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
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 Thơng 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 MƠ 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 MƠ 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 mơ 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 thơng

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
Hình 2.4: Đáp ứng quá độ của hệ kín khi

K  K gh

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 ngồi 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 cơng 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 tốn tổng thể........................................................................... 43
Hình 2.30. Lưu đồ thuật tốn chế độ tiêu chuẩn ........................................................... 44
Hình 2.31. Lưu đồ thuật tốn chế độ cắt pha................................................................. 45

Hình 2.32. Lưu đồ thuật tốn 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 dịng 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 hố ............................. 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 mơ 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 mơ 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. Mơ 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 thơng 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% cơng 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 q áp ở chế độ cắt xen pha khi khơng có tính năng ổn
áp ................................................................................................................................... 78
Hình 3.30. Đặc tính cơng suất khi bắt đầu chuyển sang cắt xen pha và chiết giảm...... 79
Hình 3.31. Đặc tính cơng 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 cơng suất. 80
Hình 3.33. Cảnh báo “có tổn thất cơng suất” ................................................................ 80

viii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các thông số của bộ điều khiển P, PI, PID theo phương pháp ZeiglerNichols với hệ hở có đáng ứng đầu ra với các thơng 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 cơng vận hành;
An tồn cho thiết bị chiếu sáng;
An tồn cho người tham gia giao thơng;
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 thơng 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 cơng 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 cơng suất bóng đèn truyền thơng qua mạng viễn thơng
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 khơng
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 thơng 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 đơ 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 đơ thị, An tồn cho
phương tiện tham gia giao thơng
Nhược điểm: Chi phí đầu tư lớn và việc thay thế tồn 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 khơng bị q
áp, nâng cao tuổi thọ bóng đèn
Nhược điểm là chi phí đầu tư lớn, khơng 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 tồn 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 cơng 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 cơng mơ hình thực nghiệm
- Đề xuất lắp đặt thử nghiệm mơ 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 mơ hình thực nghiệm và cài đặt thuật tốn vào mơ 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 mơ
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 mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng tính đúng đắn của thuật tốn, 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 cơng 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 dịng điện phù hợp với những cơng 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 mơi.
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 cịn 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 mơi 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 cơng 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 ngồi theo hướng đi đã được định sẵn thơng 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 Thơng 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 thơng 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 cơng 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 khơng tốt như lúc ban đầu

1.1.7. Các tính năng của đèn cao áp
Phù hợp với nhiều cơng 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 mơi trường, đảo bảo an tồn 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 cịn có khả năng phản tốt. Chống oxy hóa hay rỉ sét dưới tác động của
mơi 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).
Ngồi việc áp dụng cơng 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% cơng suất chiếu sáng là khơng
cần thiết. Vì vậy, việc triết giảm cơng 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 tồn giao thơng và mỹ quan đơ
thị.

9


Giải pháp 2: Sử dụng chấn lưu hai mức công suất hoặc sử dụng chấn lưu phụ
mắc thêm cho chấn lưu thường để tạo thành tổ hợp chấn lưu hai mức công xuất để
giảm công suất tiêu thụ của đèn vào ban đêm khi nhu cầu chiếu sáng giảm bớt. Giải
pháp này áp dụng trong thiết kế mới các dự án đèn đường và phải đảm bảo chất lượng
điện áp ổn định. Ưu điểm thiết bị gọn, tổn hao thấp. Nhược điểm là giá thành thiết bị
cao, không điều chỉnh được mức tiết kiệm do đã được lập trình sẵn, chi phí sửa chữa
thay thế cao.
Giải pháp 3: Dùng 2 bóng cơng suất nhỏ trên 1 cột. Đây là giải pháp đơn giản
hiệu quả tiết kiệm cao, tuy nhiên chi phí đầu tư cao.
Giải pháp 4: Thay thế các bóng đang có sang bóng LED. Giải pháp này có ưu
điểm tiết kiệm điện, tuổi thọ bóng LED cao. Tuy nhiên gây lãng phí do phải thay thế
tồn bộ các bóng và các chao đèn đang có. Giá thành của các bóng LED cũng rất lớn
nên chi phí đầu tư cao.
Giải pháp 5: Sử dụng máy biến áp tự ngẫu để điều chỉnh chiết giảm vơ cấp điện
áp đặt lên bóng đèn nhằm tiết kiệm năng lượng và nâng cao tuổi thọ của bóng. Giải
pháp này tiết kiệm được phần nào năng lượng. Tuy nhiên lại gây tổn hao trên máy biến
áp. Hệ thống khá cồng kềnh phức tạp.
1.3. Đề xuất giải pháp thiết kế
Sử dụng thiết bị điều chỉnh công suất, để chế tạo ra tủ điều khiển có khả năng tự
động điều chỉnh công suất chiếu sáng tối ưu theo nhu cầu sử dụng của từng thời điểm,
theo nguyên tắc:
Vận hành ở chế độ chiếu sáng định mức: Trong khoảng thời gian cao điểm tham

gia giao thông từ 18h - 22h30 (hoặc do người dùng cài đặt), khoảng thời gian này nếu
điện áp lưới cao hơn định mức thì thiết bị tự động điều chỉnh điện áp về giá trị định
mức và công suất chiếu tương ứng <=100%
Vận hành ở chế độ chiết giảm: Trong khoảng thời gian: 22h30 - 05h30 (hoặc do
người dùng cài đặt), tất cả các bóng đèn vẫn sáng nhưng ở cơng suất tiêu thụ chỉ cịn
50- 100% (Do người dùng cài đặt) cơng suất định mức, cường độ ánh sáng có giảm

10


theo nhưng vẫn đảm bảo với mật độ hoạt động của người tham gia giao thơng tại thời
điểm đó.
Giải pháp này cho phép sử dụng lại bóng cao áp và đường dây của hệ thống
chiếu sáng hiện đang vận hành.
Ưu điểm:
- Khả năng chiết giảm đến 50% điện năng, nhưng vẫn đảm bảo cường độ chiếu
sáng cho phép
- Đảm bảo mỹ quan đơ thị
- Chống q áp trên bóng đèn, giúp tăng tuổi thọ bóng
- Tận dụng được thiết bị hạ tầng chiếu sáng hiện có.
Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu lớn hơn giải pháp tắt xem kẽ pha, nhưng vẫn thấp hơn
so với các giải pháp khác.
Chế độ làm việc: Tủ chiếu sáng tiết kiệm điện có 03 chế độ làm việc:
+ Chế độ tiêu chuẩn;
+ Chế độ cắt xen pha
+ Chế độ hỗn hợp
 Chế độ tiêu chuẩn: Ở chế độ tiêu chuẩn hệ thống đèn chiếu sáng sẽ
được tự động bật sáng ở thời điểm t1 và sẽ duy trì ổn định ở cơng suất
đặt P2 cho đến thời điểm t2. Tại thời điểm t2 hệ thống chiếu sáng sẽ

được tự động chuyển sang vận hành ở công suất P3 < P2 cho đến thời
điểm t5. Trong khoảng thời gian từ t2 - t5 công suất có thể được vận
hành ở mức từ (50 – 100)% cơng suất định mức của hệ thống.

Hình 1.5. Đặc tính làm việc ở chế độ tiêu chuẩn
11




Chế độ cắt xen pha

Chế độ làm việc này giống như giải pháp 1 đã trình bày ở mục 1.2. Lúc này tủ
điều khiển làm việc như một tủ điện đóng cắt thơng thường theo chức năng thời gian
thực, khơng có sự tham gia của bộ bán dẫn cơng suất. Năng lượng sẽ được tiết kiệm tối
đa đến 50% nhưng khơng tránh khỏi việc bị q áp bóng đèn và ảnh hưởng đến chất
lượng chiếu sáng và mỹ quan đô thị.
 Chế độ hỗn hợp

Hình 1.6. Đặc tính làm việc ở chế độ hỗn hợp
Có thể kế hợp cả vận hành chiết giảm công suất và vận hành ngắt xen pha, điều
đó sẽ cho hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao hơn tuy nhiên chỉ áp dụng cho những
tuyến đường ít phương tiện lưu thơng về đêm vì nó sẽ khơng đảm bảo chất lượng chiếu
sáng. Gần sáng có thể do nhu cầu chiếu sáng lại tăng do lưu lượng người tham gian
giao thông tăng, Các pha lại được bật sáng trở lại.
Chế độ điều khiển:


Chế độ tại chỗ

Vận hành và cài đặt các tham số làm việc tại màn hình cảm ứng HMI đặt tại tủ
điều khiển. Các tham số năng được giám sát bằng đồng hồ năng lượng và hiển thị cả
trên HMI


Chế độ từ xa

Vận hành và cài đặt tại phịng điều khiển trung tâm thơng qua mạng truyền
thơng khơng dây wifi hoặc truyền thơng có dây.
Các cảnh báo và chế độ bảo vệ
Cảnh báo khi bị sử dụng điện trái phép do dòng tải tăng bất thường
12


Cảnh báo cháy bóng trên tuyến
Bảo vệ q dịng
Bảo vệ quá áp
Bảo vệ thấp áp
1.4. Kết luận chương 1
- Trong chương này, tác giả đã trình bày tổng quan về các loại đèn đường đang
được sử dụng phổ biến ở Việt Nam
- Phân tích ưu nhược điểm các phương pháp điều khiển đèn đường đang được sử
dụng.
Từ đó đưa ra phương án nghiên cứu nhằm thiết kế, chế tạo ra một tủ điện điều
khiển có khả năng tiết kiệm năng lượng với nhiều chế độ điều khiển và bảo vệ khác
nhau, tận dụng được cơ sở hạ tầng có sẵn của hệ thống đèn Halogen có sẵn.

13

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
CHIẾU SÁNG ĐÈN ĐƯỜNG
2.1. Tổng quan về lý thuyết điều khiển kinh điển PID
Tên gọi PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển
gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân (D). Người ta vẫn thường
nói rằng PID là một tập thể hồn hảo gồm ba tính cách khác nhau:
- Phục tùng và thực hiện chính xác nhiệm vụ được giao (tỷ lệ)
- Làm việc và có tích lũy kinh nghiệm để thực hiện tốt nhiệm vụ (tích
phân)
- Ln có sáng kiến và phản ứng nhanh nhạy với sự thay đổi tình huống
trong quá trình thực hiện nhiệm vụ (vi phân)

Hình 2.1. Cấu trúc bộ điều khiển PID
Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều khiển đối tượng SISO
theo nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ PID được sử dụng rộng rãi vì tính đơn giản của nó cả
về cấu trúc lẫn ngun lý làm việc. Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống
về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:
- Triệt tiêu sai số xác lập
- Giảm thời gian xác lập và độ vọt lố.
- Hạn chế dao động
Quan hệ vào/ra của bộ điều khiển được thể hiện bằng biểu thức:

14