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

MSSV: 20200512 Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN DUY ĐỈNH

Hà Nội, 12-2023

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG TY 5

1.1 Tổng quan về công ty 5

1.2 Hướng nghiên cứu chính 5

1.3 Mục tiêu của công ty 5

CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ VÀ HOẠT ĐỘNG THỰC TẬP KỸ THUẬT CỦA CÁ NHÂN 6

2.1 Nguyên nhân dẫn đến cần sử dụng bộ lọc trong các bộ biến đổi 6

2.2 Tổng quan về các bộ lọc thụ động 6

2.2.1 Bộ lọc thông thấp bậc 1 6

2.2.2 Bộ lọc thông thấp bậc 2 7

2.2.3 Bộ lọc thông thấp bậc 3 .10

2.2.4 Cấu trúc Damping LCL 13

2.3 Quy trình thiết kế bộ lọc Damping LCL .15

2.4 Tính toán thiết kế bộ lọc Damping LCL cho Interleaved Boost PFC .16

2.5 Thiết kế cuộn cảm cho bộ lọc và 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 phỏng bộ lọc trên phần mềm PSIM .20

NHẬN XÉT CỦA ĐƠN VỊ THỰC TẬP 22

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN 23

Lời nói đầu

Trong những năm đầu học trên giảng đường đại học sinh viên được trang bị đầy đủ các kiến thức về lí thuyết về những lĩnh vực chính mà chính bản thân đam

mê lựa chọn Học phải luôn đi đôi với hành, để có một cái nhìn thực tế hơn giữa lí thuyết và thực nghiệm, để củng cố lại những kiến thức và suy đoán, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tổ chức các đợt thực tập kỹ thuật cho sinh viên, khoảng thời gian này rất quan trọng đối với sinh viên, bởi vì giữa lí thuyết và thực hành vẫn còn

là một khoảng cách rất lớn, nắm rõ lí thuyết còn phải nắm rõ cả những vấn đề xẩy ra khi thực nghiệm, biết cách xử lí tình huống, sử dụng các thiết bị đo, bảo vệ…Tất cả

lí thuyết sẽ đều trở nên vô dụng nếu như không được kiểm nghiệm, kiểm chứng, thực hiện trong hệ thống thực

Trong khoảng thời gian thực tập em đã học hỏi được rất nhiều điều, nhìn thấy được thiếu sót của bản thân, thấy được sự quan trọng của thực nghiệm dưới sự hướng dẫn tận tình của tiến sĩ Nguyễn Duy Đỉnh

Em xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Nguyễn Duy Đỉnh của công ty EVSE Lab

đã luôn giúp đỡ và tạo điều kiện cho em có một kỳ thực tập thành công

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 động hóa Công nghiệp Công ty chuyên nghiên cứu các bộ nguồn SMPS và ứng dụng trong xe điện EVSE Lab đã đi vào hoạt động được một năm ổn định với quân số hiện tại là 11 thành viên và dự kiến tuyển thêm 20 thành viên

1.2 Hướng nghiên cứu chính

• 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 của công ty

• Nghiên cứu các ứng dụng của PE trên EVSE, chẳng hạn như bộ sạc pin, bộ biến đổi DC/DC

• Làm chủ các công nghệ tiên tiến trên EVSE

• Hợp tác với các công ty để sản xuất bộ biến đổi điện tử công suất chất lượng cao

CHƯƠNG 2: NHIỆM VỤ VÀ HOẠT ĐỘNG THỰC TẬP

KỸ THUẬT CỦA CÁ NHÂN 2.1 Nguyên nhân dẫn đến cần sử dụng bộ lọc trong các bộ biến đổi

Thực tế trong các bộ biến đổi điện tử công suất thường hay dùng các loại khóa bán dẫn đóng cắt với tần số cao hàng KHz Chính vì nguyên nhân đó trong bộ biến đổi tồn tại các nguồn nhiễu Nhiễu này theo đường dây có thể trả ngược về lưới dẫn đến hiện tượng méo sóng hài phía lưới, chính vì vậy đã có nhiều tiêu chuẩn được đặt ra

để kiểm soát hiện trạng này như tiêu chuẩn IEEE 1547 hay IEC 61727 Để giải quyết vấn đề này các bộ lọc thụ động và tích cực được đề xuất

Hàm truyền bộ lọc thông thấp bậc 1 RC có dạng:

𝑅𝐶 × 𝑠 + 1

Trong đó tần số cắt có dạng:

𝑓𝑐 = 1

2𝜋𝑅𝐶

Hình 2.2 Biểu đồ Bode bộ lọc thông thấp bậc 1 RC

Hình 2.2 biểu diễn đồ thị Bode của bộ lọc thông thấp RC có thể thấy các thành phần tần số lớn hơn tần số cắt sẽ có độ suy giảm biên độ là 20dB/dec Do vậy khi thiết kế

sẽ tiến hành chọn tần số cắt nhỏ hơn thành phần tần số cao từ nguồn nhiễu Tuy nhiên, với ứng dụng thiết kế bộ lọc đầu vào cho bộ biến đổi interleaved Boost PFC thì thành phần điện trở ở bộ lọc trên sẽ gây thêm tổn hao cho bộ biến đổi dẫn đến không đảm bảo về mặt hiệu suất

2.2.2 Bộ lọc thông thấp bậc 2

Hình 2.3 Bộ lọc thông thấp LC

Bộ lọc thông thấp bậc 2 LC cấu tạo gồm 2 thành phần chính đó là thành phần điện

cảm và 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 ra đường dẫn trở kháng thấp với thành phần tín hiệu tần số cao nhằm khép vòng không đễ nhiễu ảnh hưởng đến đầu ra

Hình 2.4 Biểu đồ Bode bộ lọc thông thấp LC

Hình 2.4 biểu diễn đồ thị Bode của bộ lọc thông thấp LC có thể thấy các thành phần tần số lớn hơn tần số cắt sẽ có độ suy giảm biên độ là 40dB/dec Do vậy khi thiết kế

sẽ tiến hành chọn tần số cắt nhỏ hơn thành phần tần số cao từ nguồn nhiễu Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của bộ lọc thông thấp bậc 2 LC đó là có xuất hiện điểm tần số cộng hưởng chính vì vậy thường ta sẽ sử dụng các phương pháp damping để giải quyết vấn đề này

Hình 2.5 Bộ lọc thông thấp RLC

Bộ lọc thông thấp bậc 2 RLC cấu tạo gồm 3 thành phần chính đó là thành phần điện cảm, điện trở và 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 ra đường dẫn trở kháng thấp với thành phần tín hiệu tần số cao nhằm khép vòng không đễ nhiễu ảnh hưởng đến đầu ra

Hình 2.6 Biểu đồ Bode bộ lọc thông thấp RLC lần lượt với

 > 1 (xanh),  = 1(đỏ),  < 1 (đen)

Hình 2.6 biểu diễn đồ thị Bode của bộ lọc thông thấp RLC có thể thấy các thành phần tần số lớn hơn tần số cắt sẽ có độ suy giảm biên độ là 40dB/dec Do vậy khi thiết kế sẽ tiến hành chọn tần số cắt nhỏ hơn thành phần tần số cao từ nguồn nhiễu Đồng thời, bộ lọc RLC cũng giải quyết được vấn đề cộng hưởng ở bộ lọc LC thông qua việc lựa chọn hệ số giảm chấn Tuy nhiên, do có tồn tại thành phần điện trở chính vì vậy sẽ không đảm bảo vấn đề về hiệu suất cho bộ biến đổi khi thiết kế bộ lọc đầu vào

2.2.3 Bộ lọc thông thấp bậc 3

Hình 2.7 Bộ lọc thông thấp bậc LCL

Bộ lọc thông thấp bậc 3 LCL cấu tạo gồm 2 thành phần chính đó là thành phần điện cảm và 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 ra đường dẫn trở kháng thấp với thành phần tín hiệu tần số cao nhằm khép vòng không đễ nhiễu ảnh hưởng đến đầu ra

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 của Mosfet, dựa vào hình 2.8 có thể thấy các thành phần tần số lớn hơn tần số cộng hưởng sẽ có độ suy giảm 60dB/dec Tuy nhiên, bộ lọc này có một nhược điểm đó chính là có tồn tại điểm tần

số cộng hưởng để giải quyết vấn đề này các phương pháp damping được đề xuất cụ thể ở mục 2.2.4

2.3 Quy trình thiết kế bộ lọc Damping LCL

Hình 2.12 Quy trình thiết kế bộ lọc Damping LCL

Bước đầu tiên khi thiết kế bộ lọc cần phải xác định và mô hình hóa nguồn nhiễu trong bộ biến đổi, xác định dải biên độ và tần số nhiễu từ đó xác định mức lọc mong muốn của bộ lọc Từ đó tiến tới bước tiếp theo đó chính là chọn tần số cắt cho bộ lọc Dựa vào tần số cắt đã chọn bước tiếp theo đó chính là đi tối ưu về kích thước cho bộ lọc đầu vào, bước này là rất quan trọng để đảm bảo về mặt hiệu suất cũng như kích thước của bộ biến đổi Tiếp đến sẽ phải dự đoán khả năng suy giảm giá trị điện cảm của cuộn lọc nhằm đảm bảo chất lượng bộ lọc trong suốt quá trình vận hành

2.4 Tính toán thiết kế bộ lọc Damping LCL cho Interleaved Boost PFC

Hình 2.13 Cấu trúc bộ biến đổi Interleaved Boost PFC

Thông số tính toán thiết kế:

Giá trị dòng 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 có thể thấy được nguồn nhiễu sẽ thành phần tần số đóng cắt 60kHz Để giảm được thành phần nhiễu tần số 60kHz ta tiến hành chọn 𝑓𝑐 = 15 𝑘𝐻𝑧 , do để giảm thiểu kích thước bộ lọc cũng như dự trữ độ suy giảm độ tự cảm của cuộn lọc nên ta sẽ chọn tần số cắt 𝑓𝑐 = 20 𝑘𝐻𝑧 Từ đây ta xây dựng đồ thị biểu diễn

sự phụ thuộc của L và C với tần số cắt 20kHz, dựa vào đồ thị có thể chọn được giá trị L và C phù hợp để đảm bảo về mặt kích thước và hiệu suất của bộ biến đổi điện

tử công suất

Hình 2.14 Đồ thị phụ thuộc giữa L và C với tần số cắt 20kHz

2.5 Thiết kế cuộn cảm cho bộ lọc và 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 hiện mức độ diện tích dây chiếm trong diện tích trong cửa sổ của lõi, giá trị này được chọn là: Ku = 0.4

 Mật độ dòng điện J, giá trị mật độ dòng điện trong một dây được chọn là: J =

350 A/cm2

 Mật độ từ thông cực đại do dòng một chiều Bm, giá trị được 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:

Bước 3: lựa chọn dây quấn

Diện tích dây cần thiết kế là:

𝐴𝐵𝑊 =𝐼𝑖𝑛_𝑝𝑒𝑎𝑘

2

Lựa chọn dây AWG 13

Số vòng dây quấn cần thiết là:

Bước 4: Tính toán tổn hao

Tổn hao lõi: dựa theo công thức tính tổn hao lõi trong datasheet của lõi

MS-106125-2

𝑃𝑐𝑜𝑟𝑒 = 1.48 𝑊 Tổn hao dây dẫn:

Từ đây thu được tổng tổn hao xấp xỉ: 𝑃𝑠𝑢𝑚 = 2 W

Bước 5: Tính toán độ tăng nhiệt của cuộn cảm:

Mật độ năng lượng của cuộn cảm:

𝐴𝑡 = 0.067785 𝑊/𝑐𝑚2

Độ tăng nhiệt của cuộn cảm là:

∆𝑇 = 450 ×𝛹 0.826 = 48.722 ℃ < 50 ℃ Bước 6: Tính toán giá trị mật độ từ thông cực đại 𝐵𝑝𝑒𝑎𝑘:

𝐵𝑝𝑒𝑎𝑘 = 𝐵𝑑𝑐 +𝐵𝑎𝑐

2 = 0.39 𝑇 < 0.7 × 𝐵max _𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 = 0.49 Bước 7: Mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm FEMM

7.1 Mô phỏng ứng với tần số không

Hình 2.15 Kết quả mô phỏng ứng với tần số không

Độ tự cảm: L = 19.6 𝜇𝐻

Điện trở DCR = 0.001284 Ω

Do phần mềm mô phỏng FEMM đang thực hiện mô phỏng ở chế độ 2D nên giá trị DCR cần được quy đổi:

𝐷𝐶𝑅 = 𝐷𝐶𝑅𝐹𝐸𝑀𝑀 × 𝑀𝐿𝑇

2 × 𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ= 3 𝑚Ω 7.2 Mô phỏng ứng với tần số là 𝑓𝑠𝑤

Hình 2.15 Kết quả mô phỏng ứng với tần số 𝑓𝑠𝑤

𝐷𝑒𝑝𝑡ℎ = 0.01463 Ω

2.5.2 Lựa chọn tụ điện lọc

Yêu cầu đặt ra cho tụ lọc:

 Độ ổn định cao với tần số và điện áp

Hình 2.16 Sơ đồ mạch trên phần mềm PSIM

Hình 2.17 Dạng sóng dòng điện lưới khi chưa có bộ lọc

Nhận xét: có thể nhận thấy nguồn nhiễu với tần số đóng cắt ảnh hưởng tương đối đến chất lượng dòng điện lưới với giá trị THD đo được cỡ 4%

Hình 2.18 Dạng sóng dòng điện lưới khi có bộ lọc

Nhận xét: có thể nhận thấy nguồn nhiễu với tần số đóng đã được lọc tương đối với giá trị THD đo được ở dòng lưới giảm từ cỡ 4% xuống 0.7%

NHẬN XÉT CỦA ĐƠN VỊ THỰC TẬP

Họ và tên sinh viên thực tập: NGUYỄN ANH QUỐC

Ngày tháng năm sinh: 04/10/2002

Cán bộ hướng dẫn thực tập: TS Nguyễn Duy Đỉnh

Bộ phần thực tập: Thiết kế bộ lọc LCL cho bộ biến đổi Interleaved Boost PFC Sau thời gian sinh viên Nguyễn Anh Quốc thực tập tại đơn vị, tôi có các nhận xét như sau:

1 Về ý thức chấp hành nội qui, qui định cơ quan

2 Về đạo đức, tác phong

3 Về chuyên môn

Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Xác nhận của đơn vị

ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN