Phương pháp thiết kế cuộn cảm bằng phương pháp kg

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ.

1


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 bảo
thiết 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

2


CHƯƠNG 1. TRUNG TÂM CTI.
1.1 Quá trình thành lập.
- Trung tâm nghiên cứu ứng dụng và sáng tạo công nghệ được thành lập ngày
24/12/2009 theo quyết định của hiệu trưởng Trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
- Trung tâm vận hành theo mô hình mở, nơi các nhà khoa học và các cán bộ nghiên cứu
thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau có thể cùng làm việc và cộng tác.

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 cứu
khoa 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 cùng
các 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 chức
khác.

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

3


Ban giám đốc

cơ sở dữPhòng
liệu. thí nghiệm nghiên cứu và phát triển.
Phòng nghiên cứu thị trường và đầu Phòng
tư.

Nhánh công
nghệ
vật liệu- hóa học- sinh học
Nhánh điện tử- CNTTtự động
hóa.

Hình 1.1. Cơ cấu tổ chức của trung tâm CTI.

1.5 Nguồn nhân lực.
Tính đến năm 2011,trung tâm có 16 thành viên ,là các cán bộ,nghiên cứu viên kiêm
nhiệm hoặc cộng tác viên ,được phân bổ như sau:

Hình 1.2 Nguồn nhân lực

4


1.6 Các đối tác.
Trung tâm đã hợp tác với nhiều tổ chức trong và ngoài nước trong lĩnh vực khoa học
công 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 sử
dụng 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:

5


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 :

6

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

105 o c

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

7


tiêu chuẩn ) va thủy tinh kim loại là ở cấu trúc tinh thể. Thủy tinh kim loại có cấu trúc tinh
thể không định hình.
- Thủy tinh kim loại có tính từ mềm, phù hợp với những ứng dụng có tần số cao, có độ
từ thẩm cao và tổn thất lõi thấp.
- đặc tính từ hóa.

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 :

8


- Ra đời để phục vụ trong các ứng dụng đòi hỏi tần số cao, giảm thiểu tối đa tổn thất do

dòng xoáy trong đó các loại lõi khác không đáp ứng được hoặc chi phí sản xuất quá cao.
- Thường có màu xám tối hoặc màu gốm đen , thường rất cứng và giòn, trơ về mặt hóa
học, có cấu trúc đa tinh thể.
- Thành phần chình là Fe, Mn, Ni, tạo thành từ hỗn hợp MnZn hoặc NiZn với oxit sắt
(Fe2O3) nên được chia là 2 loại chính: Manganese-Zinc Ferrites và Nickel-Zinc Ferrites.
- Sự khác biệt cơ bản giữa 2 loại hỗn hợp là : (được thể hiện trong bảng sau)

 Manganese-Zinc Ferrites.
- Được sử dụng rộng rãi, và sủ dụng nhiều hơn trong các ứng dụng so với
Nicken-Zinc Ferrites .
- Được sử dụng chủ yếu ở các ứng dụng mà tần số nhỏ hơn 2MHz.
 Nicken-Zinc Ferrit.
-Có điện trở suất cao, nên thường được sử dụng trong các ứng dụng tần số từ 1-2MHz
đến vài trăm MHz.
 Đặc tính từ hóa.
-Đặc tính từ hóa của 1 số loại vật liệu .

9


o

Hình 2.4 : ví dụ lõi Ferrite B-H loop ,K material at 25

C

o

và 100

C

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.

10


- 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 .

11


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

CHƯƠNG 3 . TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ THIẾT KẾ CỦA LÕI
ETD.

12

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
A+ B − E
+G+C
2
+) MPL (mean path length , cm ) =
+) Wa (windown area , cm2 ) = 0.5*G*(B-E)
+) Ac ( effective cross section of the core , cm 2 ) = π*0.5*E
+) Ap ( area product , cm4 ) = Wa*Ac
+) Kg ( core geometry coeficient , cm5 ) =

Wa * Ac 2 * Ku
MLT

1.1)

(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
(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.
- Wa (windown area , cm2 ) là diện tích phần của sổ quấn dây , tính theo đơn vị cm2
13


- 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

Part
No.

Dimensional Data for ETD Ferrite Cores (Ferroxcube )
A
B
C
D
E
cm
cm
cm
cm
cm

G
Cm
14


ETD-29
ETD-34
ETD-39
ETD-44
ETD-49
ETD-54
ETD-59

3.06
3.5
4
4.5
4.98
5.45
5.98

2.27
2.56
2.93
3.25
3.61
4.12
4.47

3.16
3.46
3.96
4.46
4.94
5.52
6.2

0.98
1.11
1.28
1.52
1.67
1.89
2.165

0.98
1.11
1.28
1.52
1.67
1.89
2.165

2.2
2.36
2.84
3.22
3.54
4.04

4.5

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

Part
No.
ETD-29
ETD-34
ETD-39
ETD-44
ETD-49
ETD-54
ETD-59

Calculator ETD Ferrite Cores (Ferroxcube )
MLT
MPL
Ac
Wa
2
cm
cm
cm
cm2
6.4
7.2
0.761
1.419
7.1
7.87

0.974
1.711
8.3
9.22
1.252
2.343
9.4
10.3
1.742
2.785
10.3
11.4
2.11
3.434
11.7
12.7
2.8
4.505
12.9
13.9
3.677
5.186

Ap
cm4
1.08
1.6665
2.933
4.852
7.2453

12.6129
19.0698

Kg
cm5
0.0517
0.0911
0.1766
0.3595
0.5917
1.2104
2.1271

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ CUỘN CẢM BẰNG PHƯƠNG PHÁP Kg.
4.1. Giới thiệu về phương pháp thiết kế cuộn cảm bằng phương pháp Kg.
- 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.
15


Mạch Boost converter điển hình.

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

16

Hình 4.2 : Giới thiệu về lõi cuộn cảm.

4.2. Ứng dụng phương pháp Kg thiết kế cuộn cảm trong mạch
Boost Converter.
 Yêu cầu bài toán .
Vg=12 Vdc
V = 48 Vdc
D = 0.75
F = 50 Khz
I out = 1

A
∆ = 1,2 A

Ta có :
L=
 Các bước tính toán.

Vg
12.0, 75
D.T =
= 75.10−6
2.∆I L
2.1, 2.50000

(H)

Step 1 : Thiết kế theo đặc điểm kỹ thuật của cuộn cảm.
1.
2.

3.
4.
5.
6.
7.

Inductance , L…………………………………=0,0000075 henrys
DC curent , ………………………………= 1 amps
AC curent, ∆………………………………. = 1,2 amps
Output Power, ……………………………..= 48 watts
Regulation, α………………………………….= 1,0%
Frequency, F…………………………………..= 50 KHz
Operating flux density, Bm…………………...=0,25 testa
17


8. Core material …………………………………= Ferrite
9. Window utilization, Ku………………………=0.4
Step 2 : tính toán dòng I peak.

I pk = I + ∆I = 5.2
Step 3 : tính năng lượng của cuộn cảm.

Energy =

2
L.I pk

2

= 0, 001014
(watts-second )

Step 4 : Tính hệ số Ke.

K e = 0,145.P0 .Bm2 .10 −4 = 0.000044
Step 5 : Tính hệ số Kg.

Kg

( Enery )
=
K e .α

2

= 0, 023368

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
8. Core geometry Kg…………………………=0,0517 cm5
9. Surface area, At……………………………=42,5 cm2
10. Material , P……………………………….=2500µ
11. Winding length, G……………………….= 2,2 cm

Step 7 Tính mật độ dòng điện J.

18


2. ( Enery ) .104
J=
= 183,99
Bm . Ap .K u
amps / cm 2

Step 8 : Tính dong rms.
I rms = I 02 + 4.∆I 2 = 4, 665

A

Step 9 : Tính tiết diện dây.
I rms
= 0,02535
J

AW( B ) =

cm2

Step 10 : Chọn dây từ tiết diện đã tính toán được.
AWG # 14
Bare,

AW( B ) = 0, 0208

Insualated,

cm

AW = 0, 02295

cm

Step 11 : Tính toán diện tích của sổ hiệu quả , chọn
( Với

S3

bằng 0.75

,defines how much of the available window space may actually be used for the

winding , so 0.5 <

S3

< 0.75 ).

Wa ( eff ) = Wa .S3 = 1, 06425

cm2

Step 12 : Tính toán số vòng dây với
( Với

S3

S2

S2

chọn bằng 0.6

, is the Fill Factor or the wire lay, for the usable window area ).
19


N=

Wa( eff ) .S2
AW

= 28
vòng

Step 13 Tính khe hở không khí.

0, 4.π .N 2 . Ac .10−8 MPL
lg =
−
= 0, 0974
L
µm

cm

Step 14 Tính toán hệ số F.

F = 1+

 2.G 
.ln 
= 1, 43
 l ÷
÷
Ac
 g 

lg

Step 15 tính toán số vòng mới sau khi tính được hệ số F.

Nn =

lg .L
0, 4.π . Ac .F .10−8

= 23
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.
2.

3.
4.
5.
6.
7.
8.

Core number ………………………………..= EI-39
Manganetic Path Length, MPL……………..=8.15 cm
Mean Length Turn, MLT…………………..=7.6 cm
Iron area, Ac………………………………..=1.21 cm2
Window area, Wa………………………….=1.6 cm2
Area Product, Ap…………………………..=1.936 cm4
Core geometry Kg…………………………=0,1202 cm5
Material , P……………………………….=2500µ

9. Winding length, G……………………….= 2 cm
- Mật độ dòng điện J.

20


2. ( Enery ) .10 4
J=
= 106.738
Bm . Ap .K u
amps / cm 2
- Dòng rms.

I rms = I 02 + 4.∆I 2 = 4, 665

A

-Tiết diện dây.
AW( B ) =

I rms
= 0, 04
J

cm2

-Chọn dây từ tiết diện đã tính toán được.
AWG # 14.
Bare,

AW( B ) = 0, 0208

Insualated,

cm

AW = 0, 02295

cm

-Diện tích của sổ hiệu quả , chọn
( Với

S3

S3

≤0.75 ).

Wa ( eff ) = Wa .S3 = 1.2

-Số vòng dây với
( Với

= 0.75

,defines how much of the available window space may actually be used for

the winding , so 0.5 ≤

S2

S3

S2

cm2

chọn bằng 0.6

, is the Fill Factor or the wire lay, for the usable window area ).
21

N=

Wa( eff ) .S2
AW

= 31

vòng

-Khe hở không khí.

0, 4.π .N 2 . Ac .10−8 MPL
lg =
−
= 0.192
L
µm

cm

-Tính toán hệ số F.
F = 1+

 2.G 
.ln 
= 1,53
 l ÷
÷
Ac
g




lg

Step 15 tính toán số vòng mới sau khi tính được hệ số F.

Nn =

lg .L
0, 4.π . Ac .F .10−8

= 26
vòng

Trong đó :
- 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.

22


- 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

23


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 %.

24


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%.

25