基于電子控制電路的健身單車發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)研究

魏 力

基于電子控制電路的健身單車發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)研究

魏 力

針對健身器材中的健身單車的運動特點，設(shè)計了一款健身單車發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用人在健身單車上運動健身所產(chǎn)生的機械功作為發(fā)電機的牽引動力以使發(fā)電機輸出電能，為其他適宜的用電設(shè)備提供電能。本文就本設(shè)計方案的特殊設(shè)計需求以及系統(tǒng)的基本原理進行了討論，并對組成該系統(tǒng)的各個部分的設(shè)計方案與理念進行論述，最后對本方案的可行性進行了論證。

健身單車；電子控制電路；發(fā)電機；電力電子器件

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平日益提高，在物質(zhì)條件得到充分滿足的情況下，人們更加關(guān)注身體健康，而健身作為鍛煉身體、保持健康的重要選擇之一，在當今社會越來越受到人們的歡迎，因而各種健身會所如雨后春筍在各大城市掛牌營業(yè)，各種新穎的健身器材也被開發(fā)和推廣。針對這種情況，筆者通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)在健身過程中，有著大量的由人體運動所產(chǎn)生的能量白白的被浪費，因此筆者大膽設(shè)想，提出了利用人們健身時所產(chǎn)生的能量來帶動發(fā)電機進行發(fā)電，從而產(chǎn)生電能供給其他用電設(shè)備使用的創(chuàng)意，可以說這一創(chuàng)意正好契合國家提倡的節(jié)能環(huán)保理念，在當前各個領(lǐng)域開發(fā)和推廣節(jié)能產(chǎn)品的大環(huán)境下，健身單車發(fā)電系統(tǒng)必然會具備一定的規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景。

1.系統(tǒng)設(shè)計的基本要求

既然要利用健身單車所產(chǎn)生的動能帶動發(fā)電機進行發(fā)電，而健身單車作為健身器材的一種又具有其自身的特點，因此在該發(fā)電機系統(tǒng)的設(shè)計過程中首先要對健身單車發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該具有的特點以及需要著重考慮的問題進行論證。筆者認為就系統(tǒng)的特點及設(shè)計的基本要求有五個方面：一是功率效率的要求，筆者通過對多個健身場所的實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一般一個成年人在健身單車上做健身運動時的平均功率為l50～180W，所以在設(shè)計時應(yīng)該采取功率小且效率較高的發(fā)電機；二是轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性，由于參與健身的人群有性別、年齡、體能狀況以及運動喜好的不同，騎車的速度也會有所不同，我們知道作為發(fā)電機的牽引動力的健身單車機械運動速度越大，騎車時所受到的阻力也將越大，所以在系統(tǒng)設(shè)計時要考慮引入轉(zhuǎn)速可調(diào)裝置，以適應(yīng)不同人群的運動特點；三是輸出的不穩(wěn)定性，由于人們在健身單車上運動時不可能始終保持一個速度，所以會導(dǎo)致掛在后面的發(fā)電機轉(zhuǎn)速也處于變速運動狀態(tài)，這必然會使其輸出電壓忽高忽低，所以在系統(tǒng)設(shè)計時必須加入穩(wěn)壓系統(tǒng)以處理電壓的不穩(wěn)定問題；四是頻繁的啟停，由于參與健身人員的自身體力問題，健身單車不可能一直處于運動狀態(tài)，必然會因健身者的反復(fù)停歇而處于頻繁啟停狀態(tài)，所以該系統(tǒng)應(yīng)該具有適應(yīng)頻繁啟停的能力；五是發(fā)電和用電的平衡問題，在無電能存儲裝置的系統(tǒng)中電能必須是即發(fā)即用，才能避免電能的浪費，但是健身機構(gòu)中健身單車的使用者有時可能會很多有時卻很少，所以在騎車人多時會造成電能浪費，騎車人少時又有可能造成電能不足或斷電，因此在系統(tǒng)中需要加入一個電能儲存裝置。

2.系統(tǒng)的工作原理

健身者踩踏健身單車腳踏板使其轉(zhuǎn)動時，其速度較低，所以加入一個傳動裝置將速度提高數(shù)倍，使其滿足發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度的要求，永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子在其帶動下轉(zhuǎn)動而發(fā)出三相交流電，交流電經(jīng)三相二極管整流裝置整流后成為電壓脈動的直流電，直流電輸入到直流穩(wěn)壓斬波器，PWM輸出控制器利用電壓反饋信號的輸入，控制直流穩(wěn)壓斬波器件的占空比，從而使其輸出成為幅值保持穩(wěn)定的直流電，直流電再經(jīng)過逆變器的逆變，轉(zhuǎn)化為頻率穩(wěn)定、電壓規(guī)律變化的交流電，最后輸出到指定的用電設(shè)備供其使用。并且為了避免電能浪費和斷電現(xiàn)象的發(fā)生，在系統(tǒng)中加入蓄電池及其充電裝置，當電能足夠使用電設(shè)備正常工作而有盈余時則發(fā)出控制信號給蓄電池充電，當發(fā)電機發(fā)出電能滿足不了用電設(shè)備的使用時則控制蓄電池箱負載放電，使其正常工作。

3.系統(tǒng)各部分原理分析

3.1 發(fā)電機的選擇

結(jié)合健身單車的運行特點，本系統(tǒng)的發(fā)電機選用永磁式發(fā)電機。筆者針對健身者在運動時產(chǎn)生的功率及能夠承受的阻力情況，對發(fā)電機的各項參數(shù)做了如下的計算與確定：1)額定功率P(W)：健身者在單車上運動時的功率約為l50-500W，在考慮單車自身阻力損耗的前提下，確定發(fā)電機的額定功率為150-400W；2)額定電壓U(V)：發(fā)電機的額定電壓選擇之后的電力電子電路的正常工作電壓，即12-24V；3)額定轉(zhuǎn)速Nn(r/min)：發(fā)電機轉(zhuǎn)速越大，其產(chǎn)生的洛倫茲力也將越大，健身者運動而拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子所克服的阻力也就越大，所以額定轉(zhuǎn)速選擇為1000-3000r/min。據(jù)此我們選擇使用JYWF永磁式交流發(fā)電機，該發(fā)電機采用電樞爪控制輸出電壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)變化時，能夠保證其輸出電壓仍然保持基本的穩(wěn)定。

3.2 電力電子控制電路

因為發(fā)電機輸出的電能不可能是理想的正弦波，其任何電壓和頻率的異常波動以及由于波動而形成的波形畸變都有可能使設(shè)備的運行狀態(tài)惡化。所以在系統(tǒng)中必須引入電力電子電路對其進行控制，以確保當交流輸入電源出現(xiàn)異常波動或者斷電時，仍然能夠向用電設(shè)備正常供電，同時保證良好的供電質(zhì)量，使用電設(shè)備不至于受到影響。

電力電子控制電路的工作原理可以描述為：發(fā)電機輸出的交流電通過整流濾波裝置后被整流為直流電，再用斬波器將使其電壓進一步趨于穩(wěn)定，然后將其逆變?yōu)?0Hz恒頻恒壓的交流電。同時，斬波器輸出的直流電進入蓄電池充電回路給其充電，由于蓄電池的引入，即使發(fā)電機停止工作，蓄電池也能夠在一定時間內(nèi)給逆變器供電，用電設(shè)備仍然能夠獲得恒頻恒壓交流電而正常運行。

3.2.1 整流濾波電路

整流濾波電路是用來將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為了使結(jié)構(gòu)比較簡單，將其二極管按照理想模型來處理，整流濾波電路原理如圖1所示。這里采用橋式整流電路，主要是因為橋式整流電路的電容電路比較簡潔，輸出電壓較高，紋波電壓較小，效率較高。

表1 健身單車發(fā)電系統(tǒng)各傳動裝置傳動比

圖1 整流濾波電路原理圖

3.2.2 穩(wěn)壓斬波電路

穩(wěn)壓斬波電路主要用于將電壓幅值在一定范圍之內(nèi)變化的的直流電采用周期性的斬波，轉(zhuǎn)化為幅值固定的直流電。穩(wěn)壓斬波電路中的電容器可以對輸出電壓中的紋波進行有效的抑制，而且該電容器的容量越大，其對紋波的抑制作用越好，同時使其供電的維持性也越優(yōu)越。

3.2.3 逆變電路

逆變電路是將通過穩(wěn)壓斬波電路后電壓穩(wěn)定的直流電或者來自于蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為波形呈正弦的恒壓恒頻交流電，以供給用電設(shè)備使用。本系統(tǒng)中使用了全橋逆變電路，該電路所產(chǎn)生的電壓幅值是半橋逆變電路的兩倍，使本系統(tǒng)具有對電能更加優(yōu)越的利用性能。

3.3 傳動裝置

考慮到健身單車發(fā)電系統(tǒng)的特點，本系統(tǒng)中選擇塔輪皮帶傳動方式。經(jīng)過實際檢測發(fā)現(xiàn)一般的健身者騎車的轉(zhuǎn)速為55-100r/min，而我們選擇的發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)速為1000-3000r/min，按照這個要求選擇傳動比；塔輪傳動屬于有級變速帶傳動裝置，其變速技術(shù)一般為3-5級。在軸上固定了若干個塔形皮帶輪，由于這些塔形皮帶輪的各級直徑有所不同，因此當軸的轉(zhuǎn)速保持不變時，可以通過調(diào)節(jié)塔輪上皮帶的位置達到三個不同級別的轉(zhuǎn)速比。

4.發(fā)電系統(tǒng)的可行性驗證

4.1 單車發(fā)電系統(tǒng)實驗過程

實驗時，由普通的成年人（其騎車速度為55-100r/min）踩動健身單車，單車后輪通過皮帶傳動帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。對單車踏板、后輪和發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間的傳動比進行檢測，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

從表1能夠看出，該系統(tǒng)在低速時，傳動比為l:2:2l，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為ll55-2100r/min；

中速時，傳動比為1:2.5:26.25，發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1457.5-2625r/min；高速時，傳動比為l:3:31.5，發(fā)電機轉(zhuǎn)速能達到1732.5-3150r/min。

4.2 發(fā)電機及整流濾波電路實驗分析

發(fā)電機輸出的脈動交流電，被整流濾波回路整流之后，變成脈動直流電，用示波器對發(fā)電機交流輸出端和整流濾波回路直流輸出分別進行測量，同時用萬用表測量各種轉(zhuǎn)速下的交流、直流電壓有效值，結(jié)果表明當健身單車轉(zhuǎn)動區(qū)域穩(wěn)定時，交流電壓和直流電壓也基本穩(wěn)定。

4.3 穩(wěn)壓斬波及逆變電路實驗分析

在普通成年人以55～100r/min的速度踩動單車時，永磁式發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)過整流濾波后輸出電壓在l3～14V范圍內(nèi)脈動的直流電，該脈動的直流電經(jīng)過穩(wěn)壓斬波電路后變成穩(wěn)定的直流電，該直流電經(jīng)過逆變器逆變之后，得到恒頻恒壓的正弦交流電，該交流電在沒有負載的情況下能夠穩(wěn)定在227-228V的水平，這就證明該系統(tǒng)輸出電能能夠滿足各種用電設(shè)備的需求。

5.總結(jié)

本文充分運用了電力電子電路原理、機械傳動等方面的相關(guān)理論，針對當前健身領(lǐng)域使用的健身單車的運轉(zhuǎn)特點，設(shè)計了基于電子控制電路的健身單車發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地利用健身者健身運動過程中消耗的人體肌能轉(zhuǎn)化而來的機械運動動能，采用永磁發(fā)電裝置及相關(guān)的控制電路發(fā)電供特定的用電設(shè)備使用，系統(tǒng)在保證良好的健身條件的同時，將健身者運動產(chǎn)生的動能充分利用，達到了節(jié)能減排的目的，文中對該方案的實驗驗證表明本系統(tǒng)具有很好的可行性。

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魏力（1970—），男，廣東梅州人，大學(xué)本科，主要研究方向：電子電氣、自動控制、計算機等領(lǐng)域的技術(shù)及應(yīng)用。