BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
NGUYỄN VĂN THỌ
Nghiªn cøu lùa chän gi¶i ph¸p c«ng nghÖ
tù ®éng ®iÒu khiÓn hÖ thèng ®iÖn chiÕu s¸ng
c«ng céng mét sè tuyÕn ®−êng khu trung t©m
thμnh phè b¾c ninh
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 60.52.02.02 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : TS. NGÔ TRÍ DƯƠNG
Hà Nội – 2013
nền tảng cơ bản, hành trang vô cùng quí giá trong cuộc sống. Đặc biệt là thầy
giáo T.S Ngô Trí Dương phó chủ nhiệm khoa Cơ - Điện Trường Đại học Nông
Nghiệp Hà Nội người đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và cơ quan
đã có sự giúp đỡ, động viên trong suốt thời gian học tập và làm luận văn.
Trong quá trình thực hiện đề tài do kiến thức và thời gian còn hạn chế
nên đề tài không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được ý kiến của
các Thầy Cô giáo và các bạn đồng nghiệp để bản luận văn được hoàn chỉnh hơn
!
Xin trân trọng cám ơn !
Hà nội, ngày …. tháng …… năm 2013
Học viên Nguyễn Văn Thọ
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN………………………………………………… …………….….i
LỜI CẢM ƠN.………………………….………………………… ………… … ii
MỤC LỤC ……………………………………………………… ……… ………iii
DANH MỤC BẢNG ……………………………………………… ……… …….vi
DANH MỤC HÌNH ……………………………………………… ……… …….vii
1.7.1 PHNG PHP CT BT TI S DNG CHUYN MCH
THI GIAN 23
1.7.2 PHNG PHP GIM CễNG SUT CA BểNG ẩN CHIU
SNG 24
CHNG 2 THC TRNG TAI BC NINH V XUT GII PHP
IU KHIN 28
2.1. THC TRNG TI BC NINH V XUT GII PHP
IU KHIN 28
2.1.1. Khối lợng quản lý, khai thác hệ thống chiếu sáng công cộng 28
2.1.2. Kết cấu lới đèn hiện trạng 28
2.1.3 Dây dẫn truyền tải: 28
2.1.4. H thng t iu khin: 28
2.1.5. Phơng thức điều khiển v vận hnh lới đèn 29
2.1.6. H thng ốn chiu sỏng: 30
2.1.7 Cỏp in chiu sỏng: 31
2.1.8. Nhu cầu phát triển 31
2.2 C TH I VI MT S TUYN NG KHU RUNG
TM: 32
CHNG 3: THIT K B IU KHIN CHIU SNG CễNG
CNG 40
3.1. YấU CU THIT K B IU KHIN 40
3.2. THIT K PHN CNG 41
3.2.1. Cm bin o sỏng 41
4.2.2. B iu khin 47
3.2.3. La chn c cu chp hnh 51
trờng đô thị TCXDVN 259: 22
Bảng 1.6 Độ cao treo đèn 22
Bảng 1.7 Phân cấp các loại đờng theo mức độ chiếu sáng 23
Bng 2.1. Loi ốn v s lng ốn c chiu sỏng nhng phm vi
khỏc nhau 30
Bảng 2.2 Tổng hợp dự báo nhu cầu phát triển HTCSCC của TP Bắc Ninh
đến năm 2020 32
Bng 3.1: Bng phõn cụng tớn hiu vo ra 55
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
vii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Thí nghiệm quang phổ liên tục 3
Hình 1.2: Thí nghệm quang phổ vạch 3
Hình 1.3: Đường cong hiệu quả ánh sáng 5
Hình 1.4: Biểu đồ Kruithof 8
Hình 1.5: Thí nghiệm phóng điện trong chất khí 9
Hình 1.6: Phóng điện trong chất khí với nguồn điện hình Sine 10
Hình 1.7: Giải thích hiện tượng phát sáng huỳnh quang 10
Hình 1.8: Cấu tạo bộ đèn chiếu sáng công cộng………………………… … 10
Hình 1.9: Các loại tấm phản quang 12
Hình 1.10: Thiết bị mồi đèn 12
Hình 1.11: Ảnh hưởng của sơ đồ bố trí đèn đến hệ số sử dụng 13
Hình 1.12: Góc bảo vệ của bộ đèn 13
Hình 1.13: Cấu tạo đèn sợi đốt 14
Hình 1.14: Bóng đèn natri cao áp 15
Hình 3.12: Luxmet 45
Hình 3.13: Cấu tạo cảm biến quang 46
Hình 3.14: Nút điều chỉnh ngưỡng đặt 46
Hình 3.15: Hình dáng bên ngoài của cảm biến quang E3F2 47
Hình 3.16: Hình dáng và kích thước thực của PLC S7-200 CPU 224 48
Hình 3.17: Sơ đồ mạch giao tiếp giữa CPU224/AC/RLY với sensor và cơ
cấu chấp hành 49
Hình 3.18: Giao thức MODBUS 49
Hình 3.19: Cấu tạo chung của PLC S7-200 50
Hình 3.20: Bóng đèn natri cao áp 51
Hình 3.21: rơle điện từ loại RXM2LB1P7 của Schneider 52
H×nh 3.22. Nguyªn lý lμm viÖc cña m¸y biÕn ¸p 53
Hình 3.23.Sơ đồ hệ thống 54
H×nh 3.24. Giản đồ thời gian mô tả hoạt động của hệ thống đèn 55
Hình 3.25: Sơ đồ kết nối các thiết bị vào ra với PLC 56
Hình 3.26:Mạch động lực 57
Hình 3.27: Lưu đồ thuật toán chương trình chính 58
Hình 3.28: Lưu đồ thuật toán của chế độ điều khiển tự động 59
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
ix
Hình 3.29: Cấu trúc của một PLC 60
Hình 3.30: Cấu trúc các chương trình trong PLC 60
Hình 3.31: Sơ đồ vòng quét của PLC 60
Hình 3.32: Trình tự thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC 61
Hình 3.33: Mô phỏng trạng thái khởi động hệ thống 62
Hình 3.34: Mô phỏng khi cảm biến quang tác động và hơn 17h đèn sáng
100% công suất 63
Hình 3.35: Mô phỏng khi cảm biến quang tác động và ≥ 22h đèn sáng 80%
công suất 64
đợc vai trò của đô thị trong sự nghiệp CNH-HĐH đất nớc. Trong sự phát triển
chung đó, lĩnh vực chiếu sáng đô thị ở nớc ta đã thực sự hình thnh v phát
triển.
Về tốc độ tăng trởng lới đèn đô thị trong thời gian qua diễn ra rất nhanh
v đồng bộ, đặc biệt có sự kết hợp chặt chẽ giữa các Bộ, ngnh trung ơng v
chính quyền các đô thị, hệ thống chiếu sáng công cộng đã đợc quan tâm v đầu
t xây dựng đúng hớng, phát huy hiệu quả trong phục vụ sinh hoạt đô thị, nhất
l ở các thnh phố lớn v các tỉnh lỵ mới thnh lập.
Về chất lợng hệ thống chiếu sáng đô thị nớc ta đã có những tiến bộ đáng
ghi nhận
Bên cạnh những kết quả đạt đợc trong thời gian qua, sự phát triển của
ngnh chiếu sáng đô thị cũng còn nhiều tồn tại, thách thức cần giải quyết, tháo
gỡ để đạt kết quả tốt hơn trong thời gian tới, đó l:
Hệ thống chiếu sáng các đô thị ở nớc ta mới chỉ thoả mãn ở mức tối thiểu
chức năng lm tiêu, l chức năng sơ đẳng nhất của chiếu sáng v chủ yếu do
thnh phần chiếu sáng công cộng đem lại.
Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut
2
Hệ thống đo tạo tiêu chuẩn kỹ thuật chuyên ngnh còn yếu v thiếu, không
đồng bộ, gây khó khăn cho công tác thiết kế, xây dựng v quản lý chất lợng các
công trình chiếu sáng.
Chiếu sáng không chỉ l cơ sở hạ tầng m còn l sự tiện nghi, đảm bảo an
ton an ninh trật tự, nó góp phần thúc đẩy các hoạt động SX-KD v cũng phần
no thể hiện mức độ phát triển kinh tế -xã hội, thể hiện sự văn minh đô thị.
Các biện pháp tiết kiệm năng lợng trong chiếu sáng không quá khó vì đòi
hỏi vốn đầu t không nhiều vả lại không nhất thiết phải tập trung vo một thời
điểm hoặc một địa điểm cố định. Cần có những biện pháp kỹ thuật cụ thể phù
hợp với từng loại đờng v các biện pháp ny cũng cần đợc thử nghiệm v đánh
giá hiệu quả trớc khi áp dụng phổ biến.
1.2.3 Nguồn sáng nhân tạo và quang phổ vạch
Hình 1.2: Thí nghệm quang phổ vạch
Ánh sáng nhân tạo có quang phổ đứt quãng (quang phổ vạch). Hình 2 là kết
quả thí nghiệm xác định quang phổ của một số nguồn sáng nhân tạo sau khi đi
qua lăng kính:
1.2.4 Các đại lượng cơ bản đo ánh sáng
- Góc khối
- Ký hiệu góc khối: Ω
- Đơn vị: Sr (steradian)
- Ý nghĩa: Góc khối là góc trong không gian, đặc trưng cho góc nhìn (tức là
từ một điểm nào đó nhìn vật thể dưới một góc khối). Trong kỹ thuật chiếu sáng,
góc khối biểu thị cho không gian mà nguồn sáng bức xạ năng lượng của nó.
- Quang thông
Thông lượng năng lượng của ánh sáng nhìn thấy là một khái niệm có ý nghĩa
quan trọng về mặt vật lý. Tuy nhiên trong kỹ thuật chiếu sáng thì khái niệm này
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
3
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
4
ít được quan tâm.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
5
n v: Lm/m2
1 Lm/m2 l trng ca mt ngun sỏng hỡnh cu cú din tớch mt ngoi
1m2 phỏt ra quang thụng 1 Lumen phõn b u theo mi phng
.
- chúi
í ngha: Th hin mt phõn b cng sỏng phỏt ra t mt n v
din tớch ca b mt ú theo mt hng xỏc nh n mt ngi quan sỏt.
chúi ph thuc vo tớnh cht phn quang ca b mt v hng quan sỏt (khụng
ph thuc vo khong cỏch t mt ú n im quan sỏt).
Ký hiu: L
n v: Cd/m2
1 Cd/m2 l chúi ca mt mt phng phỏt sỏng u cú din tớch 1 m2 v
cú cng sỏng 1 Cd theo phng vuụng gúc vi ngun ú.
- Yờu cu chúi mt ng
Một vật chớng ngại chỉ có thể phát hiện đợc khi có sự chênh lệch về độ
chói giữa nền đờng v vật
Độ nhìn rõ vật chớng ngại đợc tính bằng tỷ số:
Lng
LvLn
Lng
Ltt
=
ngại.
Độ đồng đều tơng ứng với điều kiện ranh giới giữa tiện nghi v mất tiện
nghi thị giác nh sau:
Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut
6
Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut
7
Bảng 1.1 Yêu cầu độ đồng đều chiếu sáng
Độ đồng đều U
L
L(cd/m2)
e<25 m e=25-35 e>35 m
U
L
(tb)
<1 0,8 - 0,74 0,77
1- 4 0,76 0,71 0,67 0,71
>4 0,67 0,63 0,59 0,63
Trong đó:
e: Khoảng cách cột (m)
Với độ chói mặt đờng L=1- 2 Cd/m2 thì độ đồng đều theo chiều dọc tối thiểu
phải bằng 0,7.
- Sự chói lóa của các đèn đờng
- Chói lóa mờ lm giảm độ nhìn rõ ảnh hởng tới việc phát hiện vật chớng
ngại.
- Chói lóa mất tiện nghi gây khó chịu cho ngời lái xe lm giảm sự tập
trung chú ý.
1 Chói lóa không thể chấp nhận đợc.
Chỉ số hạn chế chói lóa G 5 l phù hợp.
Hai chỉ số chói lóa TI v G quan hệ với nhau theo một hm số lôgarit có
dạng:
Log TI = - mG + n
Trong đó m v n l các hằng số thực nghiệm.
Nếu lấy G
5 thay vo công thức tính đợc TI <15% đáp ứng đợc cả 2 yêu
cầu hạn chế chói lóa mờ v chói lóa mất tiện nghi.
- Nhit mu:
Nhit mu ca mt ngun sỏng c th hin theo thang Kelvin (K) l
biu hin mu sc ca ỏnh sỏng do nú phỏt ra. Mt thanh st khi ngui cú mu
en, khi nung núng u nú rc lờn ỏnh sỏng da cam, tip tc nung nú s cú mu
vng, v tip tc nung nú s tr nờn núng trng. Ti bt k thi im no
trong quỏ trỡnh nung, chỳng ta cú th o c nhit ca thanh thộp theo
Kelvin (0C + 273) v gỏn giỏ tr ú vi mu c to ra.
Hỡnh 1.4: Biu Kruithof
Trng i hc Nụng nghip H Ni Lun vn thc s k thut
8
i vi ốn si t, nhit mu chớnh l nhit bn thõn nú. i vi
ốn hunh quang, ốn phúng in (núi chung l cỏc loi ốn khụng dựng si
đốt) thì nhiệt độ màu chỉ là tượng trưng bằng cách so sánh với nhiệt độ tương
ứng của vật đen tuyệt đối bị nung nóng.
1.3 CÁC HIỆN TƯỢNG PHÁT SÁNG
1.3.1 Hiện tuợng phát sáng do nung nóng
Bất kỳ vật thể nào có nhiệt độ > 0 K đều bức xạ năng lượng dưới dạng sóng
điện từ. Nhiệt độ càng cao thì cường độ ánh sáng tăng lên và màu sắc bề ngoài
cũng trở nên sáng hơn. Các loại đèn điện chiếu sáng thường dùng dòng điện để
ống thủy tinh liên tục thay đổi theo tần số nguồn điện. Cả dòng điện và điện áp
trong ống phóng điện không còn là hình sin nữa nên nó được xem là một phần tử
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
9
phi tuyến. Mặc dù mắt người không cảm nhận được nhưng ánh sáng do đèn tạo
ra là ánh sáng nhấp nháy liên tục.
Hình 1.6: Phóng điện trong chất khí với nguồn điện hình Sine
Năng lượng bức xạ gồm quang năng, nhiệt năng, bức xạ hồng ngoại, bức
xạ tử ngoại có tỷ lệ thay đổi theo áp suất và loại khí sử dụng. Ứng dụng hiện
tượng này để chế tạo các loại đèn hơi phóng điện Natri áp suất thấp, Natri áp
suất cao, đèn halogen kim loại (hơi thủy ngân cao áp),…
1.3.3 Hiện tượng phát sáng huỳnh quang
Hiện tượng huỳnh quang được biết đến vào giữa thế kỉ 19 bởi nhà khoa học
người Anh George G. Stoke. Khi cho ánh sáng tử ngoại chiếu vào chất phát
huỳnh quang thì một phần năng lượng của nó biến đổi thành nhiệt, phần còn lại
biến đổi thành ánh sáng có bước sóng dài hơn nằm trong dải quang phổ nhìn
thấy được.
Ứng dụng hiện tượng này người ta chế tạo ra đèn huỳnh quang gồm bóng thuỷ
tinh
Hình 1.7: Giải thích hiện tượng phát sáng huỳnh quang
Hiệu suất phát sáng của đèn huỳnh quang khá cao. Chất huỳnh quang có rất
nhiều loại nhưng thường dùng chất halophosphat canxi 3 Ca(PO4)2. CaF2 để
quét vào bên trong thành ống phóng điện một lớp mỏng. Năng lượng bức xạ từ
hiện tượng phóng điện ngoài tia tử ngoại có thể còn có tia hồng ngoại.
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
10
Thiết bị mồi đèn Các đèn phóng điện cần phải có thiết bị mồi để tạo điện áp
ban đầu đủ lớn để tạo rahiện tượng phóng điện (hiện tượng mồi). Sau khi xảy ra
phóng điện ban đầu, dòng điệnng lên, điện áp giảm xuống và hiện tượng phóng
điện tiếp tục duy trì ở điện áp của lướiđiện. Thiết bị mồi thường dùng loại rơle
nhiệt, hiện nay vẫn còn dùng phổ biến nhưng dầndần sẽ bị thay thế bởi thiết bị
mồi điện tử. Nhược điểm là mau hỏng, tạo điện áp mồikhông lớn, có tiếng động
khi làm việc.
Hình 1.10: Thiết bị mồi đèn
Chấn lưu
Chấn lưu có nhiệm vụ chính là cung cấp điện áp lớn để mồi đèn khi khởi
động đèn, ngoài ra khi đèn làm việc bình thường nó làm nhiệm vụ ổn định điểm
làm việc, tránh sự dao động điện áp lưới ảnh hưởng đến sự phát sáng của đèn.
Có các loại chấn lưu sau đây :
Chấn lưu điện trở: Làm giảm hiệu suất của đèn do tiêu thụ năng lượng, hiệu
quả mồi đèn không cao.
Chấn lưu điện cảm: Không tiêu thụ năng lượng cho việc mồi đèn như điện
trở nhưng nó lại tiêu hao năng lượng dưới dạng nhiệt và từ trễ, ngoài ra do tiêu
thụ nhiều công suất phản kháng nên làm hệ số công suất cosφ thấp.
1.4.2 Các thông số về quang học của bộ đèn chiếu sáng công cộng
Các thông số cơ bản về quang học của nguồn sáng đã được nêu trong phần
các loại
- Hệ số suy giảm quang thông gồm 2 nguyên nhân chủ yếu sau :
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
12
+ Sự già hoá của bản thân bộ đèn theo thời gian sử dụng
+ Sự bám bẩn của các hạt bụi trong không
Bộ đèn này còn có tên gọi khác là bộ đèn kiểu chụp sâu
.
1.5.2 Bộ đèn chiếu sáng bán rộng
Sự phân bố ánh sáng của bộ đèn này cũng có khả năng hạn chế chói loá,
đảm bảo độ đồng đều.của độ rọi trên mặt đường nên nó được dùng phổ biến.
1.5.3 Bộ đèn chiếu sáng rộng
Sự phân bố ánh sáng của bộ đèn này gây ra chói loá cho người lái xe nhưng
khả năng đảm bảo độ đồng đều.của độ rọi trên mặt đường tốt. Phạm vi sử dụng
là các đuờng đi bộ, đường dân cư, đường có ít phương tiện qua lại,…. Bộ đèn
này còn có tên gọi khác là bộ đèn kiểu chụp rộng.
1.5.4 Giới thiệu một số loại đèn chiếu sáng
- Đèn sợi đốt
Cấu tạo đèn sợi đốt gồm 3 phần
Hình 1.13: Cấu tạo đèn sợi đốt
+ Vỏ: là một quả cầu thủy tinh chịu nhiệt độ có pha một hàm lượng nhỏ P
nhằm tạo ra một hằng số thấu qua τ.
+ Sợi đốt làm bằng sợi vonfram với sợi dây xoắn kép t
0
lv
=3500
0
K.Tuổi
thọ trung bình khoảng một nghìn giờ.
+ Đuôi đèn: là phần để nối điện giữa bóng đèn và nguồn. Có 2 loại phổ biến:
Đuôi cài :tháo lắp dễ nhưng tiết kiệm điện kém→ứng dụng cho công suất
nhỏ.
Đuôi xoáy :thường dùng cho các cấp khác nhau từ nhỏ đến lớn.
+ Các đặc tính của đèn:
Hiệu suất : 12 lumen/Oát
ngân hàng, khách sạn, sân thể thao, phòng hội thảo, đường phố và công cộng.
Hình 1.15: Đèn natri thấp áp
Đèn này có các đặc điểm:
- Hiệu suất cao 100-200lm/W
- Ánh sáng đơn sắc vàng cam IRC =0
- Công suất nhỏ 18-180
Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sỹ kỹ thuật……………… ………………………
15
Copyright: Tài liệu đại học ©