綠色健身房發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

班玉鵬 黃 強(qiáng) 王飄馨 劉穎超

（邵陽學(xué)院多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽 422000）

綠色健身房發(fā)電裝置設(shè)計(jì)

班玉鵬 黃 強(qiáng) 王飄馨 劉穎超

（邵陽學(xué)院多電源地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行與控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 邵陽 422000）

本文結(jié)合現(xiàn)有健身房發(fā)電裝置普遍存在的不足，以實(shí)用性好、噪聲低、成本小、發(fā)電效率高為目標(biāo)，改善現(xiàn)有市場的健身房發(fā)電裝置，研制了新的綠色健身房發(fā)電裝置，并且對(duì)發(fā)電、傳輸、儲(chǔ)存部分進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綠色健身房；發(fā)電裝置；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 研究背景

隨著生活水平的不斷提高，人們的健身、環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)。如果將健身與環(huán)保結(jié)合起來，將人們在健身運(yùn)動(dòng)過程中消耗的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并進(jìn)行儲(chǔ)存與利用，既解決了人們在運(yùn)動(dòng)過程中所攜帶電子產(chǎn)品電量不足的問題，也為健身房內(nèi)或者家庭用電設(shè)備提供了電能。

健身房發(fā)電裝置的原理是利用人的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)能量轉(zhuǎn)換傳動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)，再通過增速器提高轉(zhuǎn)速促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。

該設(shè)計(jì)通過分析現(xiàn)有健身房發(fā)電裝置的不足，設(shè)計(jì)制作新的綠色健身房發(fā)電裝置，以改善現(xiàn)有健身房發(fā)電裝置的不足之處：

①利用電力電子技術(shù)設(shè)計(jì)制作高效的控制電路解決電壓電流不穩(wěn)定的問題；

②自主設(shè)計(jì)制作新型的傳動(dòng)裝置以提高和實(shí)現(xiàn)健身器材使用強(qiáng)度得可調(diào)性，以解決現(xiàn)有發(fā)電系統(tǒng)的局限性，能廣泛適用以各種人群；

③根據(jù)該套健身房發(fā)電裝置的成本的估算、市場的分析、效益的預(yù)測等方面的分析，選擇高性能、經(jīng)濟(jì)型的制作材料，解決造價(jià)高、發(fā)電效率低的問題。

2 綠色健身房發(fā)電裝置總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)方案一（如圖1）：采用永磁交流同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，但永磁交流同步發(fā)電機(jī)輸出的電壓、電流和頻率較難調(diào)整，需要經(jīng)過三相二級(jí)整流電路、AC-DC轉(zhuǎn)換電路和可調(diào)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓穩(wěn)頻對(duì)電流進(jìn)行處理，才能供給負(fù)載用電和蓄電池充電［1］。交流電壓三相二級(jí)管整流電路具有局限性，僅能將工作頻率為50HZ左右的交流電轉(zhuǎn)化為固定頻率的交流電。而健身房發(fā)電裝置產(chǎn)生的是不斷改變頻率的交流電。因此設(shè)計(jì)方案一不可行。

設(shè)計(jì)方案二（如圖2）：采用的是稀土永磁無刷直流發(fā)電機(jī)。當(dāng)人在使用健身器材拉動(dòng)傳動(dòng)裝置時(shí)，帶動(dòng)稀土永磁無刷直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線發(fā)電，再將電流通入到可調(diào)穩(wěn)壓電路中，將大于或者小于電瓶電壓的電流轉(zhuǎn)換成和電瓶一樣的電壓。最后通到電瓶保護(hù)電路給電瓶充電或者DC-AC逆變升壓電路逆變升壓電流供電給用電設(shè)備。因此，設(shè)計(jì)方案二可行。

圖1 方案系統(tǒng)裝置工作原理框圖

圖2 方案二系統(tǒng)裝置工作原理框圖

3 系統(tǒng)各部分裝置的原理及分析的參數(shù)

3.1 健身房發(fā)電機(jī)

3.1.1 健身房發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。健身房發(fā)電機(jī)采用的是稀土永磁無刷直流發(fā)電機(jī)，其主要由傳動(dòng)帶輪、轉(zhuǎn)子、前向端封蓋等組成，具有結(jié)構(gòu)如圖3所示。

采用稀土永磁無刷直流發(fā)電機(jī)的原因主要有兩方面。①稀土永磁無刷直流發(fā)電機(jī)是一個(gè)獨(dú)立體，發(fā)電時(shí)不需要外加電流產(chǎn)生磁場。②考慮到健身房內(nèi)的人流量比較大，灰塵雜物等容易進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部。而稀土永磁發(fā)電機(jī)是氣隙大、定轉(zhuǎn)子、無碳刷和無滑環(huán)的發(fā)電機(jī)，適用于該類工作環(huán)境。此外，稀土永磁發(fā)電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、價(jià)格不高、易維護(hù)等特點(diǎn)。

圖3 稀土永磁無刷直流發(fā)電機(jī)

3.1.2 發(fā)電機(jī)的輸出特性。

發(fā)電機(jī)輸出特性是指當(dāng)輸出電路的電壓值變化相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子在傳動(dòng)裝置的帶動(dòng)下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度變化與輸出電流和電壓是函數(shù)關(guān)系，得Ua、Ia=f(n)。

從永磁無刷直流發(fā)電機(jī)的向量圖（見圖4）。

圖4 永磁無刷直流發(fā)電機(jī)的向量圖

式（1）中，E0表示感應(yīng)電動(dòng)勢；Ua表示發(fā)電機(jī)的前端電壓；Ia表示發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生電流；Ra表示負(fù)載；Xa表示電樞反應(yīng)的電抗；Xδ表示電樞反應(yīng)的漏電抗；RL表示轉(zhuǎn)子繞組電阻。

根據(jù)上兩式子可得出：

轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為：

電壓隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速的關(guān)系函數(shù)表示為：

3.2 電力電子電路的設(shè)計(jì)及制作

3.2.1 DC-DC可調(diào)降壓穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)及制作。DC-DC可調(diào)降壓穩(wěn)壓電路可以應(yīng)用在輸入電壓高于輸出電壓的降壓領(lǐng)域，如蓄電池、電源變壓器、DIY可調(diào)穩(wěn)壓電源、24V車載筆計(jì)本電源、工業(yè)設(shè)備降壓、12V轉(zhuǎn)3.3V、12V轉(zhuǎn)5V、24V轉(zhuǎn)5V、24V轉(zhuǎn)12V、36V轉(zhuǎn)24V等。

該DC-DC可調(diào)降壓穩(wěn)壓電路具有以下特點(diǎn)。

①該電路中帶電壓表顯示且電壓表可自行校準(zhǔn)。采用了較先進(jìn)的電壓微處理器，電壓表誤差在±0.05V，量程0～40V；

②具有按鍵切換輸入端、輸出端電壓測量的功能，每一端有LED燈測量那一端的電壓，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用；

③轉(zhuǎn)換效率高，平均在90%；

④具有自我保護(hù)功能：帶反接保護(hù)，反接不燒；過熱保護(hù)和短路保護(hù)的功能。

3.2.2 蓄電池充放電保護(hù)電路的設(shè)計(jì)及制作。該電路是由兩個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、一個(gè)可控制IC（N1）和一些電阻電容元件組成。控制IC負(fù)責(zé)測量電池電壓與回路電流，并控制兩個(gè)場效應(yīng)晶體管的柵極。場效應(yīng)晶體管在電路中起開關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C3為延時(shí)電容，該電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能。

3.2.3 DC-DC降壓電路的設(shè)計(jì)及制作。圖5為DCDC降壓電路原理圖，該電路簡化了典型的DC-DC降壓電路，且設(shè)計(jì)有過流過載短路保護(hù)功能。當(dāng)負(fù)載過載或者短路時(shí)，Q1的集電極電流大增，而Q1的發(fā)射極電阻R1會(huì)產(chǎn)生較高的壓降，這個(gè)過載或者短路產(chǎn)生的高電壓會(huì)經(jīng)過R3讓Q2飽和導(dǎo)通，從而使Q1截止停止輸出防止過載損壞。因此，改變R1的大小，可以改變負(fù)載能力，如果要求輸出電流小，如只需要輸出5V100MA，可以將R1阻值改大。當(dāng)然，如果需要輸出5V500MA的話，就需要將R1適當(dāng)改小。

圖5 DC-DC降壓電路原理圖

該DC-DC降壓電路的特點(diǎn)為：

①該電路設(shè)計(jì)不需要電解電容，采用的是現(xiàn)在高端電路上用的大尺寸固態(tài)陶瓷電容MCC；

②紋波非常低，12V轉(zhuǎn)5V、3A只有10mV左右，很多紋波都達(dá)到500mV或更大，對(duì)設(shè)備會(huì)造成一種無形的傷害；

③采用同步整流，電路轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到97.5%；

④輸入帶有反接保護(hù)二極管，并且采用USB識(shí)別電路。

3.2.4 DC-AC升壓逆變電路的設(shè)計(jì)及制作。

該DC-AC升壓逆變電路（見圖6）可將8～13V蓄電池的直流電轉(zhuǎn)成家用的220V交流電能。采用的是兩組基波為工頻的正弦正向半波和負(fù)相半波的半波形成電路。連接在逆變電路輸出端且通過與逆變電路的功率MOSFET的漏源之間寄生電容產(chǎn)生諧振來將接入高頻低壓的PWM電壓脈沖電磁耦合成基波為工頻的高壓高頻電壓的變壓器電路；連接在變壓電路的輸出端且包含高速二極管和第一電解電容，以便將接入的高壓高頻電壓整流和濾波后得到基波為工頻的半波的濾波電路，其中，半波為正弦波或方波。

圖6 DC-AC升壓逆變電路原理圖

4 設(shè)計(jì)制作與調(diào)試結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案二設(shè)計(jì)制作一套綠色健身房發(fā)電裝置，并對(duì)轉(zhuǎn)速、產(chǎn)生的電壓、輸出功率等進(jìn)行測試，得到的結(jié)果較為滿意，從而驗(yàn)證了綠色健身房的發(fā)電裝置可行（見圖7）。

圖7 健身房發(fā)電裝置實(shí)物圖

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過對(duì)傳動(dòng)裝置的改造實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子三檔（高、中、低）變速。經(jīng)實(shí)踐分析得到傳輸帶、中軸、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比例如圖8所示。

圖8 踏板轉(zhuǎn)速與輸出電壓的關(guān)系曲線

5 結(jié)論

在科學(xué)發(fā)展觀和構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)思想的指導(dǎo)下，筆者研制了一套健身房發(fā)電裝置，其利用健身場所中人帶動(dòng)健身器材發(fā)電以使健身房其他用電設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

結(jié)合健身環(huán)境、運(yùn)動(dòng)器械、人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?？紤]到人體運(yùn)動(dòng)的功率特點(diǎn)、轉(zhuǎn)速不確定、頻繁起停等特點(diǎn)，選擇適當(dāng)?shù)陌l(fā)電機(jī)和傳動(dòng)裝置；為保證輸出電壓的穩(wěn)定性，采用由整流濾波、穩(wěn)壓斬波和逆變電路組成的電力電子控制電路進(jìn)行穩(wěn)壓控制；為避免電能的浪費(fèi)，在系統(tǒng)中加入蓄電池儲(chǔ)存一部分電能。在理論上分析了各部件的運(yùn)行特性，選擇各個(gè)環(huán)節(jié)參數(shù)使其輸入輸出匹配，證實(shí)該裝置的可行性。

［1］鄭文偉.機(jī)械原理［M］.7版.北京：高等教育出版社，2009.

The Green Gym is Designed for Generating Electricity

Ban Yupeng Huang Qiang Wang Piaoxin Liu Yingchao
（Hunan Provincial Key Laboratory of Grids Operation and Control on Multi-Power Sources Area,Shaoyang University，Shaoyang Hunan 422000）

Combining with the shortcomings of existing gym power device,practical,low noise,low cost,high power generation efficiency targets,improving the existing gym power device market,developing new green gym power devices,and power generation,transmission,and storage optimization part accordingly.

green gym；power generation device；optimal design

TS952

A

1003-5168（2017）12-0128-03

2017-11-01

湖南省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016TP1023）；2017年湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性試驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（湘教通［2017］627號(hào)）。

班玉鵬（1995-），男，本科，研究方向：智能儀器的設(shè)計(jì)及制造。

黃強(qiáng)（1985-），男，碩士，講師，研究方向：智能控制。