn và mạnh như nhà máy, đường phố, công viên, sân vận động, rạp hát, siêu thị. Đèn công suất vừa và nhỏ được sử dụng trong nhà, thay thế cho các loại đèn compact chiếu sáng gia đình. Hình 1.4. Ứng dụng đèn cao áp trong chiếu sáng đèn đường 1.1.5. Tiêu chuẩn lựa chọn bóng đèn cao áp 1.1.5.1. Khả năng điều chỉnh độ sáng Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà điều chỉnh độ sáng tại những khu vực khác nhau. Đây là yếu tố cần được lưu ý khi lựa chọn bóng đèn cao áp. 1.1.5.2 Thông số bóng đèn Chỉ số điện năng tiêu thụ trong một giờ càng lớn thì càng tốn điện, nên lựa chọn những loại đèn sử dụng điện năng tiêu thụ thấp. Tiết kiệm tối đa điện năng tiêu thụ. Chỉ số hiệu suất phát sáng Lumen, chỉ số này càng cao thì đèn phát sáng càng mạnh. 1.1.5.3. Vị trí lắp đặt Thẩm mỹ là yếu tố được quan tâm hàng đầu. Nên lựa chọn bóng đèn màu gì, kích thước như thế nào, lắp đặt ra sao cho thích hợp với từng khu vực và từng nhu cầu 7
chiếu sáng là điều khá quan trọng. Nên tham khảo đầy đủ các thông tin về vị trí và tính năng sử dụng của từng loại bóng để chọn lựa cho phù hợp với từng không gian. 1.1.5.4. Tuổi thọ đèn cao áp Tuổi thọ trung bình của đèn thủy ngân cao áp là 10,000 - 24,000 giờ chiếu sáng Tuổi thọ của đèn led cao phải 7 - 8 năm mới cần bảo dưỡng với 35,000 - 50,000 giờ chiếu sáng. Tuổi thọ đèn Sodium là 20,000 giờ Tuổi thọ trung bình của đèn Metal Halide là 6,000 - 15,000 giờ 1.1.6. Ưu nhược điểm của đèn cao áp 1.1.6.1. Ưu điểm Đèn Metal Halide và led cao áp mang đến hiệu quả chiếu sáng lớn Đèn led không chứa các tia UV, tia tử ngoại, tia cực tím nên thân thiện với con người và môi trường Đèn led chiếu sáng Metal giúp không gian được chiếu sáng tốt, mang đến nguồn sáng cực lớn, thích hợp với những khu vực công cộng cần sự chiếu sáng tập trung 1.1.6.2 Nhược điểm Chi phí cho đèn led cao áp khá lớn, thường là được nhập khẩu mà không được sản xuất trực tiếp. Tuy nhiên, thị trường cũng có khá nhiều loại đèn được nhập khẩu rẻ tiền với giá thấp khiến khách hàng không biết nên lựa chọn như thế nào. Tuổi thọ của các loại đèn cao áp Metal và Sodium khá thấp, chất lượng chiếu sáng cũng không tốt như lúc ban đầu 1.1.7. Các tính năng của đèn cao áp Phù hợp với nhiều công trình chiếu sáng, nhiều lĩnh vực chiếu sáng khác nhau Đảm bảo khả năng chiếu sáng, không gây ảnh hưởng hoạt động sinh hoạt Tiết kiệm điện năng và tiết kiệm chi phí chiếu sáng cho không gian chiếu sáng diện rộng Thân thiện tối đa với môi trường, đảo bảo an toàn cho sức khỏe con người, không gây độc hại 8
Có nhiều sự lựa chọn để đưa ra chọn lựa hợp lý nhất Chóa đèn, nắp và thân đèn được làm từ chất liệu nhôm đúc áp lực cao không hấp thụ ánh sáng mà còn có khả năng phản tốt. Chống oxy hóa hay rỉ sét dưới tác động của môi trường Đèn được thiết kế đơn giản, thuận lợi cho việc lắp đặt 1.2. Một số giải pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng đèn đường Những năm gần đây, ở Việt Nam, nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị chiếu sáng cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng như: sử dụng công nghệ đèn chiếu sáng hiệu suất cao (đèn huỳnh quang T5, T8; đèn huỳnh quang compact; đèn LED; đèn OLED; đèn hơi natri áp xuất thấp hoặc cao; đèn hơi halogen kim loại; đèn không điện cực LVD); nâng cao hiệu suất các thiết bị trong bộ đèn (choá đèn, chấn lưu). Ngoài việc áp dụng công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao để tiết kiệm điện năng, thì một vấn đề rất được quan tâm là sử dụng hợp lý công suất chiếu sáng cho phù hợp với nhu cầu chiếu sáng. Đặc biệt là đối với chiếu sáng ở các nơi công cộng, do vào ban đêm khi mật độ giao thông rất thấp, việc duy trì 100% công suất chiếu sáng là không cần thiết. Vì vậy, việc triết giảm công suất chiếu sáng trong thời gian này là yêu cầu bắt buộc đối với chiếu sáng công cộng hiện đại. Để giải quyết vấn đề nêu trên một số các giải pháp cơ bản có thể áp dụng như: Giải pháp 1: Tắt luân pha các bóng đèn vào ban đêm, cắt giảm năng lượng chiếu sáng bằng biện pháp tắt luân pha đến 50% số bóng đèn khi vận hành vào ban đêm, lưu lượng giao thông thấp. Giải pháp này đã tiết kiệm đến 50% điện chiếu sáng, tuy nhiên vẫn tồn tại một số nhược điểm như sau: + Số bóng đèn tham gia chiếu sáng vào ban đêm vẫn không tránh khỏi hiện tượng quá điện áp nguồn nên giảm tuổi thọ đáng kể; + Ánh sáng trên các tuyến đường không đồng đều, vùng tối, vùng sáng bởi việc tắt luân pha các bóng đèn gây ra, ảnh hưởng đến an toàn giao thông và mỹ quan đô thị. 9