Phương pháp thiết kế cuộn cảm bằng phương pháp kg

Phương pháp thiết kế cuộn cảm bằng phương pháp kg

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ.

LỜI NÓI ĐẦU.

Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ , công nghệ nói chung và các thiết bị điện tử nói riêng càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và để các thiết bị này hoạt động được thì chúng ta phải cấp nguồn cho chúng Vậy nên vấn đề nguồn rất quan trọng có thể đảm bảothiết bị hoạt động tốt Trong đó nguồn một chiều đóng vai trò quan trọng , với ưu thế vượt trội về hiệu năng, công suất, kinh tế và kích thước nhỏ gọn… thì nguồn xung ngày càng được ứng dụng rộng rãi Ví dụ điển hình như các mạch nguồn Buck, Boost, fly back,

… trong đó để các mạch nguồn đạt được các tiêu chí hiệu năng cao, ổn định… thì thành phần cuộn cảm khá quan trọng Chúng ta cần tìm hiểu tính toán một cách cẩn thận vì thế trong lần thực tập kĩ thuật này thì với mục tiêu xây dựng cơ sở dữ liệu về thiết kế cuộn cảm bằng phương pháp Kg, ứng dụng trong thực tế thiết kế cuộn cảm trong mạch nguồn Boost, với đầu vào là nguồn 1 chiều 12 (V) lấy từ ắc qui để tạo ra nguồn 48 (V) một chiều ổn định

Trong thời gian thực tập kĩ thuật này thì em đã tìm hiểu được phương pháp thiết kế cuộn cảm bằng phương pháp Kg với nhưng kết quả đạt được như sau :

Chương 1 : Giới thiệu về trung tâm CTI

Chương 2 : Giới thiệu về một số loại lõi Ferroxcube

Chương 3 : Tính toán các tham số thiết kế của lõi ETD

Chương 4 : Thiết kế cuộn cảm bằng phương pháp Kg

Chương 5 : Mô phỏng và thực nghiệm

Do thời gian có hạn và sự hạn chế về mặt kiến thức và thực nghiệm nên báo cáo thực tập của em chắc chắn không tránh khỏi những thiết sót Vì vậy em rất mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá góp ý của các cán bộ giáo viên đã hướng dẫn giúp em khắc phục và hoàn thiện các phần thiếu sót của báo cáo này, để báo cáo hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn

Hà nội ngày 15 tháng 7 năm 2013 Sinh viên thực hiện

1.2 Chức năng của trung tâm.

Các chức năng của trung tâm là:

- Điều phối hoạt động các phòng thí nghiệm trong trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Xúc tiến hoạt động chuyển giao công nghệ và thương mại hóa các kết quả nghiên cứukhoa học của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

- Phối hợp các đơn vị trực thuộc Bộ khoa học, công nghệ và Bộ giáo dục, đào cùngcác bộ khác để thực hiện các nhiệm vụ khoa học

1.3 Nhiệm vụ của trung tâm.

Trung tâm thành lập nhằm thực hiện 6 nhiệm vụ cơ bản sau:

- Đề xuất và thực hiện các đề tài nghiên cứu có khả năng ứng dụng thực tiễn

- Thực hiện các đề tài và dự án mang tính liên nghành

- Giải mã các công nghệ tiên tiến ở nước ngoài và nhập khẩu vào Việt Nam

- Ươm tạo công nghệ và ươm tạo doanh nghiệp

- Đảm nhiệm các hoạt động bảo trì, bảo dưỡng sản phẩm và dây chuyền sản xuất

- Đào tạo và nâng cao năng lực khoa học công nghệ cho các doanh nghiệp và tổ chứckhác

1.4 Cơ cấu tổ chức.

Nhằm thực hiện các nghiên cứu thuộc các lĩnh vực lớn như điện tử viễn thông, côngnghệ thông tin, tự động hóa, công nghệ vật liệu, bộ máy tổ chức cần có cơ cấu đa dạng vàliên ngành như sau:

Nhánh công nghệ vật liệu- hóa học- sinh họcNhánh điện tử- CNTT- tự động hóa.

1.6 Các đối tác.

Trung tâm đã hợp tác với nhiều tổ chức trong và ngoài nước trong lĩnh vực khoa họccông nghệ:

- Cục ứng dụng và phát triển cộng nghệ (SATI), Bộ khoa học công nghệ

- Phòng thí nghiệm của GS Yoichi Hori, Đại học Tokyo

- Phần Lan trong chương trình “ Innovation Patnership Program”

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU VỀ LÕI FERROXCUBE.

2.1 Giới thiệu về lõi Silicon Steel.

- Silicon Steel là một trong những hợp kim đầu tiên được sử dụng trong các máy biến

áp và cuộn cảm Được cải thiện trong nhiều năm và trở thành lõi có từ tính mạnh và được sửdụng rộng rãi

- Đặc điểm : có mật độ bão hòa từ cao, tính từ thẩm tương đối tốt với mật độ thông lượng cao và tổn thất thấp

- Đặc tính từ hóa B-H loop:

Hình 2.1: ví dụ về Silicon Steel B-H loop : 97%Fe 3%Si.

2.2 Giới thiệu về lõi Thin Tape Nickel Alloys.

- Đặc điểm : được cấu tạo từ 2 thành phần chính là Fe và Ni

- có điện trở cao, tổn thất thấp ở những ứng dụng có tần số cao

- đặc tính từ hóa :

Hình 2.2 : ví dụ lõi Orthonol B-H loop: 50%Fe 50%Ni

2.3 Giới thiệu về lõi METALLIC GLASS.

- Đặc điểm : được tạo thành bằng cách làm lạnh nhanh hỗn hợp thủy tinh kim loại lỏng (tốc độ làm lạnh có thể nên tới

5

10 o c

/s) Sự khác biệt cơ bản giữa tinh thể ( vật liệu từ tính

Hình 2.3 : ví dụ về lõi Amorphous 2605Sc B-H loop: 81%Fe,13,5%B , 3.5% Si.

2.4 Giới thiệu về lõi SOFT FERRITES.

 đặc điểm :

2.5 Giới thiệu về lõi MOLYPERMALLOY POWDER

Được tổng hợp thành 1 loại vật liệu mới năm 1940 tại phòng thí Bell Telephone và công ty Western Electric

- Được sủ dụng rộng rãi trong các mạch điện tử công nghiệp và quân sự

- Thành phần gồm 2 Molybdenum (Mo) ,82 Nicken (Ni) , 16 Iron (Fe)

- Sử dụng nhiều trong các ứng dụng âm thanh và các ứng dụng có tần số cao

- Đặc tính từ hóa :

Hình 2.5 : ví dụ về lõi Molypermalloy Powder ,125 perm

2.6 Giới thiệu về lõi IRON POWDER

- Được tổng hợp bởi các kỹ sư phòng thí nghiệm Bell Telephone

- Rất phù hợp trong các ứng dụng sử dụng cuộn cảm nhỏ

- Có độ từ thẩm tương đối thấp

Hình 2.6 : ví dụ về lõi Iron Powder , 75 pern

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ THIẾT KẾ CỦA LÕI

ETD.

Hình 3.1 : Kích thước ngoài của lõi ETD (Dimension outline for ETD ferrite core)

Nếu biết được các thông số kích thước của lõi như hình trên ta tính được các tham số thiết kế như sau :

+) MLT (mean length turn , cm) = (B+E)*2 1.1)

+) MPL (mean path length , cm ) = 2

A B E

G C

+ − + +

(1.2)+) Wa (windown area , cm2 ) = 0.5*G*(B-E) (1.3)

+) Ac ( effective cross section of the core , cm2 ) = π*0.5*E (1.4)

+) Kg ( core geometry coeficient , cm5 ) =

2

W *a Ac *Ku MLT

(1.6)Trong đó:

- MLT (mean length turn , cm) là chiều dài trung bình một vòng dây quấn quanh lõi ferrite, được tính theo đơn vị cm

- MPL (mean path length , cm ) là chiều dài trung bình của một vòng đường sức từ chạy quanh loãi ferrite, tính theo đơn vị cm

- Ac ( effective cross section of the core , cm2 ) là diện tích mặt cắt ngang của lõi ferrites , được tính theo đơn vị cm2

- Ap ( area product , cm4 ) là diện tích

- Kg ( core geometry coeficient , cm5 ) là hệ số hình học của lõi cuộn cảm, được tính bằng đơn vị cm5

Bằng các phép tính toán như trên ta có bảng sau :

Bảng 1 : Dữ liệu về kích thước của một số lõi ETD ferrite

Dimensional Data for ETD Ferrite Cores (Ferroxcube )

Part

Bảng 2 : Kết quả tính toán các tham số thiết kế lõi ETD ferrite

Calculator ETD Ferrite Cores (Ferroxcube )

Part

No

MLTcm

MPLcm

- Phương pháp Kg là tất yếu cần thiết để tối ưu hóa kích thước dây của cuộn cảm do

đó tổn thất đồng trên cuộn dây là nhỏ nhất

- Bằng phương pháp Kg tính toán khe hở không khí đủ lớn để ngăn ngừa sự bão hòa của lõi , nếu lõi bị bão hòa thì nó sẽ sinh ra tiếng ồn và gây nóng cuộn cảm

Mạch Boost converter điển hình

Hình 4.1 : Boost converter (a) with ideal switch, (b) practical realization using MOSFET and

diode

Hình 4.2 : Giới thiệu về lõi cuộn cảm

4.2 Ứng dụng phương pháp Kg thiết kế cuộn cảm trong mạch

8 Core material ………= Ferrite

9 Window utilization, Ku………=0.4

Step 2 : tính toán dòng I peak

2 4 0

g

e

ry K

K α

Step 6 : Chọn lọi từ hệ số Kg

1 Core number ……… = ETD -29

2 Manganetic Path Length, MPL……… =7,2 cm

3 Core weight , =28 grams

4 Mean Length Turn, MLT……… =6.4 cm

5 Iron area, Ac……… =0,761 cm2

6 Window area, Wa……….=1.419 cm2

7 Area Product, Ap……… =1.08 cm4

2 Ene 10

183,99

ry J

( )

W rms 0,02535

B

I A

( ) eff 2 W

2

g c

F

l A

c

l L N

A F

vòng

 Thực tế do không mua được lõi ETD-29 nên ta chọn lõi EI-39

-Từ các thông số lõi đo được thực tế ta tính được

1 Core number ……… = EI-39

2 Manganetic Path Length, MPL……… =8.15 cm

3 Mean Length Turn, MLT……… =7.6 cm

4 Iron area, Ac……… =1.21 cm2

5 Window area, Wa……….=1.6 cm2

6 Area Product, Ap……… =1.936 cm4

7 Core geometry Kg………=0,1202 cm5

8 Material , P……….=2500µ

9 Winding length, G……….= 2 cm

- Mật độ dòng điện J

2 Ene 10

106.738

ry J

( )

W rms 0, 04

B

I A

( ) eff 2 W

0, 4 .10

0.192

c g

2

g c

F

l A

c

l L N

- J là mật độ dòng điện của dây quấn

- (root mean square) là dòng hiệu dụng

- (bare wire area ) là tiết diện dây quấn trần

- ( insuluted wire area ) là tiết diện dây quấn có lớp cách điện

- (effective window area ) là diện tích phần của sổ quấn dây hiệu quả

- N (turns) là số vòng quấn dây

- (new turns ) số vòng quấn dây mới

- (gap) chiều dài khe hở không khí

- F (fringing flux) viền thông móc vòng qua khe hở không khí

- (core material permeability) hằng số từ thẩm của vật liệu lõi

- (Fill factor) hệ số lấp đầy

- (effective window) hệ số sử dụng của sổ quấn dây hiệu quả

CHƯƠNG 5 : KIỂM NGHIỆM BẰNG PSIM.

5.1 Mô phỏng bằng phần mềm PSIM.

Hình ảnh mô phỏng mạch boost converter trong PSIM 9.0

Hình 5.1 : mạch nguồn boost converter trên PSIM 9.0

5.2 Bài toán mô phỏng.

Thông số chạy mô phỏng:

• Điện áp đầu vào: Vg = 12V

• Điện áp đầu ra mong muốn: V = 48V

• Thời gian mô phỏng: 0.8 s

trong đó:

- Giai đoạn I: Từ thời gian 0 (s) đến 0.2 (s) mạch chạy không tải

- Giai đoạn II: Từ thời gian 0.2 (s) đến 0.4 (s) mạch chạy tải định mức 100%

- Giai đoạn III: Từ thời gian 0.4 (s) đến 0.8 (s) mạch 150 %

Hình 5.2 : kết quả chạy mô phỏng

• Nhận xét:

Mạch đã đáp ứng được yêu cầu định điện áp ra ở điện áp 48V với các thông số như sau:

- Thời gian quá độ lúc khởi động là 0.08 (s)

- Độ quá điều chỉnh khi chạy 100% tải là 0.2%

- Khi chạy quá tải 150% điện áp đầu ra sụt còn 47.8V và độ quá điều chỉnh 0.2%

- Đặc tính từ hóa đường cong B-H của lõi EI-39 trong mô phỏng PSIM 9.0:

Hình 5.3 : Đặc tính từ hóa của lõi EI-39 trong mô phỏng PSIM 9.0

5.3 Kết quả thực nghiệm.

Hình 5.4 hình ảnh cuộn cảm thực tế

TÀI LIỆU THAM KHẢO.

[1] Transformer-and-Inductor-Design-Handbook

[2] Fundamentals of Power Electronics – Erickson

[3] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự độ ng, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2006