ĐỒ ÁN 2 ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI TOTEMPOLE PFC ỨNG DỤNG CHO BỘ SẠC XE ĐIỆN Tóm tắt nội dung đồ án Được sự hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn Duy Đỉnh, em đã tìm hiểu đề tài: Thiết kế phần cứng cho bộ biến đổi TotemPole PFC ứng dụng cho bộ sạc xe điện. Đồ án của em được trình bày trong 4 chương: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Thiết kế mạch Bridgeless Boost TotemPole PFC Chương 3: Mô phỏng và đánh giá kết quả Chương 4: Kết luận Trong quá trình thực hiện đồ án, em đã hiểu và áp dụng được các kiến thức đã học trên trường. Sử dụng tốt các phần mềm mô phỏng và các thiết bị đo phục vụ cho các yêu cầu của đồ án. Ngoài ra, em còn tích lũy được các kinh nghiệm trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm, các kĩ năng mềm như thuyết trình thông qua các buổi báo cáo, kĩ năng làm việc nhóm. Sinh viên thực hiện Ký và ghi rõ họ tên Thiện Nguyễn Văn Thiện MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIÊU CHUNG 5 1.1 Giới thiệu chung........................................................................................................ 5 1.2 Hệ số công suất............................................................................................................. 5 1.3 Hệ số độ méo sóng hài tổng.........................................................................................6 1.4 Phân loại bộ biến đổi hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) .........................................7 1.4.1 PFC thụ động 7 1.4.2 PFC tích cực 7 Chương 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 9 2.1 Nguyên lý hoạt động mạch TotemPole PFC.........................................................9 2.2 Phương án điều khiển.............................................................................................10 2.2.1 Chế độ dòng điện tới hạn 10 2.2.2 Chế độ dòng điện gián đoạn 11 2.2.3 Chế độ dòng điện liên tục 11 Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH 12 3.1 Thông số mạch: ......................................................................................................12 3.2 Tính toán giá trị cuộn cảm.....................................................................................12 3.3 Tính toán giá trị tụ điện............................................................................... 14 3.4 Lựa chọn linh kiện..................................................................................................15 3.4.1 Cuộn cảm 15 3.4.2 Tụ điện 18 3.4.3 Mosfet 19 3.5 Mô hình tổn hao......................................................................................................23 Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 24 3.1 Mục đích mô phỏng......................................................................................24 3.2 Kết quả mô phỏng.........................................................................................24 Chương 5: KẾT LUẬN 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................30
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trường Điện - Điện tử ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO BỘ BIẾN ĐỔI TOTEM-POLE PFC ỨNG DỤNG CHO BỘ SẠC XE ĐIỆN Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN THIỆN Email: thien.nv190029@sis.hust.edu.vn Ngành Điều khiển & Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Duy Đỉnh Chữ ký GVHD Bộ mơn: Viện: Tự động hóa cơng nghiệp Điện Hà Nội 3/2023 LỜI CẢM ƠN Em xin cảm ơn thầy - TS Nguyễn Duy Đỉnh tận tâm giúp đỡ, hướng dẫn em suốt trình tìm hiểu nghiên cứu hồn thành báo cáo đồ án Vì thời gian có hạn, trình độ hiểu biết em nhiều hạn chế Cho nên đề tài khơng tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận đóng góp ý kiến tất thầy, cô giáo người để báo cáo em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung đồ án Được hướng dẫn thầy - TS Nguyễn Duy Đỉnh, em tìm hiểu đề tài: Thiết kế phần cứng cho biến đổi Totem-Pole PFC ứng dụng cho sạc xe điện Đồ án em trình bày chương: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Thiết kế mạch Bridgeless Boost Totem-Pole PFC Chương 3: Mô đánh giá kết Chương 4: Kết luận Trong trình thực đồ án, em hiểu áp dụng kiến thức học trường Sử dụng tốt phần mềm mô thiết bị đo phục vụ cho yêu cầu đồ án Ngồi ra, em cịn tích lũy kinh nghiệm nghiên cứu phát triển sản phẩm, kĩ mềm thuyết trình thơng qua buổi báo cáo, kĩ làm việc nhóm Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên Thiện Nguyễn Văn Thiện MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIÊU CHUNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Hệ số công suất 1.3 Hệ số độ méo sóng hài tổng .6 1.4 Phân loại biến đổi hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) 1.4.1 PFC thụ động 1.4.2 PFC tích cực Chương 2: CẤU TRÚC VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG .9 2.1 Nguyên lý hoạt động mạch Totem-Pole PFC .9 2.2 Phương án điều khiển 10 2.2.1 Chế độ dòng điện tới hạn .10 2.2.2 Chế độ dòng điện gián đoạn 11 2.2.3 Chế độ dòng điện liên tục 11 Chương 3: THIẾT KẾ MẠCH 12 3.1 Thông số mạch: 12 3.2 Tính tốn giá trị cuộn cảm 12 3.3 Tính tốn giá trị tụ điện 3.4 Lựa chọn linh kiện 15 14 3.4.1 Cuộn cảm .15 3.4.2 Tụ điện 18 3.4.3 Mosfet 19 3.5 Mơ hình tổn hao 23 Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 24 3.1 Mục đích mơ 24 3.2 Kết mô .24 Chương 5: KẾT LUẬN 29 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình1 Cấu trúc trạm sạc Hình1 Cấu trúc biến đổi Passive PFC Hình1 Cấu trúc mạch Totempole PFC Hình3 Dạng dịng điện qua cuộn cảm 23 Hình3 Dạng dòng điện qua Mosfet .24 Hình3 Dạng dịng điện đầu .24 Hình3 Dạng sóng V gs , V ds , I ds van on 25 Chương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu chungi thiệu chungu chung Thực trạng ô nhiễm môi trường quan tâm toàn thể cộng đồng Trước tình trạng nhiễm mơi trường vấn đề nan giải toàn cầu Thậm chí vấn đề khơng mối quan tâm thông thường Chúng báo động Trên giới, theo thống kê, số người mắc bệnh liên quan đến vấn đề ô nhiễm môi trường nhiều khơng có dấu hiệu dừng lại Đặc biệt tỉnh thành phố lớn cần đường lúc bạn thấy tình trạng ô nhiễm môi trường rõ Giữa lớp khơng khí tưởng chừng suốt, mà lại bị dính lớp bụi đen đầy mặt Một phần lớn đến từ phương tiện lại Để bước hạn chế tình trạng này, phủ với nhà sản xuất không ngừng đổi cơng nghệ, khai thác dịng xe tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải, thân thiện với môi trường Trong xe điện giải pháp hiệu tiềm nhà môi trường đánh giá cao Ngành sản xuất xe điện năm gần có tăng trưởng vượt bậc Năm 2021, số lượng xe điện bán tuần nhiều tổng số xe bán năm 2012 Gần 10% doanh số bán ơ-tơ tồn cầu năm 2021 xe điện, tăng gấp bốn lần thị phần năm 2019 Điều nâng tổng số ô-tô điện tuyến đường giới lên khoảng 16,5 triệu xe Để đáp ứng tăng trưởng xe điện, việc phát triển hạ tầng cho trạm sạc pin xe điện mối quan tâm hàng đầu Hình1.1 Cấu trúc trạm sạc Một số tiêu chuẩn trạm sạc có kể kể đến tiêu chuẩn hệ số công suất (IEC6100-3-2), tiêu chuẩn môi trường (IEC60529), …Một trạm sạc có cấu trúc minh hoạ Hình 1.1 Trong đó, phần chỉnh lưu (Rectifier) giúp chuyển điện từ chiều sang xoay chiều thành phần quan trọng Các chỉnh lưu ban đầu sử dụng diode thyristor nhằm tạo dòng điện chiều Tuy nhiên, bán dẫn lại làm méo dịng điện cấp vào làm giảm hệ số cơng suất, bên cạnh phát sinh sóng hài bậc cao, gây tổn hao cho hệ thống điện ảnh hưởng tới thiết bị khác Để giải vấn đề cần phải nâng cao hệ số công suất hay thiết kế chỉnh lưu điều chỉnh hệ số công suất (Power Factor Correction – PFC) 1.2 Hệ số công suất Hệ số công suất (PF) tỷ số công suất tác dụng P cơng suất tồn phần S: P P PF= = 2 S √ P +Q (0.1) Trong đó: P: Cơng suất tác dụng, S: Cơng suất tồn phần, Q : Cơng suất phản kháng Đối với dịng điện điện áp hình sóng sin lý tưởng hệ số định nghĩa là: PF=cos φ (1.2) Trong φ góc lệch pha dịng điện điện áp Việc điều chỉnh hệ số cơng suất điều chỉnh cosφ Việc nâng cao hệ số công suất có chất tận dụng tối đa cơng suất tồn phần thành cơng suất tác dụng đáp ứng tiêu chuẩn lưới điện đặt EN 61000-3-2, IEC 60871-1 giảm kích thước chi phí cho biến đổi 1.3 Hệ số độ méo sóng hài tổng Thực tế, hình dạng điện áp dịng điện khơng phải hình sin chuẩn Ngun nhân xuất sóng hài lưới điện, sóng hài sinh thành phần phi tuyến thiết bị tạo phát hay trả ngược lại lưới điện thơng qua mạng dây dẫn Khi sóng hài sinh gây hại đến hệ thống lưới điện, làm ảnh hưởng đến chất lượng điện áp, dòng điện chuẩn Lúc này, dòng điện, điện áp tính tốn dựa tổng sóng hài từ bậc thấp đến bậc cao cơng thức tính hệ số công suất phụ thuộc vào hệ số méo tổng sóng hài V =V √ 1+TH D 2v { I =I √ 1+TH D (1.3) i Trong đó: V 1: giá trị hiệu dụng điện áp bậc bản, I 1: giá trị hiệu dụng dòng điện bậc bản, THD v: Hệ số méo sóng hài tổng điện áp, THD i: Hệ số méo sóng hài tổng dịng điện Hệ số méo tổng sóng hài (THD - Total Harmonic Distortion) định nghĩa tỉ số trị hiệu dụng thành phần sóng hài từ bậc đến bậc ∞ với trị hiệu dụng thành phần sóng hài bậc (bậc 1) Hệ số méo tổng sóng hài dịng điện tính bằng: ∞ THD i= √∑ n=2 In (1.4) I1 Tương tự với hệ số méo tổng sóng hài điện áp Với định nghĩa hệ số cơng suất trình bày, ta có biến đổi sau: ∞ ∑ I n U n cos φn P n=1 PF= = S V ∙I (1.5) Thay (1.2), (1.3) vào cơng thức (1.4), ta rút cơng thức tính hệ số cơng suất với ảnh hưởng sóng hài: P (1.6) PF= ∙ S1 i √1+TH D ∙ √ 1+ TH D v Có thể thấy, lưới điện sử dụng có sóng hài lớn có đồng thời nhiếu thiết bị gây hài mắc chung hệ số công suất giảm, dẫn đến chất lượng điện đầu vào biến đổi không tốt Do đó, biến đổi PFC ứng dụng phổ biến, cách điều khiển dòng điện pha với điện áp đầu vào, mạch PFC giúp nâng cao chất lượng dòng điện, đồng thời đưa hệ số công suất biến đổi tiến gần tới [1] 1.4 Phân loại biến đổi hiệu chỉnh hệ số cơng suất (PFC) Có hai loại biến đổi PFC là: - Bộ điều chỉnh hệ số công suất thụ động (Passive PFC), - Bộ điều chỉnh hệ số cơng suất tích cực (Active PFC) 1.4.1 PFC thụ động Các mạch Passive PFC sử dụng van không điều khiển, sử dụng phần tử thụ động cuộn cảm, tụ điện tạo thành mạch lọc để loại bỏ sóng hài bậc cao dịng điện đầu vào Do đó, hệ số cơng suất cải thiện Tuy nhiên, hiệu mang lại khơng cao (