Mô hình đèn huỳnh quang và Ballast điện tử hoạt động ở tần số cao

Nội dung text: Mô hình đèn huỳnh quang và Ballast điện tử hoạt động ở tần số cao

1. Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều Tóm tắt: Đèn huỳnh quang hoạt động tại tần số cao ngày càng được sử dụng nhiều trong các tòa nhà hiện đại. Bài báo so sánh ba mô hình mô tả đặc tính tổng trở âm của đèn huỳnh quang. Một phương pháp mới ước lượng mô hình ballast điện tử cho đèn huỳnh quang dựa trên thực nghiệm được trình bày. Các mô hình được kiểm chứng dựa trên đánh giá thực nghiệm sử dụng ballast Tritonic và đèn Philip T8. Abstract: Fluorescent Lamps which work in high frequency are popular in modern building recently. This paper compares three models which present negative impedance characteristic of Fluorescent Lamps. A novel method estimates a ballast model for dimping mode of the lamp is presented. Models and proposal methods are evaluated by an experiment with Tritonic ballast and T8 Philip lamp. 1. Giới thiệu Để tăng hiều quả sử dụng điện và tính thẩm mỹ của công trình, ngày càng nhiều các loại đèn huỳnh quang hoạt động ở tần số cao với khả năng thay đổi công suất đã được sử dụng. Các nghiên cứu của C.S.Moo [1] về thay đổi công suất cho đèn huỳnh quang đã chỉ ra đặc tính đèn huỳnh quang là đặc tính tổng trở âm. Dựa trên các đặc tính tổng trở âm đó, T. Wu đã đề nghị một mô hình Pspice để mô tả đặc tính đèn [2]. Bằng cách khảo sát hoạt động của đèn ở tần số thấp, Naoki Onishi [3] đã chỉ ra đèn huỳnh quang không chỉ có đặc tính tổng trở âm mà còn có đặc tính tổng trở dương phi tuyến ở vùng công suất thấp, từ đó đề nghị một cấu hình cho ballast điện tử để điều khiển công suất của đèn. Dựa trên mô hình ballast của Naoki Onishi [3], C.A. Cheng đã thiết kế một loạt các ballast cho các loại đèn huỳnh quang từ các hãng khác nhau [4]. Trong khi đó, C.Min [5] đã tiếp cận vấn đề theo hướng ngược lại, từ một ballast trên thị trường, C.Min giả thiết có được một thông số của mô hình ballast, sau đó tiến hành các đo đạt thực nghiệm cho đèn và ballast để xác định các thông số còn lại của mô hình ballast. Một nhược điểm của phương pháp do C.Min đưa ra là, cần giả thiết một thông số cho mô hình ballast, và phương pháp được đề xuất chỉ phù hợp cho mô hình đèn có dạng hàm mũ bậc hai do C.Min đề nghị. Bài báo trình bày phương pháp thực nghiệm xác định mô hình đèn và ballast điện tử dựa trên nhiều phương trình đặc tính đèn, trong đó các thông số của mô hình ballast được tính toán dựa trên đặc tính làm việc của đèn tại vùng công suất cực đại và kiểm chứng bằng sai số ở vùng công suất cực tiểu. Cấu trúc bài báo được trình bày như sau, phần 2 trình bày quy trình thí nghiệm và xác định thông số cho mô hình đèn. Phần 3 phân tích hoạt động của đèn và phương pháp định mô hình ballast. Phần 4 mô tả kết quả mô phỏng của mô hình đèn kết hợp ballast. Phần 5 trình bày kết luận.
2. Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều 2. Mô hình đèn Các nghiên cứu [4], [5], [6] chỉ ra các mô hình tổng trở cho đèn được thể hiện trong các phương trình (1), (2), và (3). Để xây dựng mô các phương trình cho đèn một đo đạt thực nghiệm được thể hiện như Hình 1. Ngõ vào chân số 3, số 4 được cấp nguồn 220V 50Hz. Chân số 6, 7 được nối với bộ điều khiển dimmer của GIRA. Ngõ ra nối với đèn được đánh số thứ tự 9, 10, 11, 12. Trong đó chân 9,10 là chân hot, chân 11,12 là chân cold. Một điện trở 5 ohm được sử dụng để đo dạng sóng dòng điện đi qua đèn. + 푒− 2 − 푒− 4 푅 = 0 1 3 (1) 푅 = 푃2 + 푃 + (2) 푅 = 푒 푃 + 푒 푃 (3) Hình 1: Thí nghiệm đo thông số đèn. Bảng 2 : Thông số mô hình đèn. Thông số Phương án 1 Phương án 2 Mô hình 1 Bảng 1: Các thông số đo đạt của đèn T8 A0 -21.129 -876 36W Philliip A1 72.836 -2.283 A2 0.141025 -12.86 I U R P F A3 -72.837 -12.86 0.0848 106.066 1250 9 100000 A4 0.141161 -0.3263 0.0919 116.6726 1269.231 10.725 90909.09 Mô hình 2 0.0954 120.2082 1259.259 11.475 90909.09 A -0.0799 -0.0799 0.0989 123.7437 1250 12.25 90909.09 B -41.3515 -41.35 0.12 134.3503 1119.586 16.12203 90909.09 C 1748.163 1748 0.1060 130.8148 1233.333 13.875 83333.33 Mô hình 3 0.1555 128.2792 824.6101 19.95556 52631.58 A 1113.594 3728 0.1979 123.7437 625 24.5 50000 B -0.04951 -0.07186 0.2262 120.2082 531.25 27.2 48519.05 C 1113.592 -1.20E+04 0.282843 113.1371 400 32 47619.05 D -0.04945 -0.3125 Thông số dữ liệu đo được tại các dải công suất có được như trong Bảng 1. Sử dụng công cụ cuver fitting của matlab, các thông số của ba mô hình đèn được thể hiện ở Bảng 2. 3 Thiết kế ballast điện tử 3.1 Phân tích hoạt động của đèn
3. Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều Hình 2: Mô hình ballast điện tử phối Hình 3: Sơ đồ tương đương của đèn ở chế độ hợp đèn huỳnh quang. xác lập. Mạch tương đương của ballast điện tử và đèn được thể hiện như trong Hình 2 .Trong đó cuộn cảm Ls, Cs đóng vai trò là mạch lọc, tụ Cf đóng vai trò là tụ khởi động của đèn. Khi đèn làm việc ở công suất cực đại, tổng trở đèn rất nhỏ so với tổng trở tụ khởi động Cf, mạch điện ở hình 2 có thể được rút gọn như hình 3. Tần số cộng hưởng ở trạng thái ổn định là: 1 휔0,푠푡푒 = . Gọi điện áp trên đèn là Vlamp, điện áp tại nguồn là Vs góc pha theta. 퐿푠 푠 Lúc này dòng điện qua đèn được tính theo công thức (4): 2 ∠휃− 푙 푙 = 1 = 푅푒 푙 + 푗 푙 (4) 푗 휔푠푤 퐿푠− 휔 푠푤 푠 2 2 sin 휃 cos 휃− 푙 Với 푅푒 푙 = 1 푙 = 1 휔푠푤 퐿푠− 푗 휔푠푤 퐿푠− 휔 푠푤 푠 휔 푠푤 푠 Vì đèn được coi là một điện trở thuần nên phần ảo của dòng điện sẽ bằng 0. Dòng điện và điện áp trên đèn được tính theo công thức (5) và (6): 2 sin 휃 2 푙 = cos 휃 (5) và 푙 = 1 (6) 휔푠푤 퐿푠− 휔 푠푤 푠 3.2 Thiết kế ballast điện tử Đặt k31 và k32 là tỷ số giữa tổng trở đèn và tổng trở tụ khởi động Cf tại mức công suất cực tiểu và cực đại. phương trình (7) thể hiện mối quan hệ giữa tụ Cf và tổng trở đèn . 1 1 = = (7) 휔푠푤 1 31 푅푙 1 휔푠푤 2 32 푅푙 2 Với 휔푠푤1, 푅푙 1 lần lược là tần vận tốc góc, điện trở của đèn tại mức công suất thấp nhất. Và 휔푠푤2, 푅푙 2 lần lược là tần vận tốc góc, điện trở của đèn tại mức công suất cao nhất. Để đèn làm việc đạt công suất cao thì 푅푙 ≤ 푍 , dấu bằng xảy ra khi đèn là việc tại công suất thấp nhất, lúc này 31 = 1 và tần số làm việc lớn nhất. Sử dụng số liệu ở Bảng 1 và 1 1 −9 công thức (7), giá trị 32 = 6.6 và = = = 1.38 ∗ 10 퐹 . 휔푠푤 3푅푙 2 ∗47퐾 ∗6.6∗400
4. Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều Giá trị tụ lọc Cs lớn hơn nhiều lần so với tụ khởi Xác định hệ số k3 tại mức công động Cf . Theo [5], tỷ số k1 giữa Cs và Cf được suất cao nhất chọn bằng 10 để đảm bảo méo dạng tín hiệu, do đó Cs=13.8 nF. Khi đèn làm việc ở chế độ công suất thấp nhất, 1 Tính giá trị = 휔푠푤 3푅푙 ứng với tần số làm việc cao nhất, lúc đó điện trở đèn lớn nhất và có thể coi là đáng kể so với tổng trở tụ Cf. Lúc này điện áp trên đèn được thể Tính giá trị Cs= 10Cf hiện như công thức (7) 푠 푙 = ∗ 푍 (7) 푍 +푍푠 Vẽ đặc tuyến L-V theo công Với thức = 푠 ∗ 푍 푙 푍 +푍 1 1 푠 푍 = = 1 1 1 1 푌 + 푍 = = 푅 1 1 1 푙 푅 + 푌 + 푗휔 푅 1 푙 푅 + 푗휔 1 1 푍푆 = 푗휔퐿푠 + 푍푆 = 푗휔퐿푠 + 푗휔 푗휔 Các giá trị Vs và Vlamp có thể đo được từ thực tế. Với giá trị Rlamp đo được tại vùng Hình 4 thể hiện mối tương quan giữa cuộn cảm công suât thấp nhất Ls và điện áp ra trên đèn . Theo bảng 1 tại công suất thấp nhất điện áp trên đèn là 106 ohm. Xác định giá trị Ls tại đó Vs gần Lưu đồ tính toán các thông số của mô hình với giá trị thực tế nhât ballast được thể hiện như Hình 5. Hình 5: Lưu đồ tính toán mô hình ballast. 3. Kết quả mô phỏng Thí nghiệm với đèn T8, ballast điện tử 36W của TRITONIC. Bảng số liệu có được như bảng 3.1. Tại thí nghiệm đo với công suất lớn nhất, tức là Rlamp đạt được nhỏ nhất và tần số đạt thấp nhất. Lúc này công thức 4.16 có khả năng đạt đúng nhất vì Zc sẽ lớn và Rlamp sẽ nhỏ. Tính toán giá trị k3: 1 1 Ta có: = = 휔푠푤 1 31 푅푙 1 휔푠푤 2 32 푅푙 2 Tại mức tần số cao nhất, giả sử Zcf=Rlamp, vì vậy k32=1. Do đó k31=6.6 Lúc này giá trị 1 1 = = = 1.38 ∗ 휔푠푤 3푅푙 2 ∗47퐾 ∗6.6∗400 10−9퐹 Cs= 10Cf Hình 4: Đặc tuyến Ls-Vlamp.
5. Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều Tại tầm công suất thấp, giá trị điện trở đèn lớn cùng với tần số làm việc cao nên giá trị điện trở là quan trọng trong việc xác định điện áp trên đèn. Điện áp trên đèn được tính bằng công thức 4.10, ứng với giá trị của Ls chạy từ 2 đến 4mH. Chương trình tính toán điện áp trên đèn theo giá trị Ls cho kết quả như hình 4.9.Hình 4 Giá trị điện áp trên đèn hoạt động tại tầm công suất thấp theo giá trị Ls. Lưu đồ giải thuật cho quá trình tính toán tham số cho ballast điện tử được thể hiện như Hình 5. 4. Mô phỏng- đánh giá Thí nghiệm đèn kết hợp ballast ở phần 2 được thể hiện ở Hình 6a với ballast Tritonic 36W và đèn T8 Philip 36W. Phương trình (1), (2) và (3) thể hiện mô hình đèn được trình bày trong Hình 6b, 6c, và 6d. Bằng việc áp dụng các thông số tính toán được từ phần 2 đối với mô hình đèn và phần 3 đối với ballast, dạng sóng quá độ của ba mô hình đèn thể hiện như Hình 7. Theo đó, mô hình đèn của phương trình (3) thể hiện đặc tính quá độ tốt nhất khi độ giảm điện áp và độ tăng dòng điện lớn nhất trong ba mô hình được mô phỏng. Điều này phù hợp với đặc tính vật lý của đèn khi mới khởi động, lúc đầu điện áp tăng cao để kích hoạt đèn hoạt động, sau đó giảm dần để đèn đạt được công suất hiệu quả vì đèn có đặc tính tổng trở âm. Hình 6a Hình 6b Hình 6c Hình 6d Hình 6: a. mô hình đèn kết hợp ballast, b. mô hình đèn theo (1), c. mô hình đèn theo (2), d. mô hình đèn theo (3)
6. Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều Hình 7a Hình 7b Hình 7c Hình 7. Dạng sóng dòng điện, điện áp quá độ trên đèn a. mô hình đèn (1) b. mô hình đèn (2) c. mô hình đèn (3) Để khảo sát hoạt động của đèn trong chế độ xác lập, đèn được mô phỏng ở ba chế độ tần số khác nhau. Hình 8 ,9 và 10 thể hiện dạng sóng mô phỏng và thực tế của dòng điện, điện áp đi qua đèn tại các tần số 47, 71.4 và 100 KHz tương ứng. Từ các dạng sóng mô phỏng và thực nghiệm, cả ba mô hình đèn đều thể hiện được đặc tính tổng trở âm của đèn và khả năng điều khiển công suất khi thay đổi tần số làm việc, trong đó mô hình đèn ở phương trình (3) thể hiện sai số ít nhất giữa giá trị thực nghiệm và mô phỏng. Sai số trong lớn nhất xảy ra khi đèn làm việc tại công suất cực đại đạt khoảng 10% so với giá trị thực tế. Hình 8a Hình 8c Hình 8b Hình 8d
7. Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều Hình 8: Dòng điện và điện áp tại tần số 47kHz. a. Dòng điện mô phỏng b. Điện áp mô phỏng c. Dòng điện thực tế d. Điện áp thực tế điện áp 150V/div dòng điện 0.2 A/div, R=5ohm Hình 9a Hình 9c Hình 9b Hình 9d Hình 9: Dòng điện và điện áp tại tần số 71kHz. a. Dòng điện mô phỏng b. Điện áp mô phỏng c. Dòng điện thực tế d. Điện áp thực tế điện áp 150V/div dòng điện 0.1 A/div, R=5ohm Hình 10a Hình 10c
8. Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều Hình 10b Hình 10d Hình 10: Dòng điện và điện áp tại tần số 100kHz. a. Dòng điện mô phỏng b. Điện áp mô phỏng c. Dòng điện thực tế d. Điện áp thực tế điện áp 150V/div dòng điện 0.04 A/div, R=5ohm 5. Kết luận Đề tài đã khảo sát hoạt động của đèn huỳnh quang T5 Phillip 36 W hoạt động cùng với ballast TRITONIC 36W. Kết quả khảo sát được sử dụng để xây dựng ba mô hình đèn dựa trên các mô hình hàm bậc hai và hàm mũ đạt độ chính xác cao so với thí nghiệm thực tế. Một quy trình xác định cách thông số của mô hình ballast điện tử dựa trên thực nghiệm cho ballast TRITONIC 36W đã được trình bày. Các thông số cho mô hình ballast được kiểm chứng hoạt động tốt khi kết hợp với mô hình đèn. Sự biến thiên các đại lượng dòng điện, điện áp của mô hình phù hợp với nguyên tắc hoạt động của ballast trong giai đoạn quá độ và xác lập. Một chương trình máy tính được thiết lập để có thể tính toán, thông số cho mô hình ballast điện tử dựa trên các đo đạt thực nghiệm đầu vào. Các kết quả mô phỏng trong nhiều miền tần số khác nhay chứng tỏ rằng tất cả các mô hình đều có đáp ứng định tính tốt tại mọi tần số làm việc. Tuy nhiên đáp ứng định lượng của mô hình hàm mũ bậc hai là tốt nhất khi so sánh dạng sóng dòng điện, điện áp thực tế trên thiết bị.
9. Mô Hình Đèn Huỳnh Quang và Ballast Điện Tử Hoạt Động Ở Tần Số Cao Nguyễn Nhật Hải Triều THAM KHẢO [1] C.S.Moo, Y.C.Chuang, Y.H.Huang and H.N.Chen, “Modeling of Fluorescent Lamps for Dimmable Electronic Ballasts”. [2] T. Wu, J. Hung, and T. Yu, "A PSpice model for fluorescent lamps operated at high frequencies". [3] Naoki Onishi, Tsutomu Shiomi, Akio Okude and Tokushi Yamauchi, “A Fluorescent Lamp Model for High Frequency Wide Range Dimming Electronic Ballast Simulation”. [4] C.A. Cheng, T.J. Liang. A Novel Method of Using Second-Order Lamp Model to Design Dimmable Fluorescent Lamps Electronic Ballast. [5] C. Min and Q. Zhaoming "A fluorescent lamp model based on its physical characteristics," Singapore, 2003.
10. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.