(Luận án tiến sĩ) 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

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trong luận án
này là trung thực và chưa từng được 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 và sâu sắc của mình tới hai thầy hướng
dẫn khoa học TS. Nguyễn Phan Kiên và TS. Nguyễn Mạnh Cường. Hai thầy đã định
hướng cho tôi triển khai các ý tưởng khoa học, ln tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời
gian thực hiện luận án.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy cô ở Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y
Sinh đã tạo điều kiện, định hướng, giúp đỡ và động viên để tơi hồn thành cơng trình
nghiên cứu này.
Đặc biệt tơi xin cảm ơn Khoa Công nghệ Điện tử Thông tin, Trường Đại học Mở Hà

Nội đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu và các góp ý định
hướng nghiên cứu để tơi hồn thành tốt cơng trình nghiên cứu của mình.
Tơi cũng xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong q trình
học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, những bạn bè, người thân, luôn động
viên về tinh thần, thời gian và vật chất để tơi có động lực trong cơng việc và 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
1.

Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu: ................................................... 1
Mục đích nghiên cứu của luận án ................................................................. 2

2.

Phương pháp nghiên cứu của luận án ......................................................... 3

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ........................................... 3

4.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................. 3

5.

Các đóng góp chính của luận án ................................................................. 5

6.

Bố cục của luận án ...................................................................................... 5

CHƯƠNG 1. CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ................................ 7
1.1 Chiến lược cải thiện các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng .......... 8
1.2 Chiến lược cải thiện các phương án thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng
cũ, hiệu suất thấp ...................................................................................................... 9
1.3 Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng ............... 11
1.4 Tình hình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam.......................... 13
1.4.1 Phân tích các văn bản quy định chiếu sáng ở 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 1 ...................................................................................... 20

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẢI TIỂN KHỐI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG ...................................................................................... 22
2.1 Mơ hình, đặc tính của các đối tượng đèn.................................................... 22
2.1.1 Đèn LED ............................................................................................ 22
2.1.2 Đèn phóng điện .................................................................................. 23
i


2.1.3 Kết luận về mơ hình đặc tính của các loại đèn .................................. 26
2.2 Phân tích phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước ........... 26
2.3 Xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên sau .............. 31
2.4 Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt biên sau
................................................................................................................................ 38
2.5 Kết luận chương 2 ...................................................................................... 43
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUAY ĐA HƯỚNG ... 44
3.1 Tổng quan về các loại cảm biến ánh sáng sử dụng trong hệ thống tiết kiệm
năng lượng .............................................................................................................. 44
3.2 Phân tích một 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 quả của phương pháp ............................................................. 52
3.5.1 Mô tả điều kiện kiểm thử ................................................................... 52
3.5.2 Kết quả kiểm thử đo cường độ ánh sáng đa hướng ........................... 53
3.5.3 Kết quả kiểm thử phát hiện hướng sáng bị chặn và 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 quả đo sau khi nâng cấp cảm biến ....................................................... 62
3.8.1 Cảm biến quay lấy mẫu theo 8 hướng – tham chiếu với cảm biến

tĩnh 63
3.8.2 Cảm biến quay lấy mẫu theo 16 hướng ............................................. 65
3.8.3 Phát hiện nguồn sáng chính ............................................................... 66
3.8.4 Phát hiện vật cản ................................................................................ 68
3.9 Đề xuất ma trận tham số ảnh hưởng ........................................................... 68
3.10 Mô phỏng hệ điều khiển sử dụng dữ 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 phỏng ....................................................... 73
3.10.3 Các phương án tiền xử lý ................................................................. 78
3.10.4 Đánh giá hiệu năng và kết quả mô phỏng ........................................ 82
3.11 Kết luận chương 3 .................................................................................... 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 hồn màu

DC

Direct current

Dịng điện một 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 2 của 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 năng lượng và tuổi thọ các loại bóng đèn ...... 9
Bảng 1.2: So sánh giữa bóng đèn huỳnh quang T-5 và bóng đèn LED T-8 ..... 11
Bảng 1.3: So sánh hiệu năng tiết kiệm điện giữa những giải pháp cải thiện chiếu
sáng.......................................................................................................................... 13
Bảng 1.4: Bảng yêu cầu về độ rọi duy trì tối thiểu cho các phịng, khu vực làm
việc .......................................................................................................................... 14
Bảng 1.5: Thông số điện khi sử dụng và không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện
................................................................................................................................. 18
Bảng 3.1: So sánh ưu nhược điểm của cảm biến đơn tĩnh và mạng cảm biến .. 45
Bảng 3.2: Quan hệ giữa số lượng hướng đo cảm biến, góc quay và số lượng bước
động cơ .................................................................................................................... 49
Bảng 3.3: Mô tả cảm biến quay ........................................................................ 58
Bảng 3.4: Hàm thành viên cho biến đầu vào Error bằng ngôn ngữ .................. 74
Bảng 3.5: Hàm thành viên cho biến đầu vào DeltaError bằng ngôn ngữ.......... 75
Bảng 3.6 Tập hợp luật Fuzzy............................................................................. 76
Bảng 3.7: So sánh tỷ lệ tiết kiệm của các phương pháp điều khiển so với điều
khiển bằng cảm biến tĩnh ........................................................................................ 85

v

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng, theo thứ tự từ
thấp đến cao về độ hiệu quả (ở trên là thấp nhất) ..................................................... 7
Hình 1.2: Nguyên lý cân bằng 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 tp...... 18
Hình 2.1: Ví dụ mơ hình bộ nguồn chuyển mạch cho LED .............................. 23
Hình 2.2: Sơ đồ bóng đèn phóng điện. .............................................................. 24
Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển tải của TRIAC ....................................................... 27
Hình 2.4: Cắt mức năng lượng biên trước, với d là khoảng thời gian điện áp ở
mức 0 ....................................................................................................................... 27
Hình 2.5: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên
trước; ....................................................................................................................... 28
Hình 2.6: Đồ thị tương quan giữa cường độ đỉnh dòng điện đột biến và giới hạn
chịu đựng dòng điện đột biến của đi ốt cầu ............................................................ 30
Hình 2.7: Mạch điện điều chỉnh cơng suất đèn LED bằng phương pháp cắt biên
trước ........................................................................................................................ 30
Hình 2.8: Đồ thị dòng điện và điện áp đi qua tải bóng đèn LED đối với phương
án điều khiển điện áp cắt biên trước. ...................................................................... 31
Hình 2.9: Cắt mức năng lượng biên sau, với d là thời gian điện áp ở mức 0 .... 32
Hình 2.10: Sơ đồ khối của thiết bị điều chỉnh mức sáng đèn dựa trên cắt biên sau
................................................................................................................................. 33
Hình 2.11: Khối bắt điểm khơng ....................................................................... 33
Hình 2.12: Khối driver cho IGBT và khối cắt pha (gồm IGBT và cầu diode).. 34
Hình 2.13: Lưu đồ thuật tốn điều khiển của thiết bị ........................................ 35
Hình 2.14: Tín hiệu bắt điểm khơng đưa vào vi điều khiển .............................. 35
Hình 2.15: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên
sau; .......................................................................................................................... 36

vi

Hình 2.16: Điện áp và dịng điện trên đèn LED khi điều chỉnh bằng cắt biên sau;
................................................................................................................................. 37
Hình 2.17: Điện áp trên đèn phóng điện khi điều chỉnh bằng phương pháp cắt
biên sau .................................................................................................................... 38
Hình 2.18: Mạch điện đèn phóng điện sử dụng chấn lưu sắt từ ........................ 39
Hình 2.19: Đáp ứng tắt dần của mạch RLC nối tiếp ......................................... 40
Hình 2.20: Mạch RLC song song (Nguồn: tác giả) ........................................... 40
Hình 2.21: Vị trí cắt biên sau làm đèn tắt .......................................................... 41
Hình 2.22: Lưu đồ thuật tốn mới thực hiện đóng cắt 50 lần trên một nửa chu kỳ
................................................................................................................................. 41
Hình 2.23: Kết quả dạng tín hiệu điều khiển và điện áp ra mô phỏng với tụ 100nF
mắc song song với tải .............................................................................................. 42
Hình 2.24: Kết quả dạng tín hiệu điện áp ra trên tải đèn phóng điện ................ 42
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm năng lượng tận dụng ánh sáng tự nhiên
................................................................................................................................. 44
Hình 3.2: Mơi trường chiếu sáng thực tế ảnh hưởng bởi nguồn sáng trực tiếp và
gián tiếp ................................................................................................................... 47
Hình 3.3: Sơ đồ cảm biến quay đa hướng ......................................................... 49
Hình 3.4: Khối động cơ bước: a) động cơ bước, b) mạch điều khiển động cơ . 50
Hình 3.5 Cảm biến quay đa hướng: a) Cảm biến ánh sáng, b) Động cơ bước, c)
Mạch điều khiển ...................................................................................................... 50
Hình 3.6: Thuật tốn cảm biến quay đa hướng ................................................. 51
Hình 3.7: Phịng thực nghiệm nhìn theo hướng từ trên xuống .......................... 53
Hình 3.8: Cám biến xoay bị vật cản chặn tạm thời hướng sáng ........................ 53
Hình 3.9: Kết quả giám sát dữ liệu cảm biến ánh sáng ..................................... 54
Hình 3.10: Phát hiện sự thay đổi đột ngột của mức ánh sáng và hướng chặn cảm
biến .......................................................................................................................... 55
Hình 3.11: Hình ảnh hệ cảm biến quay mới ...................................................... 57

Hình 3.12: Sơ đồ khối cảm biến ........................................................................ 59
vii


Hình 3.13: Mơ hình 3D của đế quay cảm biến .................................................. 59
Hình 3.14: Mạch nguyên lý của cảm biến mới................................................. 60
Hình 3.15: Lưu đồ thuật tốn cải tiến của cảm biến ánh sáng........................... 61
Hình 3.16: Hình ảnh mơ phỏng cảm biến quay với số lượng góc quay khác nhau
................................................................................................................................. 62
Hình 3.17: Sơ đồ phịng thí nghiệm thực hiện đo cường độ ánh sáng bằng cảm
biến quay ................................................................................................................. 63
Hình 3.18: Đồ thị cường độ ánh sáng của cảm biến tĩnh và cảm biến quay ..... 64
Hình 3.19: Ảnh chụp nhanh theo dõi dữ liệu cảm biến ánh sáng trên trang web
Ubidots. ................................................................................................................... 65
Hình 3.20:Biểu đồ radar của dữ liệu cảm biến ánh sáng trên các hướng chiếu
sáng khác nhau ........................................................................................................ 67
Hình 3.21: Đồ thị cường độ ánh sáng khi vật cản đặt trước cảm biến .............. 68
Hình 3.22: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển tự động. .................. 72
Hình 3.23: Mơ hình điều khiển phân tán sử dụng cảm biến tĩnh và bộ điều khiển
Fuzzy. ...................................................................................................................... 72
Hình 3.24: Cấu trúc một hệ điều khiển lai (hybrid) Fuzzy-LQR ..................... 73
Hình 3.25: Sơ đồ khối của bộ điều khiển logic mờ kết hợp PID ...................... 74
Hình 3.26: Đồ thị biểu diễn cho biến đầu vào Error ......................................... 75
Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn cho biến đầu vào DeltaError ................................. 76
Hình 3.28: Đồ thị hàm thành viên đầu ra. ......................................................... 77
Hình 3.29: Đồ thị 3D minh họa giá trị đầu ra của hệ thống .............................. 78
Hình 3.30: Mơ hình điều khiển phân tán sử dụng cảm biến quay và bộ điều khiển
Fuzzy ....................................................................................................................... 79
Hình 3.31: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng
so với cảm biến tĩnh. ............................................................................................... 80

Hình 3.32: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng
theo ngưỡng so với cảm biến tĩnh. .......................................................................... 81

viii


Hình 3.33: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp tìm giá trị cực
đại so với cảm biến tĩnh. ......................................................................................... 82
Hình 3.34: Kết quả mơ phỏng điều khiển sử dụng đầu vào với phương pháp tiền
xử lý tìm giá trị cực đại ........................................................................................... 83
Hình 3.35: Kết quả tính tốn năng lượng tiêu thụ khi sử dụng các phương pháp
tiền xử lý khác nhau và cảm biến tĩnh..................................................................... 84

ix


DANH MỤC CƠNG THỨC
Cơng thức

Thứ tự Ghi chú

Vin (t)=Vin sin (ωt+φ)

2.1

Điện áp xoay chiều đặt vào đèn phóng điện

2.2

Điện áp xoay chiều đặt vào đèn phóng điện

dưới dạng sóng vng

2.3

Điện áp rơi trên chấn lưu

2.4

Dịng điện đi qua đèn phóng điện

2.5

Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện

2.6

Tần số Neper của mạch RLC

2.7

Tần số góc cộng hưởng của mạch RLC

2.8

Hệ số suy giảm của mạch RLC

2.9

Hệ số suy giảm của mạch RLC

2.10

Tổng dẫn phức mạch RLC song song

ETi =EDi + ∑nj=1 Eij

3.1

Cường độ sáng của phịng (𝐸𝑇𝑖 ) tại vị trí i

a=i*360/2048

3.2

Quan hệ giữa góc quay và số bước của
động cơ

Φs =4πIs

3.3

Quang thông của hệ dựa trên cường độ
sáng

3.4

Độ rọi trên bề mặt chiếu sáng

Va (t)=

1

π

Vin
ωL

dt

( -ωt) -

=C

cos(ωt+γ)

duc
dt

R
2L
1
√LC

A
ω0
R

C

2

L

ζ= √

Z

n

ωL 2

dq

ω0 =
ζ=

π

Va

Ia (t)=

ic =

1

∑n=odd sin n ωt

dia
= vin (t)-va (t)

dt

VL =L

Α=

4Va

=

E=

1
ZL

+

1
ZC

+

Φs cosθ
A

1
ZR

=

1
jωL

+jωC+

1
R

x


∆E=

∆Φs cosθ
A
E0
E1
.
E=
.
.
[EN-1 ]

3.5

Thay đổi độ rọi trên bề mặt chiếu sáng

3.6

Véc tơ độ rọi

𝑃00 𝑃01 𝑃02 𝑃03 … … … 𝑃0(N−1)
𝑃10 𝑃11 𝑃12 𝑃13 … … … 𝑃1(N−1)
.
3.7
𝑃=
.
.
[ 𝑃(𝑁−1)0 … … … . . 𝑃(𝑁−1)(N−1) ]

Ej

Ma trận tham số liên hệ giữa các hướng đo

3.8

Tham số liên hệ giữa các hướng đo

Ei= EJ . PJi

3.9

Giá trị độ rọi phụ thuộc theo hướng

Y(t)=(∑N
i=1 Ei (t))/N

3.10

Pij =

Ei

Giá trị trích chọn cảm biến theo phương
pháp trung bình

N
Yavgmax(t)=∑N
i=1 ωi (t).Ei (t) /∑i=1 ωi (t) 3.11

Giá trị trích chọn cảm biến theo phương
pháp trung bình cộng theo ngưỡng

Ymax(t)= Max(E1, E2,…, EN)

Giá trị trích chọn cảm biến theo phương
pháp giá trị cực đại

3.12

xi