Tính toán máy biến áp ferit là một quá trình trong đó các kỹ sư đánh giá các thông số kỹ thuật cuộn dây khác nhau và kích thước lõi của máy biến áp, sử dụng ferit làm vật liệu cốt lõi. Điều này giúp họ tạo ra một máy biến áp được tối ưu hóa hoàn hảo cho một ứng dụng nhất định.
Bài đăng trình bày giải thích chi tiết về cách tính toán và thiết kế máy biến áp lõi ferit tùy chỉnh. Nội dung dễ hiểu và có thể rất hữu ích cho các kỹ sư tham gia vào lĩnh vực năng lượng điện và sản xuất biến tần SMPS.
Tại sao lõi Ferrite được sử dụng trong Bộ chuyển đổi tần số cao
Bạn có thể thường tự hỏi lý do đằng sau việc sử dụng lõi ferit trong tất cả các bộ nguồn chế độ chuyển đổi hiện đại hoặc bộ chuyển đổi SMPS. Đúng vậy, nó là để đạt được hiệu suất cao hơn và nhỏ gọn hơn so với bộ nguồn lõi sắt, nhưng sẽ rất thú vị nếu biết làm thế nào lõi ferit cho phép chúng ta đạt được mức độ hiệu quả và nhỏ gọn cao này?
Đó là bởi vì trong máy biến áp lõi sắt, vật liệu sắt có tính từ thẩm thấp hơn nhiều so với vật liệu ferit. Ngược lại, lõi ferit có tính từ tính rất cao.
Có nghĩa là, khi chịu tác động của từ trường, vật liệu ferit có thể đạt được mức độ từ hóa rất cao, tốt hơn tất cả các dạng vật liệu có từ tính khác.
Độ từ thẩm cao hơn có nghĩa là, lượng dòng điện xoáy thấp hơn và tổn thất chuyển mạch thấp hơn. Một vật liệu từ tính thường có xu hướng tạo ra dòng điện xoáy để đáp ứng với tần số từ trường tăng lên.
Khi tần số tăng lên, dòng điện xoáy cũng tăng lên gây nóng vật liệu và tăng trở kháng cuộn dây, dẫn đến tổn thất chuyển mạch tiếp tục.
Các lõi ferit, do tính từ thẩm cao nên có thể làm việc hiệu quả hơn với tần số cao hơn, do dòng điện xoáy thấp hơn và tổn thất chuyển mạch thấp hơn.
Bây giờ bạn có thể nghĩ, tại sao không sử dụng tần số thấp hơn vì điều đó ngược lại sẽ giúp giảm dòng điện xoáy? Tuy nhiên, nó có vẻ hợp lệ, tuy nhiên, tần số thấp hơn cũng có nghĩa là tăng số vòng cho cùng một máy biến áp.
Vì tần số cao hơn cho phép số vòng dây thấp hơn tương ứng, dẫn đến máy biến áp nhỏ hơn, nhẹ hơn và rẻ hơn. Đây là lý do tại sao SMPS sử dụng tần số cao.
Cấu trúc liên kết biến tần
Trong bộ biến tần chế độ chuyển đổi, thông thường có hai loại cấu trúc liên kết thoát ra: đẩy-kéo và Cây cầu đầy đủ . Kéo đẩy sử dụng một vòi trung tâm cho cuộn sơ cấp, trong khi cầu đầy đủ bao gồm một cuộn dây đơn cho cả cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Trên thực tế, cả hai cấu trúc liên kết đều có bản chất là push-pull. Ở cả hai dạng, cuộn dây được sử dụng MOSFETs với dòng điện xoay chiều chuyển đổi ngược-xuôi liên tục, dao động ở tần số cao được chỉ định, bắt chước hành động đẩy-kéo.
Sự khác biệt cơ bản duy nhất giữa hai loại là, phía sơ cấp của máy biến áp trung tâm có số vòng nhiều hơn 2 lần so với máy biến áp toàn cầu.
Cách tính toán biến áp biến tần lõi Ferrite
Tính toán một máy biến áp lõi ferit thực sự khá đơn giản, nếu bạn có tất cả các thông số được chỉ định trong tay.
Để đơn giản hơn, chúng tôi sẽ cố gắng giải công thức thông qua một ví dụ được thiết lập, giả sử đối với một máy biến áp 250 watt.
Nguồn điện sẽ là pin 12 V. Tần số để chuyển đổi máy biến áp sẽ là 50 kHz, một con số điển hình trong hầu hết các biến tần SMPS. Chúng tôi sẽ giả sử đầu ra là 310 V, thường là giá trị cao nhất của RMS 220V.
Ở đây, 310 V sẽ sau khi được chỉnh sửa thông qua quá trình phục hồi nhanh chóng chỉnh lưu cầu và bộ lọc LC. Chúng tôi chọn lõi là ETD39.
Như chúng ta đều biết, khi Pin 12 V được sử dụng, nó không bao giờ là điện áp không đổi. Khi sạc đầy giá trị là khoảng 13 V, tiếp tục giảm khi tải biến tần tiêu thụ năng lượng, cho đến khi cuối cùng pin phóng điện đến giới hạn thấp nhất, thường là 10,5 V. Vì vậy, đối với các tính toán của chúng tôi, chúng tôi sẽ coi 10,5 V là giá trị cung cấp cho V trong (phút).
Lượt chính
Công thức tiêu chuẩn để tính số vòng quay sơ cấp được đưa ra dưới đây:
N (Đầu tiên)= V trong (danh từ)x 10số 8/ 4 x f x B tối đax ĐẾN c
Đây N (Đầu tiên)đề cập đến số lượt chính. Vì chúng tôi đã chọn cấu trúc liên kết kéo đẩy vòi trung tâm trong ví dụ của mình, kết quả thu được sẽ là một nửa tổng số lượt cần thiết.
- Rượu (họ)= Điện áp đầu vào trung bình. Vì điện áp pin trung bình của chúng tôi là 12V, chúng ta hãy Rượu (họ)= 12.
- f = 50 kHz hoặc 50.000 Hz. Đây là tần số chuyển mạch ưa thích, do chúng tôi lựa chọn.
- B tối đa= Mật độ từ thông tối đa tính bằng Gauss. Trong ví dụ này, chúng tôi sẽ giả định B tối đanằm trong khoảng 1300G đến 2000G. Đây là giá trị tiêu chuẩn hầu hết các lõi biến áp dựa trên ferit. Trong ví dụ này, hãy giải quyết ở 1500G. Vì vậy chúng tôi có B tối đa= 1500. Giá trị cao hơn của B tối đakhông được khuyến khích vì điều này có thể dẫn đến máy biến áp đạt đến điểm bão hòa. Ngược lại, các giá trị thấp hơn của B tối đacó thể dẫn đến lõi được sử dụng không đầy đủ.
- ĐẾNc= Diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng tính bằng cmhai. Thông tin này có thể được thu thập từ bảng dữ liệu của các lõi ferit . Bạn cũng có thể tìm thấy Acđược trình bày là ALà. Đối với số lõi đã chọn ETD39, diện tích mặt cắt ngang hiệu quả được cung cấp trong bảng dữ liệu là 125mmhai. Đó là bằng 1,25cmhai. Do đó chúng ta có, Ac= 1,25 cho ETD39.
Các số liệu trên cung cấp cho chúng tôi các giá trị cho tất cả các thông số cần thiết để tính số vòng sơ cấp của máy biến áp biến tần SMPS của chúng tôi. Do đó, thay các giá trị tương ứng vào công thức trên, ta được:
N (Đầu tiên)= V trong (danh từ)x 10số 8/ 4 x f x B tối đax ĐẾN c
N (Đầu tiên)= 12 x 10số 8/ 4 x 50000 x 1500 x 1,2
N (Đầu tiên)= 3,2
Vì 3,2 là một giá trị phân số và có thể khó thực hiện trên thực tế, chúng tôi sẽ làm tròn nó thành 3 lượt. Tuy nhiên, trước khi hoàn thành giá trị này, chúng tôi phải điều tra xem giá trị của B tối đavẫn tương thích và nằm trong phạm vi chấp nhận được đối với giá trị 3 làm tròn mới này.
Bởi vì, giảm số lượt sẽ làm tăng tỷ lệ B tối đa, do đó, bắt buộc phải kiểm tra xem có tăng B tối đavẫn nằm trong phạm vi chấp nhận được cho 3 lượt chính của chúng tôi.
Kiểm tra bộ đếm B tối đabằng cách thay thế các giá trị hiện có sau, chúng tôi nhận được:
Rượu (họ)= 12, f = 50000, N tại= 3, ĐẾN c= 1,25
B tối đa= V trong (danh từ)x 10số 8/ 4 x f x N (Đầu tiên)x ĐẾN c
B tối đa= 12 x 10số 8/ 4 x 50000 x 3 x 1,25
B tối đa= 1600
Như có thể thấy cái mới B tối đagiá trị cho N (tại)= 3 lượt có vẻ ổn và nằm trong khoảng chấp nhận được. Điều này cũng ngụ ý rằng, nếu bất cứ lúc nào bạn cảm thấy muốn thao túng số N (Đầu tiên)lần lượt, bạn phải đảm bảo rằng nó tuân thủ với B tối đagiá trị.
Ngược lại, trước tiên có thể xác định B tối đacho số lượt chính mong muốn và sau đó điều chỉnh số lượt đến giá trị này bằng cách sửa đổi phù hợp các biến khác trong công thức.
Lượt thứ cấp
Bây giờ chúng ta biết làm thế nào để tính toán phía sơ cấp của một máy biến áp nghịch lưu ferit SMPS, đã đến lúc xem xét phía bên kia, đó là thứ cấp của máy biến áp.
Vì giá trị đỉnh phải là 310 V cho thứ cấp, chúng tôi muốn giá trị duy trì cho toàn bộ dải điện áp của pin bắt đầu từ 13 V đến 10,5 V.
Không nghi ngờ gì nữa, chúng tôi sẽ phải sử dụng một hệ thống phản hồi để duy trì mức điện áp đầu ra không đổi, để chống lại các biến thể điện áp pin thấp hoặc dòng tải tăng.
Nhưng đối với điều này, phải có một số lề trên hoặc khoảng trống để tạo điều kiện cho việc điều khiển tự động này. Biên A +20 V có vẻ đủ tốt, do đó chúng tôi chọn điện áp đỉnh đầu ra tối đa là 310 + 20 = 330 V.
Điều này cũng có nghĩa là máy biến áp phải được thiết kế để xuất ra 310 V ở điện áp pin 10,5 thấp nhất.
Để điều khiển phản hồi, chúng tôi thường sử dụng mạch PWM tự điều chỉnh, giúp mở rộng độ rộng xung khi pin yếu hoặc tải cao và thu hẹp nó một cách tương ứng trong điều kiện không tải hoặc pin tối ưu.
Điều này có nghĩa là, tại tình trạng pin yếu PWM phải tự động điều chỉnh đến chu kỳ làm việc tối đa, để duy trì đầu ra 310 V quy định. PWM tối đa này có thể được giả định là 98% tổng chu kỳ nhiệm vụ.
Khoảng cách 2% được để lại cho thời gian chết. Thời gian chết là khoảng cách điện áp bằng không giữa mỗi nửa chu kỳ tần số, trong đó MOSFET hoặc các thiết bị nguồn cụ thể vẫn được ngắt hoàn toàn. Điều này đảm bảo an toàn được đảm bảo và ngăn chặn bắn xuyên qua MOSFET trong các giai đoạn chuyển tiếp của chu kỳ kéo đẩy.
Do đó, nguồn cung cấp đầu vào sẽ ở mức tối thiểu khi điện áp pin đạt ở mức tối thiểu, đó là khi V trong= V trong (phút)= 10,5 V. Điều này sẽ nhắc chu kỳ nhiệm vụ ở mức tối đa 98%.
Dữ liệu trên có thể được sử dụng để tính toán điện áp trung bình (DC RMS) cần thiết cho phía sơ cấp của máy biến áp để tạo ra 310 V ở thứ cấp, khi pin ở mức tối thiểu 10,5 V. Đối với điều này, chúng tôi nhân 98% với 10,5, như hiển thị bên dưới:
0,98 x 10,5 V = 10,29 V, đây là định mức điện áp sơ cấp máy biến áp của chúng tôi phải có.
Bây giờ, chúng ta biết điện áp thứ cấp lớn nhất là 330 V, và chúng ta cũng biết điện áp sơ cấp là 10,29 V. Điều này cho phép chúng ta nhận được tỷ số của hai bên là: 330: 10,29 = 32,1.
Vì tỷ lệ của xếp hạng điện áp là 32,1, tỷ lệ rẽ cũng phải ở định dạng tương tự.
Có nghĩa, x: 3 = 32,1, trong đó x = lượt thứ cấp, 3 = lượt sơ cấp.
Giải quyết điều này, chúng ta có thể nhanh chóng nhận được số lượt phụ
Do đó lượt thứ cấp là = 96,3.
Hình 96.3 là số vòng thứ cấp mà chúng ta cần cho máy biến áp nghịch lưu ferit được đề xuất mà chúng ta đang thiết kế. Như đã nêu trước đó vì các giá trị phân số rất khó thực hiện trên thực tế, chúng tôi làm tròn nó thành 96 lượt.
Điều này kết thúc các tính toán của chúng tôi và tôi hy vọng tất cả các độc giả ở đây chắc hẳn đã nhận ra cách tính toán đơn giản một biến áp ferit cho một mạch biến tần SMPS cụ thể.
Tính toán cuộn dây phụ trợ
Cuộn dây phụ là cuộn dây bổ sung mà người dùng có thể yêu cầu đối với một số thiết bị bên ngoài.
Giả sử, cùng với 330 V ở cuộn dây thứ cấp, bạn cần một cuộn dây khác để có được 33 V cho đèn LED. Đầu tiên chúng tôi tính toán thứ cấp: phụ trợ tỷ số rẽ đối với định mức 310 V của cuộn thứ cấp. Công thức là:
NĐẾN= Vgiây/ (Vđến+ Vd)
NĐẾN= thứ cấp: tỷ số phụ, Vgiây= Điện áp chỉnh lưu điều chỉnh thứ cấp, Vđến= điện áp phụ, Vd= Diode giảm giá trị chuyển tiếp cho diode chỉnh lưu. Vì chúng ta cần một diode tốc độ cao nên ở đây chúng ta sẽ sử dụng bộ chỉnh lưu schottky với Vd= 0,5V
Giải quyết nó cho chúng ta:
NĐẾN= 310 / (33 + 0,5) = 9,25, hãy làm tròn thành 9.
Bây giờ chúng ta hãy suy ra số vòng dây cần thiết cho cuộn dây phụ, chúng ta có được điều này bằng cách áp dụng công thức:
Nđến= Ngiây/ NĐẾN
N đâuđến= lượt phụ, Ngiây= lượt thứ cấp, NĐẾN= tỷ số phụ.
Từ kết quả trước đó của chúng tôi, chúng tôi có Ngiây= 96 và NĐẾN= 9, thay chúng vào công thức trên ta được:
Nđến= 96/9 = 10,66, làm tròn lại cho ta 11 lượt. Vì vậy, để nhận được 33 V, chúng ta sẽ cần 11 lượt ở phía thứ cấp.
Vì vậy, bằng cách này, bạn có thể kích thước một cuộn dây phụ theo sở thích của riêng bạn.
Kết thúc
Trong bài đăng này, chúng ta đã học cách tính toán và thiết kế máy biến áp biến tần dựa trên lõi ferit, sử dụng các bước sau:
- Tính toán lượt chính
- Tính toán lượt thứ cấp
- Xác định và xác nhận B tối đa
- Xác định điện áp thứ cấp tối đa cho điều khiển phản hồi PWM
- Tìm tỷ lệ rẽ chính phụ
- Tính số vòng thứ cấp
- Tính toán số vòng dây quấn phụ
Sử dụng các công thức và tính toán được đề cập ở trên, người dùng quan tâm có thể dễ dàng thiết kế một biến tần dựa trên lõi ferit tùy chỉnh cho ứng dụng SMPS.
Mọi thắc mắc và nghi ngờ xin vui lòng sử dụng khung bình luận bên dưới, tôi sẽ cố gắng giải quyết sớm nhất
Trước: Các loại bảng Arduino với thông số kỹ thuật Tiếp theo: Giải thích Bộ chuyển đổi Digital-to-Analog (DAC), Analog-to-Digital (ADC)
