臺灣博碩士論文加值系統

本研究建立了一個軌道型非接觸式電源轉換供電系統，應用於無塵室搬運系統中，以改善傳統金屬接觸所產生的粉塵、火花及漏電等問題。耦合變壓器電力傳輸是利用電磁耦合的原理，將電流注入初級側繞組透過鐵芯感應到次級側繞組，不必使用金屬連接，經電磁感應耦合的方式就可以得到電源。因為非接觸式的能量傳遞結構有氣隙存在，為了改善非接觸式供電效率，除了在線圈側加電容補償外，系統的控制迴路中運用追蹤共振頻率的回授控制方法，以提高整體轉換效能。以及為了改善共振電路電壓受負載變動的影響，設計補償電路來達到穩壓控制之目的。在非接觸式軌道上，同時有兩個拾取器，其輸出經SEPIC轉換電路輸出直流電流總共為4.2A，輸出電壓為17.4V，拾取器與軌道的氣隙為20mm，量測得到的系統轉換效率為42.71%，兩個拾取器可以於軌道上相對移動，完成非接觸式供電系統的雛型實驗系統，供後續研究。

In this thesis, a contactless power transfer system with linear rail is designed. The proposed system is applied as an autonomous conveyer system in a clean room. Metal-to-metal connections produce sparks or dust and the risk for electrical shocks. The contactless power system is a solution. The coupling transformer power transfer utilizes the magnetic inductive principle. Current is injected into the primary coils to produce a magnetic field that is linked to the secondary coils via ferromagnetic cores. The power is transferred via the magnetic coupling without a metal-to-metal connection. The contactless power transfer structure exists within a large air gap. The power transmission efficiency is poor. A variable frequency controller is used to track the resonant frequency and compensate for coils connected with capacitors to improve the transmission efficiency. The system resonant voltage is regulated by a controller when the voltage is changed by the load. Two E shaped pickup coils are set up in the contactless linear rail. They are the movable loads over relatively large air gaps. The transmission efficiency between the input power and two SEPIC converter output powers is 42.71% in the case when the total output current is 4.2A, output voltage is 17.4V, and air gap is 20mm. The implemented prototype and its test results are demonstrated for further study.

目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
謝誌 III
目 錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 XII
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2研究背景 2
1.3文獻探討 7
1.4內容大綱 11
第二章 非接觸式電力傳輸系統 13
2.1 耦合變壓器電力傳輸原理 14
2.1.1 電磁耦合效應 14
2.1.2 軌道耦合變壓器 20
2.2 電感電容共振電路設計 25
2.3 LCR串-並聯電路分析 32
2.4 負載共振式變流器 34
2.5 比例積分與鎖相迴路控制 45
2.6 非接觸式電動車移動平台 48
第三章 系統設計理論分析及模擬 50
3.1 初級側並聯-次級側並聯(PP)補償拓撲設計方法 50
3.2 E型拾取器的磁場分析 57
3.3 PSpice模擬 64
第四章 控制電路製作 73
4.1 初級側共振電路電壓均方根值計算電路與控制補償電路 74
4.2 三角波產生電路 77
4.3 脈衝信號補償控制電路 78
4.4 相位補償控制電路 80
4.5 驅動電路 83
4.6 次級側電路 85
第五章 實驗結果 89
5.1 實驗電路整合 89
5.2 實驗量測結果 92
第六章 結論與未來研究方向 116
參考文獻 118

圖目錄
圖1-1 移動式的同軸線圈變壓器 3
圖1-2 E型鐵芯變壓器 4
圖1-3 ECT的磁通分佈 4
圖1-4 U型或C型鐵芯變壓器 5
圖1-5 非接觸式U型鐵芯應用於運輸系統的概念圖 6
圖1-6 平坦型拾取變壓器的應用系統概念圖 7
圖2-1 傳統式電源轉換系統 14
圖2-2 非接觸式電源轉換系統 14
圖2-3 緊耦合感應變壓器(理想變壓器) 17
圖2-4 磁滯迴路 17
圖2-5 理想變壓器模型 19
圖2-6 變壓器等校模型 19
圖2-7 鬆耦合感應變壓器 20
圖2-8 非接觸式馬達驅動示意圖 22
圖2-9 非接觸式E型變壓器剖面圖 22
圖2-10 在ㄧ個磁場中的小立方體容積 22
圖2-11 兩平行傳輸導線 23
圖2-12 補償拓撲 25
圖2-13 耦合等校電路 26
圖2-14 初級側補償網路 29
圖2-15 共振電路模型 31
圖2-16 串聯共振電路 33
圖2-17 並聯共振電路 34
圖2-18 LCL負載共振全橋變流器電路圖 35
圖2-19 變流器的模型 36
圖2-20 不連續模式切換開關控制半週期時序圖 36
圖2-21 理想的全橋並聯共振主要時序圖 38
圖2-22 (a)時序1[ ]理想的全橋並聯共振穩態電路分析 39
圖2-22 (b)時序2[ ]理想的全橋並聯共振穩態電路分析 40
圖2-22 (c)時序3[ ]理想的全橋並聯共振穩態電路分析 41
圖2-22 (d)時序4[ ]理想的全橋並聯共振穩態電路分析 42
圖2-22 (e)時序5[ ]理想的全橋並聯共振穩態電路分析 43
圖2-22 (f)時序6[ ]理想的全橋並聯共振穩態電路分析 44
圖2-23 本文控制方塊圖 47
圖2-24 自動化搬運車的非接觸式馬達驅動系統 48
圖2-25 非接觸式電源自動化搬運車可能的運動模式 49
圖3-1 次級側並聯補償的反射電阻(實部，Re ) 53
圖3-2 次級側並聯補償的反射電抗(虛部，Im ) 54
圖3-3 次級側並聯補償的反射阻抗，負載電阻 54
圖3-4 次級側並聯補償的反射阻抗，負載電阻 55
圖3-5 總阻抗導納(實部Re )正規化頻率響應 56
圖3-6 總阻抗導納(虛部Im )正規化頻率響應 57
圖3-7 靜磁域 58
圖3-8 鬆磁耦合變壓器2D模型 60
圖3-9 三角形有限元素網格 60
圖3-10 E型拾取器磁場的有限元素模擬 61
圖3-11 僅單一軌道激勵與E型拾取器磁場的有限元素模擬 63
圖3-12 雙軌道激勵與E型拾取器磁場的有限元素模擬 64
圖3-13 LCL負載共振全橋變流器控制電路 66
圖3-14 PWM驅動電路 66
圖3-15 變壓器等校模型電路 67
圖3-16 LCL負載共振全橋變流器 67
圖3-17 初級側、次級側電壓( , )與閘級端補償訊號波形 69
圖3-18 控制器暫態響應模擬 71
圖3-19 初級側、次級側電壓( , )與輸入電流( )波形 72
圖4-1 電壓偵測電路圖 74
圖4-2 均方根值交流/直流轉換器電路圖 75
圖4-3 直流電壓控制電路圖 76
圖4-4 三角波產生電路圖 77
圖4-5 反相三角波產生電路圖 78
圖4-6 直流電壓控制電路圖 79
圖4-7 乘法器電路圖 79
圖4-8 霍爾元件架構圖 82
圖4-9 儀表放大器 82
圖4-10 相位檢測電路 82
圖4-11 頻率限制電路 83
圖4-12 驅動器電路圖 84
圖4-13 次級側電源轉換架構 85
圖4-14 SEPIC轉換器 87
圖5-1 非接觸式電力傳輸系統硬體架構實體圖 90
圖5-2 拾取器(次級側電感)實體圖 91
圖5-3 次級側穩壓電路實體圖 92
圖5-4 驅動電路 及 輸出信號 94
圖5-5 鬆耦合變壓器加入兩個拾取器 94
圖5-6 軌道電壓 、功率開關元件 及 及變流器輸入電流 的量測波形 95
圖5-7 兩個拾取器的電壓波形，負載均為 95
圖5-8 負載分別為 及 96
圖5-9 兩個拾取器的電壓波形，負載分別為 及 96
圖5-10 負載均為 的量測結果 97
圖5-11 兩個拾取器的電壓波形，負載均為 97
圖5-12 負載分別為 及 98
圖5-13 兩個拾取器的電壓波形，負載分別為 及 98
圖5-14 負載均為 的量測結果 99
圖5-15 兩個拾取器的電壓波形，負載均為 99
圖5-16 第一個拾取器 及拿掉第二個拾取器 100
圖5-17 兩個拾取器的電壓波形，第一個拾取器 及拿掉第二個拾取器 100
圖5-18 拿掉第一個拾取器及第二個拾取器 101
圖5-19 兩個拾取器的電壓波形，拿掉第一個拾取器及第二個拾取器 101
圖5-20 系統整體效率曲線圖 102
圖5-21 鬆耦合變壓器加入第一個拾取器 103
圖5-22 鬆耦合變壓器加入第一個拾取器量測波形圖 104
圖5-23 鬆耦合變壓器加入第二個拾取器 105
圖5-24 鬆耦合變壓器加入第二個拾取器量測波形圖 106
圖5-25 負載分別為 及 107
圖5-26 負載分別為 及 108
圖5-27 負載分別為 及 109
圖5-28 負載分別為 及 109
圖5-29 負載分別為 及 110
圖5-30 第一個拾取器 及拿掉第二個拾取器 111
圖5-31 拿掉第一個拾取器及第二個拾取器 111
圖5-32 非接觸式轉換效率曲線圖 112
圖5-33 共振電路電流波形 113
圖5-34 第一個SEPIC轉換效率曲線圖 114
圖5-35 第二個SEPIC轉換效率曲線圖 115

表目錄
表2.1 次級側串聯或並聯補償電容C的網路阻抗特性 28
表2.2 初級側補償電容 30
表2.3 反射阻抗 31
表2.4 非接觸式電力傳輸系統的元件參數值 47
表3.1 式(3-3)及式(3-4)的正規化表示式 52
表4.1 SEPIC參數選擇 86
表4.2 SEPIC元件參數規格 88
表5.1 系統整體效率 102
表5.2 非接觸式轉換效率 112

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