Báo cáo thực tập kỹ thuật công ty evse lab thiết kế bộ lọc lcl cho bộ biến đổi interleaved boost pfc

Trang 5 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TY 1.1 Tổng quan về công ty EVSE lab là công ty nghiên cứu về lĩnh vực điện tử công suất với sự hướng dẫn của Tiễn sĩ Nguyễn Duy Đỉnh - bộ môn Tự độn

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO THỰC TẬP KỸ THUẬT CÔNG TY EVSE LAB THIẾT KẾ BỘ LỌC LCL CHO BỘ BIẾN ĐỔI INTERLEAVED BOOST PFC Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Quốc MSSV: 20200512 Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN DUY ĐỈNH Hà Nội, 12-2023 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TY 1.1 Tổng quan công ty 1.2 Hướng nghiên cứu 1.3 Mục tiêu công ty CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ VÀ HOẠT ĐỘNG THỰC TẬP KỸ THUẬT CỦA CÁ NHÂN 2.1 Nguyên nhân dẫn đến cần sử dụng lọc biến đổi 2.2 Tổng quan lọc thụ động 2.2.1 Bộ lọc thông thấp bậc 2.2.2 Bộ lọc thông thấp bậc 2.2.3 Bộ lọc thông thấp bậc 10 2.2.4 Cấu trúc Damping LCL 13 2.3 Quy trình thiết kế lọc Damping LCL 15 2.4 Tính tốn thiết kế lọc Damping LCL cho Interleaved Boost PFC .16 2.5 Thiết kế cuộn cảm cho lọc lựa chọn tụ điện 17 2.5.1 Thiết kế cuộn cảm .17 2.5.2 Lựa chọn tụ điện lọc .20 2.6 Mô lọc phần mềm PSIM 20 NHẬN XÉT CỦA ĐƠN VỊ THỰC TẬP 22 ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 23 Lời nói đầu Trong năm đầu học giảng đường đại học sinh viên trang bị đầy đủ kiến thức lí thuyết lĩnh vực mà thân đam mê lựa chọn Học phải đôi với hành, để có nhìn thực tế lí thuyết thực nghiệm, để củng cố lại kiến thức suy đoán, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tổ chức đợt thực tập kỹ thuật cho sinh viên, khoảng thời gian quan trọng sinh viên, lí thuyết thực hành khoảng cách lớn, nắm rõ lí thuyết cịn phải nắm rõ vấn đề xẩy thực nghiệm, biết cách xử lí tình huống, sử dụng thiết bị đo, bảo vệ…Tất lí thuyết trở nên vô dụng không kiểm nghiệm, kiểm chứng, thực hệ thống thực Trong khoảng thời gian thực tập em học hỏi nhiều điều, nhìn thấy thiếu sót thân, thấy quan trọng thực nghiệm hướng dẫn tận tình tiến sĩ Nguyễn Duy Đỉnh Em xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Nguyễn Duy Đỉnh công ty EVSE Lab giúp đỡ tạo điều kiện cho em có tập thành cơng CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CƠNG TY 1.1 Tổng quan công ty EVSE lab công ty nghiên cứu lĩnh vực điện tử công suất với hướng dẫn Tiễn sĩ Nguyễn Duy Đỉnh - mơn Tự động hóa Cơng nghiệp Cơng ty chun nghiên cứu nguồn SMPS ứng dụng xe điện EVSE Lab vào hoạt động năm ổn định với quân số 11 thành viên dự kiến tuyển thêm 20 thành viên 1.2 Hướng nghiên cứu • DC/DC, DC/AC, AC/DC converter design, optimization and control • Magnetic design and optimization • High power density resonant converter design and control • SiC-based converter design and control • Battery quick charger and on-board charger • ARM, DSP-based embedded system 1.3 Mục tiêu cơng ty • Nghiên cứu ứng dụng PE EVSE, chẳng hạn sạc pin, biến đổi DC/DC • Làm chủ cơng nghệ tiên tiến EVSE • Hợp tác với cơng ty để sản xuất biến đổi điện tử công suất chất lượng cao đạt tiêu chuẩn • Góp phần đào tạo kĩ sư có kĩ tốt làm việc lĩnh vực điện tử cơng suất • Chia sẻ kiến thức quý giá đến đồng nghiệp muốn tìm hiểu kiến thức điện tử công suất CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ VÀ HOẠT ĐỘNG THỰC TẬP KỸ THUẬT CỦA CÁ NHÂN 2.1 Nguyên nhân dẫn đến cần sử dụng lọc biến đổi Thực tế biến đổi điện tử cơng suất thường hay dùng loại khóa bán dẫn đóng cắt với tần số cao hàng KHz Chính ngun nhân biến đổi tồn nguồn nhiễu Nhiễu theo đường dây trả ngược lưới dẫn đến tượng méo sóng hài phía lưới, có nhiều tiêu chuẩn đặt để kiểm soát trạng tiêu chuẩn IEEE 1547 hay IEC 61727 Để giải vấn đề lọc thụ động tích cực đề xuất 2.2 Tổng quan lọc thụ động 2.2.1 Bộ lọc thông thấp bậc Hình 2.1 Bộ lọc thơng thấp RC Bộ lọc thông thấp bậc RC cấu tạo gồm thành phần thành phần điện trở tụ điện Thành phần điện trở có tác dụng làm suy giảm nguồn nhiễu Thành phần điện dung tạo đường dẫn trở kháng thấp với thành phần tín hiệu tần số cao nhằm khép vịng khơng đễ nhiễu ảnh hưởng đến phía đầu Hàm truyền lọc thơng thấp bậc RC có dạng: 𝐺𝐿𝑃𝐹 = 𝑅𝐶 × 𝑠 + Trong tần số cắt có dạng: 𝑓𝑐 = 2𝜋𝑅𝐶 Hình 2.2 Biểu đồ Bode lọc thơng thấp bậc RC Hình 2.2 biểu diễn đồ thị Bode lọc thông thấp RC thấy thành phần tần số lớn tần số cắt có độ suy giảm biên độ 20dB/dec Do thiết kế tiến hành chọn tần số cắt nhỏ thành phần tần số cao từ nguồn nhiễu Tuy nhiên, với ứng dụng thiết kế lọc đầu vào cho biến đổi interleaved Boost PFC thành phần điện trở lọc gây thêm tổn hao cho biến đổi dẫn đến không đảm bảo mặt hiệu suất 2.2.2 Bộ lọc thơng thấp bậc Hình 2.3 Bộ lọc thông thấp LC Bộ lọc thông thấp bậc LC cấu tạo gồm thành phần thành phần điện cảm tụ điện Thành phần điện cảm có tác dụng tạo đường dẫn trở kháng cao với thành phần tín hiệu tần số lớn dẫn đến suy giảm nguồn nhiễu Thành phần điện dung tạo đường dẫn trở kháng thấp với thành phần tín hiệu tần số cao nhằm khép vịng khơng đễ nhiễu ảnh hưởng đến đầu Hàm truyền lọc thông thấp bậc LC có dạng: 𝐺𝐿𝑃𝐹 = 𝐿𝐶 × 𝑠 + Tần số cộng hưởng có dạng: 𝑓𝑟 = 2𝜋√𝐿𝐶 Hình 2.4 Biểu đồ Bode lọc thơng thấp LC Hình 2.4 biểu diễn đồ thị Bode lọc thơng thấp LC thấy thành phần tần số lớn tần số cắt có độ suy giảm biên độ 40dB/dec Do thiết kế tiến hành chọn tần số cắt nhỏ thành phần tần số cao từ nguồn nhiễu Tuy nhiên, nhược điểm lớn lọc thơng thấp bậc LC có xuất điểm tần số cộng hưởng thường ta sử dụng phương pháp damping để giải vấn đề Hình 2.5 Bộ lọc thơng thấp RLC Bộ lọc thông thấp bậc RLC cấu tạo gồm thành phần thành phần điện cảm, điện trở tụ điện Thành phần điện cảm có tác dụng tạo đường dẫn trở kháng cao với thành phần tín hiệu tần số lớn dẫn đến suy giảm nguồn nhiễu Thành phần điện dung tạo đường dẫn trở kháng thấp với thành phần tín hiệu tần số cao nhằm khép vịng khơng đễ nhiễu ảnh hưởng đến đầu Hàm truyền lọc thông thấp bậc RLC có dạng: 𝐺𝐿𝑃𝐹 = 𝐿𝐶 × 𝑠 + 𝑅𝐶 × 𝑠 + Tần số cộng hưởng có dạng: 𝑓𝑟 = 2𝜋√𝐿𝐶 Hệ số giảm chấn: = 𝑅 𝐶 ×√ 𝐿 Hình 2.6 Biểu đồ Bode lọc thông thấp RLC với  > (xanh),  = 1(đỏ),  < (đen) Hình 2.6 biểu diễn đồ thị Bode lọc thơng thấp RLC thấy thành phần tần số lớn tần số cắt có độ suy giảm biên độ 40dB/dec Do thiết kế tiến hành chọn tần số cắt nhỏ thành phần tần số cao từ nguồn nhiễu Đồng thời, lọc RLC giải vấn đề cộng hưởng lọc LC thông qua việc lựa chọn hệ số giảm chấn Tuy nhiên, có tồn thành phần điện trở khơng đảm bảo vấn đề hiệu suất cho biến đổi thiết kế lọc đầu vào 2.2.3 Bộ lọc thơng thấp bậc Hình 2.7 Bộ lọc thơng thấp bậc LCL 10 Bộ lọc thông thấp bậc LCL cấu tạo gồm thành phần thành phần điện cảm tụ điện Thành phần điện cảm có tác dụng tạo đường dẫn trở kháng cao với thành phần tín hiệu tần số lớn dẫn đến suy giảm nguồn nhiễu Thành phần điện dung tạo đường dẫn trở kháng thấp với thành phần tín hiệu tần số cao nhằm khép vịng khơng đễ nhiễu ảnh hưởng đến đầu Hàm truyền lọc thông thấp bậc có dạng: 𝐺𝑖𝑔 𝑣𝑖 = 𝑖𝑔 𝑣𝑖 = 𝐺𝑖𝑔𝑖𝑖 = 𝐿2 𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 𝐶×𝑠 + (𝐿2 +𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 )×𝑠 𝑖𝑔 𝑖𝑖 = 𝐿2 𝐶×𝑠 + (2.1) (2.2) Tần số cộng hưởng (2.1) có dạng: 𝑓𝑟 = 𝐿2 + 𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 ×√ 2𝜋 𝐿2 𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 𝐶 Tần số cộng hưởng (2.2) có dạng: 𝑓𝑟 = 1 ×√ 2𝜋 𝐿2 𝐶 11 Hình 2.8 Biểu đồ Bode hàm truyền 𝐺𝑖𝑔𝑣𝑖 Hình 2.9 Biểu đồ Bode hàm truyền 𝐺𝑖𝑔𝑖𝑖 Do thực tế nguồn nhiễu đa phần đến từ điện áp 𝑣𝐷𝑆 Mosfet, dựa vào hình 2.8 thấy thành phần tần số lớn tần số cộng hưởng có độ suy giảm 60dB/dec Tuy nhiên, lọc có nhược điểm có tồn điểm tần số cộng hưởng để giải vấn đề phương pháp damping đề xuất cụ thể mục 2.2.4 12 2.2.4 Cấu trúc Damping LCL Hình 2.10 Cấu trúc Damping LCL Cấu trúc bổ sung thêm điện trở mắc nối tiếp với tụ điện C thường tận dụng thành phần ESR có cấu trúc tụ điện Hàm truyền lọc có dạng: 𝐺𝑖𝑔 𝑣𝑖 = 𝑖𝑔 𝑣𝑖 = 𝐿2 𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 𝐺𝑖𝑔 𝑖𝑖 = 𝑖𝑔 𝑖𝑖 = 𝐶×𝑠 𝐶𝑅×𝑠+1 + (𝐿2 +𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 ).𝐶.𝑅×𝑠 +(𝐿2 +𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 )×𝑠 𝐶𝑅×𝑠+1 𝐿2 𝐶×𝑠 + 𝐶.𝑅×𝑠+ (2.3) (2.4) Tần số cộng hưởng (2.3) có dạng: 𝑓𝑟 = 2𝜋 𝐿2 + 𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 ×√ 𝐿2 𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡.𝐶 (2.5) Tần số cộng hưởng (2.4) có dạng: 1 𝑓𝑟 = ×√ 2𝜋 𝐿2 𝐶 Hệ số giảm chấn: 13 = 𝑅 ×√ (𝐿2 +𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 ).𝐶 𝐿2 𝐿𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 (2.6) Hình 2.11 Biểu đồ Bode hàm truyền 𝐺𝑖𝑔 𝑣𝑖 với  > (xanh),  = 1(đỏ),  < (đen) Hình 2.11 biểu diễn đồ thị Bode lọc thông thấp Damping LCL thấy thành phần tần số lớn tần số cắt có độ suy giảm biên độ 60dB/dec Do thiết kế tiến hành chọn tần số cắt nhỏ thành phần tần số cao từ nguồn nhiễu Đồng thời, Damping LCL giải vấn đề cộng hưởng lọc LCL thông qua việc lựa chọn hệ số giảm chấn Do báo cáo trình bày chi tiết lọc Damping LCL 14 2.3 Quy trình thiết kế lọc Damping LCL Hình 2.12 Quy trình thiết kế lọc Damping LCL Bước thiết kế lọc cần phải xác định mơ hình hóa nguồn nhiễu biến đổi, xác định dải biên độ tần số nhiễu từ xác định mức lọc mong muốn lọc Từ tiến tới bước chọn tần số cắt cho lọc Dựa vào tần số cắt chọn bước tối ưu kích thước cho lọc đầu vào, bước quan trọng để đảm bảo mặt hiệu suất kích thước biến đổi Tiếp đến phải dự đoán khả suy giảm giá trị điện cảm cuộn lọc nhằm đảm bảo chất lượng lọc suốt trình vận hành 15 2.4 Tính tốn thiết kế lọc Damping LCL cho Interleaved Boost PFC Hình 2.13 Cấu trúc biến đổi Interleaved Boost PFC Thơng số tính tốn thiết kế: Giá trị dịng điện đỉnh đầu vào: 𝐼𝑖𝑛_𝑝𝑒𝑎𝑘 = 13 𝐴 Độ đập mạch dòng điện đầu vào: 𝐼𝑖𝑛_𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 = 3.9 𝐴 Tần số đóng cắt: 𝑓𝑠𝑤 = 60 𝑘𝐻𝑧 Dựa vào tần số đóng cắt thấy nguồn nhiễu thành phần tần số đóng cắt 60kHz Để giảm thành phần nhiễu tần số 60kHz ta tiến hành chọn 𝑓𝑐 = 15 𝑘𝐻𝑧 , để giảm thiểu kích thước lọc dự trữ độ suy giảm độ tự cảm cuộn lọc nên ta chọn tần số cắt 𝑓𝑐 = 20 𝑘𝐻𝑧 Từ ta xây dựng đồ thị biểu diễn phụ thuộc L C với tần số cắt 20kHz, dựa vào đồ thị chọn giá trị L C phù hợp để đảm bảo mặt kích thước hiệu suất biến đổi điện tử cơng suất 16 Hình 2.14 Đồ thị phụ thuộc L C với tần số cắt 20kHz 2.5 Thiết kế cuộn cảm cho lọc lựa chọn tụ điện 2.5.1 Thiết kế cuộn cảm Bước 1: Lựa chọn thông số  Hệ số sử dụng cửa sổ Ku thể mức độ diện tích dây chiếm diện tích cửa sổ lõi, giá trị chọn là: Ku = 0.4  Mật độ dòng điện J, giá trị mật độ dòng điện dây chọn là: J = 350 A/cm2  Mật độ từ thông cực đại dòng chiều Bm, giá trị chọn là: Bm = 0.5  Giá trị độ tăng nhiệt cực đại là: ∆T = 50 ℃ Bước 2: Lựa chọn lõi Giá trị dòng điện cực đại: 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐼𝑖𝑛_𝑝𝑒𝑎𝑘 + 𝐼𝑖𝑛_𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 = 14.95 𝐴 Năng lượng lưu trữ tối đa: 𝐸= × 𝐿 × 𝐼𝑝𝑒𝑎𝑘 = 0.002235 𝐽 Giá trị hệ số diện tích lõi xác định: 17 2𝐸 × 104 𝐴𝑝 = = 0.638579 𝑐𝑚4 𝐵𝑚 𝐽𝐾𝑢 Lựa chọn lõi xuyến MS-106125-2 với thông số sau:  MPL = 6.35 cm  Wtfe = 25 g  MLT = 4.46 cm  Ac = 0.654 𝑐𝑚2  Wa = 1.56 𝑐𝑚2  Ap = 1.02024 𝑐𝑚4  𝜇 = 125  AL = 1.57e-07 H/𝑁  At = 28.8 𝑐𝑚2  Ve = 4.15 𝑐𝑚3 Bước 3: lựa chọn dây quấn Diện tích dây cần thiết kế là: 𝐴𝐵𝑊 = 𝐼𝑖𝑛_𝑝𝑒𝑎𝑘 𝐽√2 = 0.026264 𝑐𝑚2 Lựa chọn dây AWG 13 Số vòng dây quấn cần thiết là: 𝐿 𝑁𝐿 = √ = 11 (𝑣ị𝑛𝑔) 𝐴𝐿 Bước 4: Tính tốn tổn hao Tổn hao lõi: dựa theo cơng thức tính tổn hao lõi datasheet lõi MS106125-2 𝑃𝑐𝑜𝑟𝑒 = 1.48 𝑊 Tổn hao dây dẫn: 18 DCR = 𝑁𝐿 × 𝑀𝐿𝑇 × 𝑜ℎ𝑚 𝑐𝑚 = 0.003302 Ω ACR = 𝐹𝑟 × 𝐷𝐶𝑅 = 0.012941 Ω Tổng tổn hao dây dẫn là: 𝑃𝑤𝑖𝑟𝑒 = 𝐷𝐶𝑅 × 𝐼𝑖𝑛_𝑟𝑚𝑠 + 𝐼𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 × 𝐴𝐶𝑅 = 0.475862 W Từ thu tổng tổn hao xấp xỉ: 𝑃𝑠𝑢𝑚 = W Bước 5: Tính tốn độ tăng nhiệt cuộn cảm: Mật độ lượng cuộn cảm: Ψ= 𝑃𝑠𝑢𝑚 𝐴𝑡 = 0.067785 𝑊/𝑐𝑚2 Độ tăng nhiệt cuộn cảm là: ∆𝑇 = 450 × 𝛹 0.826 = 48.722 ℃ < 50 ℃ Bước 6: Tính tốn giá trị mật độ từ thơng cực đại 𝐵𝑝𝑒𝑎𝑘 : 𝐵𝑎𝑐 𝐵𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐵𝑑𝑐 + = 0.39 𝑇 < 0.7 × 𝐵max _𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = 0.49 Bước 7: Mô kiểm chứng phần mềm FEMM 7.1 Mơ ứng với tần số khơng Hình 2.15 Kết mô ứng với tần số không Độ tự cảm: L = 19.6 𝜇𝐻 Điện trở DCR = 0.001284 Ω Mật độ từ trường DC 𝐵𝑑𝑐 = 0.35467 𝑇 19 Do phần mềm mô FEMM thực mô chế độ 2D nên giá trị DCR cần quy đổi: 𝐷𝐶𝑅 = 𝐷𝐶𝑅𝐹𝐸𝑀𝑀 × 𝑀𝐿𝑇 = 𝑚Ω × 𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ 7.2 Mơ ứng với tần số 𝑓𝑠𝑤 Hình 2.15 Kết mơ ứng với tần số 𝑓𝑠𝑤 Giá trị điện trở AC: 𝐴𝐶𝑅𝐹𝐸𝑀𝑀 × 𝑀𝐿𝑇 𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ = 0.01463 Ω 2.5.2 Lựa chọn tụ điện lọc Yêu cầu đặt cho tụ lọc:  Chịu điện áp lớn  Độ ổn định cao với tần số điện áp  Sai số thấp