健身場(chǎng)所發(fā)電系統(tǒng)的研制及動(dòng)態(tài)分析

1、健身場(chǎng)所發(fā)電系統(tǒng)的研制及動(dòng)態(tài)分析段波 陳圣吉 蔡明明辛昊闊 徐金摘 要本課題研制了一套健身場(chǎng)所發(fā)電系統(tǒng)，利用人騎車時(shí)的機(jī)械功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行發(fā)電，從而向健身場(chǎng)所內(nèi)其他用電器供電。首先，針對(duì)健身環(huán)境、運(yùn)動(dòng)器械、人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，在理論上分析了各部件的特性，證明了該系統(tǒng)的可行性。然后，根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，實(shí)際制造了一套健身單車發(fā)電系統(tǒng)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)得各個(gè)部件運(yùn)行特性及輸出波形，與前面的理論分析吻合，從而用實(shí)踐證明了該系統(tǒng)的可行性。最后，提出系統(tǒng)成本估算和維護(hù)方法，為該系統(tǒng)更好的推廣奠定了基礎(chǔ)。本課題涉及到電機(jī)、電力電子、機(jī)械、物理等多個(gè)學(xué)科，

2、無(wú)論是理論上還是實(shí)踐上都是可行的，并有較好的經(jīng)濟(jì)效益與實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：健身發(fā)電，永磁發(fā)電機(jī)，電力電子，穩(wěn)壓穩(wěn)頻控制一、 緒論1.1 課題背景及意義隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，人類對(duì)能源的需求明顯增加，據(jù)專家預(yù)測(cè)，煤炭還可開(kāi)采221年，石油39年，天然氣只能用60年。由能源短缺而引發(fā)的電力緊缺問(wèn)題日益突出，2003-2004年的持續(xù)“電荒”、全國(guó)用電負(fù)荷同比增長(zhǎng)15.2，這些狀況都對(duì)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提出嚴(yán)峻考驗(yàn)。解決能源問(wèn)題，唯一的出路就是有計(jì)劃的利用常規(guī)能源、節(jié)約能源和開(kāi)發(fā)新能源。另一方面，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人民生活水平逐步提高，業(yè)余精神生活的充實(shí)和身心的健康發(fā)展受到人們的重視，越來(lái)越多的

3、人熱衷于健康投資，以豐富自己的閑暇生活。同時(shí)，人們的體育意識(shí)不斷增強(qiáng)，健身活動(dòng)全面普及，體育健身消費(fèi)已成為現(xiàn)代人生活消費(fèi)的重要組成部分，健身運(yùn)動(dòng)也漸漸走進(jìn)了普通百姓的生活，由此各類健身房應(yīng)運(yùn)而生。利用健身場(chǎng)所中人體消耗的能量發(fā)電以供健身房其他用電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這是健美瘦身、強(qiáng)健體魄的時(shí)尚生活方式與節(jié)能減耗、綠色環(huán)保時(shí)代主題的完美結(jié)合。在新能源的探索日新月異，節(jié)能產(chǎn)品層出不窮的今天，健身房發(fā)電無(wú)疑是具有規(guī)模開(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一，同時(shí)也是普通民眾從點(diǎn)滴做起，通過(guò)能源的二次利用變廢為寶的典范。在舉國(guó)上下為構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)而不懈奮斗的今天，健身房發(fā)電以降低運(yùn)營(yíng)成本為根本保障，開(kāi)發(fā)新能

4、源為最終目標(biāo)，具有廣闊的市場(chǎng)空間和深遠(yuǎn)的推廣意義。1.2 發(fā)展現(xiàn)狀健身器材發(fā)電技術(shù)在國(guó)外已有少量開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)例，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了以旋轉(zhuǎn)類運(yùn)動(dòng)器材為主的發(fā)電設(shè)備。2008年9月，美國(guó)出現(xiàn)了首家環(huán)保健身房，將會(huì)員們?cè)诮∩韱诬嚿袭a(chǎn)生的能量，存儲(chǔ)在一塊電池里，供健身房其他器械使用；英國(guó)倫敦一家夜總會(huì)舞池的地面能依據(jù)人們的動(dòng)作，將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為電能；在我國(guó)香港的加州健身房，最近也開(kāi)始利用會(huì)員運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能照明并為電池充電。在國(guó)內(nèi)，健身器材制造業(yè)起步晚，健身俱樂(lè)部所選用的健身器械和經(jīng)營(yíng)模式都較為傳統(tǒng)，經(jīng)營(yíng)者對(duì)新技術(shù)的關(guān)注嚴(yán)重匱乏，利用人力發(fā)電的健身器材的應(yīng)用實(shí)例更是鮮有耳聞。1.3 技術(shù)難點(diǎn)該技術(shù)由

5、于在以下幾方面的諸多不足在國(guó)內(nèi)外都未得到有效的利用和推廣。1、輸出控制電路不完善，導(dǎo)致無(wú)法輸出穩(wěn)定電能，電流時(shí)斷時(shí)續(xù)。2、現(xiàn)有產(chǎn)品為了達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定，要求健身器材的使用者所消耗的功率必須在一定的范圍內(nèi)，不能任意調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，因而不能廣泛適合各種人群。3、現(xiàn)有產(chǎn)品沒(méi)有對(duì)發(fā)電機(jī)、蓄電池、負(fù)載等設(shè)備的特性在理論上進(jìn)行分析，因而對(duì)發(fā)電過(guò)程中各種變量的變化趨勢(shì)無(wú)法準(zhǔn)確掌握。4、現(xiàn)有健身發(fā)電產(chǎn)品造價(jià)較高，效率較低，上千元的設(shè)備僅能發(fā)出幾百元的電，反而增加了健身房的營(yíng)運(yùn)成本。1.4 研究?jī)?nèi)容本課題就健身發(fā)電的幾個(gè)尚未得到完善的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了研究與解決：1、發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算。2、利用電力電子裝置實(shí)

6、現(xiàn)電壓頻率穩(wěn)定控制問(wèn)題。3、利用傳動(dòng)裝置的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的可調(diào)節(jié)性問(wèn)題。4、系統(tǒng)各部分的維護(hù)問(wèn)題。5、系統(tǒng)成本估算、市場(chǎng)分析、效益預(yù)測(cè)。二、系統(tǒng)組成及原理本章首先詳述了該設(shè)計(jì)需要考慮的各方面因素以及可能出現(xiàn)的困難，以此為設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)，擬定了兩套可行性較強(qiáng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。方案中明確地指出了健身發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)組成部件，并對(duì)每個(gè)部件需要達(dá)到的功效做出了整體規(guī)劃。2.1 考慮因素健身自行車發(fā)電是一種全新的嘗試，如何根據(jù)健身發(fā)電的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套合適的發(fā)電、用電系統(tǒng)，主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：1、功率效率：據(jù)調(diào)查，通常的成年人60分鐘騎車過(guò)程中的平均功率為150-180瓦。因此宜采用功率小、效率高的發(fā)

7、電機(jī)。2、轉(zhuǎn)速的不確定性：健身人群有性別、年齡、體力的差異，騎車的速度也不確定，而轉(zhuǎn)速越大，騎車時(shí)所受的阻力也越大，因此需要安裝可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的裝置。3、輸出穩(wěn)定性：即使是同一個(gè)人一直在騎，騎車的速度也不可能一直保持勻速，這樣就會(huì)導(dǎo)致電壓忽高忽低，因此需要穩(wěn)壓裝置。4、頻繁起停：健身房中的自行車不可能一直有人騎，即便是同一個(gè)人也有停的時(shí)候，因此要求發(fā)電機(jī)能適應(yīng)這種頻繁起停的狀態(tài)。5、發(fā)電用電平衡：電能的特點(diǎn)就是即發(fā)即用，騎車人較多時(shí)發(fā)電量大，會(huì)造成電能的浪費(fèi)；無(wú)人騎車時(shí)又會(huì)造成斷電，因此需要用蓄電池儲(chǔ)存一部分電能。6、工作環(huán)境：健身房中由于人體出汗且不經(jīng)常通風(fēng)，空氣濕度以及鹽堿含量較大，很容易銹蝕

8、發(fā)電機(jī)中的金屬部件，因此需要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。7、體積重量：健身房一般處于經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)地區(qū)，房?jī)r(jià)較貴且健身者對(duì)環(huán)境要求比較高，如果發(fā)電機(jī)占地面積過(guò)于龐大，則健身房不愿意安裝此設(shè)備。8、成本：一臺(tái)健身單車的價(jià)格在1000元-5000元不等，配置健身單車發(fā)電機(jī)的價(jià)格在100元-150元左右比較容易被接受，因此在選擇設(shè)備時(shí)經(jīng)濟(jì)性也是一個(gè)重要的考慮因素。2.2 工作原理根據(jù)以上幾點(diǎn)健身發(fā)電的特點(diǎn)考慮，提出兩種方案供選擇。兩種方案的工作原理框圖分別如圖1和圖2。方案一：交流發(fā)電機(jī)輸出電壓、頻率不穩(wěn)定的交流電，經(jīng)交流調(diào)壓和交交變頻電路變?yōu)殡妷?、頻率穩(wěn)定的交流電，供負(fù)荷用電和蓄電池充電。但是交交變頻電路只能

9、將工頻50Hz的交流電變?yōu)榭烧{(diào)頻率的交流電，而發(fā)電機(jī)輸出的是頻率不斷變化的交流電，因此方案一不可行。方案二：人蹬腳踏車，腳踏車的轉(zhuǎn)速較低，通過(guò)傳動(dòng)裝置，將轉(zhuǎn)速提高一定倍數(shù)，帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)發(fā)出電壓、頻率脈動(dòng)的三相交流電，經(jīng)過(guò)三相二極管整流橋整流變?yōu)殡妷好}動(dòng)的直流電。電壓脈動(dòng)的直流電輸出到直流穩(wěn)壓斬波器，PWM輸出控制器通過(guò)電壓反饋信號(hào)的輸入，來(lái)控制直流穩(wěn)壓斬波器開(kāi)關(guān)器件的占空比，保證最終輸出穩(wěn)定幅值的直流電壓。幅值穩(wěn)定的直流電通過(guò)逆變器變?yōu)殡妷?、頻率穩(wěn)定的交流電，供給指定的用電設(shè)備。當(dāng)指定的用電設(shè)備都正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)指定的用電設(shè)備沒(méi)達(dá)到正常運(yùn)行

10、狀態(tài)時(shí)，蓄電池向負(fù)載進(jìn)行放電。圖1 方案一系統(tǒng)工作原理框圖圖2 方案二系統(tǒng)工作原理框圖三、系統(tǒng)中各部分設(shè)備原理分析及參數(shù)選擇本章以第二章的系統(tǒng)原理框圖為依據(jù)，分別對(duì)發(fā)電機(jī)、電力電子控制電路、蓄電池和傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理和運(yùn)行特性進(jìn)行分析，通過(guò)各種類型的元器件之間工作性能的比較，確定了適合于本項(xiàng)設(shè)計(jì)的各器件類型和參數(shù)，并從理論上證明了參數(shù)選擇的可行性和合理性。3.1 發(fā)電機(jī)首先，如果采用電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，需要通入勵(lì)磁電流才能產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而切割磁感線進(jìn)行發(fā)電。一般并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)都從電網(wǎng)吸收電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。而健身單車發(fā)電機(jī)是單獨(dú)運(yùn)行的，要想得到初始勵(lì)磁電流只能通過(guò)蓄電池，如果蓄電池的電量恰好用完

11、，則電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)根本無(wú)法啟動(dòng)運(yùn)行。其次考慮到健身房中人流量大，生活雜物易進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部，造成勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)碳刷與滑環(huán)的接觸電阻增大，從而影響發(fā)電機(jī)的正常工作，而永磁發(fā)電機(jī)無(wú)滑環(huán)、無(wú)碳刷、定轉(zhuǎn)子氣隙大，特別適合于在此類環(huán)境下工作。因此宜采用永磁發(fā)電機(jī)。3.1.1 永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)JYWF永磁式交流發(fā)電機(jī)主要由轉(zhuǎn)子、定子、前后端益、軸承和皮帶輪等組成，如圖3所示1。圖3 JYWF交流發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.皮帶輪 2.前端蓋 3.轉(zhuǎn)子 4.定子線圈 5.機(jī)殼 6.引出導(dǎo)線 7.后端蓋 8.定子鐵芯由于三相永磁發(fā)電機(jī)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)2，因此適合作為健身發(fā)電的發(fā)電機(jī)。1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。2、體積小

12、、重量輕、比功率大、價(jià)格合理。3、中、低速發(fā)電性能好，轉(zhuǎn)換效率高。4、能顯著延長(zhǎng)蓄電池壽命，減少蓄電池維護(hù)工作。3.1.2 永磁發(fā)電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定根據(jù)人體騎車時(shí)消耗的功率和可承受的阻力，給出以下額定參數(shù)范圍供選擇：1、額定功率（瓦W）：人體騎車時(shí)消耗的功率約為150-500W，計(jì)及電機(jī)的損耗，因此發(fā)電機(jī)額定功率范圍為100-400W。2、額定電壓（伏V）：由于發(fā)電機(jī)輸出電壓就是電力電子控制電路的輸入電壓，發(fā)電機(jī)額定電壓選為器件工作電壓10-16V。3、額定轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分鐘r/min）：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，所產(chǎn)生的洛倫茲力越大，人要帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所要克服的阻力也就越大，為適應(yīng)人體的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，因此

13、選擇額定轉(zhuǎn)速的范圍為1000-3000r/min。根據(jù)以上額定參數(shù)數(shù)據(jù)，決定選用JYWF永磁式交流發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)采用永磁轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，采用電樞爪控制輸出電壓，具有較高的可靠性，在轉(zhuǎn)子3-4倍的轉(zhuǎn)速變化中，電壓基本不變。3.1.3 永磁發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性31、輸出特性永磁發(fā)電機(jī)的輸出特性是指當(dāng)負(fù)載一定，在機(jī)械力的拖動(dòng)下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)輸出電壓或電流的函數(shù)關(guān)系，即、。圖4 永磁發(fā)電機(jī)電勢(shì)相量圖由永磁發(fā)電機(jī)電勢(shì)相量圖，可以看出： 式中，空載時(shí)定子相繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；發(fā)電機(jī)A相端電壓；定子電流；定子每相繞組的電阻；電樞反應(yīng)電抗；電樞反應(yīng)漏電抗所帶負(fù)載。聯(lián)立上兩式可以得到：即幅值為： （1）相角為：注意

14、到定子相電阻通常很小可忽略，則永磁電機(jī)的短路電流： （2）式中為電樞反應(yīng)漏抗系數(shù)。對(duì)于永磁電機(jī)，的經(jīng)驗(yàn)取值范圍為1.11.4。式（1）與式（2）相除得：或用轉(zhuǎn)速表示： （3）或用電壓表示：根據(jù)式（2）、（3）可以繪出其輸出特性、，如圖5所示。圖5 永磁電機(jī)的輸出特性2、外特性永磁電機(jī)的外特性是在轉(zhuǎn)速恒定條件下，輸出電壓和電流的函數(shù)關(guān)系，即。由永磁發(fā)電機(jī)電勢(shì)相量圖，可以寫(xiě)出下列方程：或可以繪出其在3000r/min下永磁電機(jī)的外特性。圖6 永磁電機(jī)的外特性3、輸出功率三相永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出功率為：式中，m相數(shù)；功率因數(shù)。如果永磁電機(jī)的負(fù)載是純電阻性負(fù)載，因此=1，此時(shí) （4）根據(jù)永磁發(fā)電機(jī)電勢(shì)

15、相量圖，則：當(dāng)不計(jì)入定子內(nèi)阻時(shí)，有：或?qū)⑵浯胧剑?），得到：當(dāng)計(jì)入定子內(nèi)阻時(shí)，有：和將其代入式（4），得到：式中或稱為功率因數(shù)角，它的大小決定了輸出功率的大小。3.2 電力電子控制電路由于發(fā)電機(jī)提供的電源并不是理想的正弦波，電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)、波形畸變和瞬時(shí)停電等情況都可能使敏感設(shè)備停止運(yùn)行，甚至損壞設(shè)備中的元器件。因此需要電力電子電路對(duì)其進(jìn)行控制，以保證當(dāng)交流輸入電源發(fā)生異?；驍嚯姇r(shí)，還能繼續(xù)向負(fù)載供電，并能保證供電質(zhì)量，使負(fù)載供電不受影響4?；镜慕Y(jié)構(gòu)原理圖如圖7。圖7 電力電子控制電路基本結(jié)構(gòu)原理圖工作原理：發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電經(jīng)整流濾波裝置整流為直流，并用斬波器將電壓進(jìn)一步穩(wěn)定，再逆變?yōu)?/p>

16、50Hz恒頻恒壓的交流電，通過(guò)濾波器將穩(wěn)定的交流提供給負(fù)載。同時(shí)，斬波器輸出的直流電給蓄電池充電。由于蓄電池的存在，即使發(fā)電機(jī)停止發(fā)電后，蓄電池自動(dòng)代替發(fā)電機(jī)向逆變器供電，負(fù)載仍能得到恒頻恒壓交流電，因此從負(fù)載側(cè)看，用電不受供電電壓波動(dòng)的影響5。3.2.1 整流濾波電路由于系統(tǒng)中的蓄電池、逆變器電路均需要直流電，這就要求系統(tǒng)內(nèi)部必須有整流濾波電路。1、作用將交流電變換成直流電。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，二極管用理想模型來(lái)處理（即正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無(wú)窮大）。2、電路組成電路如圖8所示。圖中Tr為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓v1變成整流電路要求的交流電壓，RL是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流

17、二極管D1D4接成電橋的形式。電容C起平波作用6。圖8 整流濾波電路原理圖3、工作原理當(dāng)電源電壓v2的正半周（設(shè)a端為正，b端為負(fù)時(shí)是正半周）經(jīng)過(guò)整流電橋時(shí)D1和D3導(dǎo)通，v2通過(guò)D1和D3向電容器C充電；負(fù)半周經(jīng)過(guò)整流電橋時(shí)D2和D4導(dǎo)通，電容器C又經(jīng)RL放電。電容器C如此周而復(fù)始地進(jìn)行充放電，負(fù)載上使得到如圖9所示的一個(gè)近似鋸齒波的電壓，使負(fù)載電壓的波動(dòng)大為減小6。圖9 整流濾波電路工作波形圖4、分析與小結(jié)橋式整流濾波電路的優(yōu)點(diǎn)是電容電路簡(jiǎn)單，輸出電壓高，紋波電壓較小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時(shí)因電源變壓器在正、負(fù)半周內(nèi)都有電流供給負(fù)載，電源變壓器得到了充分的利用，效率較高7。3.

18、2.2 穩(wěn)壓斬波電路1、作用將電壓幅值在一定范圍內(nèi)變化的直流電通過(guò)周期性的斬波變?yōu)榉倒潭妷旱闹绷麟?。2、電路組成該電路由電流源、并聯(lián)開(kāi)關(guān)和電壓負(fù)載所構(gòu)成，如圖10所示。主電路由開(kāi)關(guān)管V，二極管D，較大的輸入濾波電感L和輸出濾波電容C組成。圖10 穩(wěn)壓斬波電路原理圖3、工作原理假設(shè)電路中電感和電容值都很大。當(dāng)V處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電源E向電感L充電，充電電流基本恒定為I1，同時(shí)電容C上的電壓向負(fù)載R供電，因C值很大，基本保持輸出電壓U0為恒值，記為U0。當(dāng)V處于通態(tài)時(shí)E的能量積蓄在電感L上。當(dāng)V處于斷態(tài)時(shí)E和L共同向電容C充電，并向負(fù)載及提供能量。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，一個(gè)周期T中電感L積蓄的能

19、量與釋放的能量相等9。圖11 穩(wěn)壓斬波電路工作波形圖4、分析與小結(jié)電容器C可減小輸出電壓中的紋波。C的儲(chǔ)能能力越大，對(duì)減小紋波和維持供電越有利。在穩(wěn)壓斬波電路的分析中認(rèn)為V處于通態(tài)期間因電容C的作用使得輸出電壓U0不變，但實(shí)際上C值不可能為無(wú)窮大，U0必然會(huì)有所下降。而且斬波器對(duì)輸入電壓的變化范圍也有一定的要求9。3.2.3 逆變電路1、作用將發(fā)電機(jī)整流所得的直流電壓或蓄電池電壓轉(zhuǎn)換成正弦脈寬調(diào)制的交流電壓，供普通用電器使用10。2、電路組成全橋逆變電路由兩個(gè)半橋電路組合而成，如圖12所示。電路有四個(gè)橋臂兩兩一組，每個(gè)橋臂由一個(gè)可控器件和一個(gè)反并聯(lián)二極管組成。輸入端有較大的電容，負(fù)載聯(lián)結(jié)在四個(gè)

20、橋臂之間。圖12 逆變電路原理圖3、工作原理t1時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)反向，V4截止，而因負(fù)載電感中的電流i0不能突變，V3不能立刻導(dǎo)通，VD3導(dǎo)通續(xù)流。因?yàn)閂1和VD3同時(shí)導(dǎo)通，所以輸出電壓為零。到t2時(shí)刻V1和V2柵極信號(hào)反向，V1截止，而V2不能立刻導(dǎo)通，VD2導(dǎo)通續(xù)流，和VD3構(gòu)成電流通道，U0為Ud。到負(fù)載電流反向時(shí)，VD2和VD3截止V2和V3導(dǎo)通，輸出電壓仍為Ud。t3時(shí)刻V3和V4柵極信號(hào)再次反向，V3截止，V4不能立刻導(dǎo)通，VD4導(dǎo)通續(xù)流，U0再次為0。以后的過(guò)程和前面類似11。圖13 逆變電路工作波形圖4、分析與小結(jié)全橋逆變電路所產(chǎn)生的電壓幅值是半橋逆變電路的2倍。能更好的

21、利用能量11。3.3 蓄電池通過(guò)對(duì)多種蓄電池性能的比較，本課題中選用免維護(hù)鉛酸蓄電池作為電能的儲(chǔ)能裝置。免維護(hù)蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍12。因此適宜作為健身發(fā)電的儲(chǔ)能裝置。3.3.1 免維護(hù)鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)和組成免維護(hù)蓄電池是由正負(fù)極板、隔板、殼體、電解液和接線樁頭等組成，其放電的化學(xué)反應(yīng)是依靠正極板活性物質(zhì)(二氧化鉛和鉛)和負(fù)極板活性物質(zhì)(海綿狀純鉛)在電解液(稀硫酸溶液)的作用下進(jìn)行，其中極板的柵架是用鉛鈣合金制造。因此可以避免完全充電后的蓄電池的反電動(dòng)勢(shì)

22、，減少過(guò)充電流，液體氣化速度減低，從而減低了電解液的損失13。圖14 免維護(hù)鉛酸蓄電池結(jié)構(gòu)示意圖3.3.2 免維護(hù)鉛酸蓄電池的放充電1、放電終止電壓：電池不宜放電至低于預(yù)定的終止電壓，否則將導(dǎo)致過(guò)放電，而反復(fù)的過(guò)放電則會(huì)導(dǎo)致容量難以恢復(fù)，為達(dá)到最好的工作效率和最長(zhǎng)的使用壽命，放電應(yīng)在0.05-3c之間。2、放電容量：放電容量與放電電流的關(guān)系：圖15為電池在不同放電率條件下放出的容量，從圖中可看出，放電倍率越大，電池所能放出的容量越小。圖15 電池放電曲線溫度作用：電池容量亦受溫度的影響，過(guò)低溫度則會(huì)降低有效容量，過(guò)高溫度則會(huì)導(dǎo)致熱失控并損害電池，如圖16所示。圖16 溫度與放電容量的關(guān)系3、循

23、環(huán)充電：充電電壓2.4V/單格，最大充電電流不得大于0.25CA，如圖17所示。圖17 電池完全放電后的曲線3.3.3 免維護(hù)鉛酸蓄電池的使用壽命1、影響電池使用壽命的主要因素：重復(fù)的深放電；外界溫度過(guò)高；過(guò)充電；過(guò)大的充電電流；當(dāng)充好電后電池長(zhǎng)期擱置。2、循環(huán)使用壽命：電池循環(huán)使用時(shí)放電、充電為一個(gè)循環(huán)，電池循環(huán)壽命與電池的放電深度，電池周圍環(huán)境和充電方法有密切關(guān)系14，如圖18所示。圖18 電池循環(huán)壽命曲線圖3.4 傳動(dòng)裝置傳動(dòng)裝置的種類有皮帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)。相較齒輪傳動(dòng)，皮帶傳動(dòng)有噪聲小、效率高、彈性好、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合健身發(fā)電的特點(diǎn)，選擇皮帶作為傳動(dòng)裝置；根據(jù)普通成年人騎車的轉(zhuǎn)速和

24、發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速確定傳動(dòng)比范圍；根據(jù)健身單車后輪的輪胎寬度和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的寬度深度確定皮帶輪的直徑。并采用塔輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速可調(diào)功能。3.4.1 皮帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)皮帶傳動(dòng)是利用皮帶跟皮帶輪的表面或輪槽之間的摩擦力來(lái)傳動(dòng)動(dòng)力的。裝在健身單車后輪上的皮帶輪叫做主動(dòng)輪，裝在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的皮帶輪叫做從動(dòng)輪15。經(jīng)實(shí)際測(cè)得普通成年人騎車的轉(zhuǎn)速約為55-120r/min，而發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000-3000r/min，據(jù)此范圍確定傳動(dòng)比；根據(jù)健身單車后輪的輪胎寬度和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的寬度深度確定皮帶輪的直徑。設(shè)計(jì)方案如圖19-圖22所示。圖19 傳動(dòng)裝置裝配圖圖20 傳動(dòng)裝置主視圖圖21 傳動(dòng)裝置俯視圖圖22 傳動(dòng)裝置剖面

25、圖3.4.2 塔輪變速機(jī)構(gòu)塔輪傳動(dòng)是一種有級(jí)變速的帶傳動(dòng)，通過(guò)不同直徑齒輪的配比實(shí)現(xiàn)3-5級(jí)的變速，結(jié)構(gòu)如圖23所示。由于它傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、對(duì)軸的安裝精度要求不高，所以常用在傳遞功率不大，不需經(jīng)常變速的場(chǎng)合16。圖23 塔輪變速機(jī)構(gòu)四、自行車發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析本章在第3章的理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造出一套健身單車發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)轉(zhuǎn)速、輸出電壓、輸出功率等進(jìn)行了測(cè)試，得出了預(yù)期的比較滿意的效果，從而驗(yàn)證了健身單車發(fā)電系統(tǒng)的可行性。本章按照該系統(tǒng)能量流動(dòng)的順序進(jìn)行介紹。圖24 自行車發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物圖1. 永磁發(fā)電機(jī) 2.整流橋 3.濾波電路 4.穩(wěn)壓斬波電路 5.逆變器 6.負(fù)載根據(jù)理論

26、設(shè)計(jì)如圖24連接實(shí)物，并對(duì)各部分性能進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試及分析。4.1 傳動(dòng)裝置實(shí)驗(yàn)分析健身單車以及傳動(dòng)裝置的實(shí)物連接圖如圖25所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)，人腳踩單車踏板，通過(guò)傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)高、中、低三檔變速并帶動(dòng)單車的后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，后輪通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得單車踏板、后輪、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比例如表1所示。圖25 傳動(dòng)裝置實(shí)物連接圖表1 傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)速比踏板后輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子低速檔1221中速檔12.526.25高速檔1331.5由表1可知，實(shí)驗(yàn)所用自行車發(fā)電裝置中，踏板與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的傳動(dòng)比為1：21-1：31.5之間，基本符合普通成人騎車55-120r/min的速度，以及滿足發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1000-25

27、00r/min的設(shè)計(jì)要求。4.2 發(fā)電機(jī)及整流濾波電路實(shí)驗(yàn)分析發(fā)電機(jī)及整流濾波電路實(shí)物連接圖如圖26所示。永磁發(fā)電機(jī)輸出的脈動(dòng)交流電經(jīng)過(guò)整流濾波電路變?yōu)槊}動(dòng)的直流電，用示波器測(cè)量發(fā)電機(jī)輸出的交流波形于濾波整流后的直流輸出電壓波形，結(jié)果如圖28所示。用萬(wàn)用表測(cè)量不同轉(zhuǎn)速下的交流、直流電壓的有效值，得出轉(zhuǎn)速與電壓的關(guān)系曲線，結(jié)果如圖27所示。圖26 發(fā)電機(jī)及整流濾波電路實(shí)物連接圖1.發(fā)電機(jī) 2.整流濾波電路 3.電阻 4.電容器 5.測(cè)交流電壓萬(wàn)用表 6.測(cè)直流電壓萬(wàn)用表7.示波器 8.示波器輸入信號(hào)1:交流電壓 9.示波器輸入信號(hào)2:直流電壓10.經(jīng)整流濾波電路輸出的直流電表2 踏板轉(zhuǎn)速與輸出電

28、壓的數(shù)值關(guān)系踏板圈數(shù)(r/min)交流電壓平均值(V)直流電壓平均值(V)606.45916.2200727.75877.831309010.132010.674010111.077811.714311212.327913.314215014.132015.6860圖27 踏板轉(zhuǎn)速與輸出電壓的關(guān)系曲線由表2的測(cè)量數(shù)據(jù)和圖27的電壓變化關(guān)系可以看出，當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓與轉(zhuǎn)速基本呈線性關(guān)系，與第3章的理論分析一致。交流電壓在6-14V之間隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，而相應(yīng)的直流電壓也基本保持在6-15V，符合斬波器技術(shù)參數(shù)的要求。示波器中交直流電壓波形如圖28所示。圖28

29、輸出交流和直流電壓波形（1）交流電壓（2）直流電壓4.3 穩(wěn)壓斬波及逆變電路實(shí)驗(yàn)分析穩(wěn)壓斬波電路實(shí)物連接圖如圖29所示。電壓脈動(dòng)的直流電，經(jīng)穩(wěn)壓斬波電路輸出電壓穩(wěn)定的直流電，用萬(wàn)用表測(cè)得直流電壓數(shù)值如表3所示。圖29 穩(wěn)壓斬波電路實(shí)物連接圖1.信號(hào)發(fā)生器 2.輸出信號(hào) 3.穩(wěn)壓穩(wěn)流電源 4.直流輸出電壓 5.穩(wěn)壓斬波器 6.直流輸入電壓經(jīng)穩(wěn)壓斬波電路輸出的電壓穩(wěn)定的直流電，再輸入逆變器，得到電壓幅值、頻率一定的交流電。逆變器實(shí)物連接圖如圖30所示。用萬(wàn)用表測(cè)得交流電壓數(shù)值如表3所示。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)穩(wěn)壓斬波電路輸出結(jié)果，選取匹配的逆變器技術(shù)參數(shù)如下：輸出電壓：220V，頻率：502Hz，波形：方波輸

30、入電壓10-15V欠壓報(bào)警：10.4-11.0V，低壓關(guān)斷：9.7-10.3V，過(guò)壓關(guān)斷：14.5-15.5V空載消耗：12V輸入，空載電流：90% 123圖30 逆變電路實(shí)物連接圖1.逆變器 2.直流輸入端 3.交流輸出端1、將穩(wěn)壓斬波及逆變器接入電路后，以實(shí)驗(yàn)者100-120r/min的速度帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，經(jīng)整流濾波電路產(chǎn)生13-14V的直流電壓，經(jīng)穩(wěn)壓斬波及逆變電路后，空載時(shí)輸出電壓穩(wěn)定在227-228V。穩(wěn)壓斬波及逆變器直流輸入電壓與交流輸出電壓的數(shù)值如表3所示，曲線如圖31所示。表3 穩(wěn)壓斬波及逆變電路直流輸入電壓與交流輸出電壓關(guān)系時(shí)間(s)電壓(V)123456789101112直流電

31、壓14.1614.2214.1513.8313.1312.9513.0313.0113.1812.3113.0713.02交流電壓228.7228.7228.6228.6228.4228.4228.3228.2228.4228.2228.2228.4圖31 穩(wěn)壓斬波及逆變電路直流輸入電壓與交流輸出電壓關(guān)系曲線2、接入負(fù)載后，實(shí)驗(yàn)者在正常轉(zhuǎn)速下，輸出功率為120W-180W，可以使功率為150W的燈泡穩(wěn)定工作。工作情況如圖32所示。圖32 系統(tǒng)帶負(fù)載工作情況五、市場(chǎng)分析與經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)健身發(fā)電系統(tǒng)的適應(yīng)范圍及推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明在本章集中體現(xiàn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有行業(yè)市場(chǎng)和政策導(dǎo)向的綜合分析，對(duì)該產(chǎn)品可能產(chǎn)

32、生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了客觀的預(yù)測(cè)，反映了該設(shè)計(jì)廣闊的市場(chǎng)空間。5.1 行業(yè)市場(chǎng)分析與預(yù)測(cè)5.1.1 行業(yè)市場(chǎng)分析1、行業(yè)市場(chǎng)情況目前，中國(guó)的大中城市中進(jìn)入健身房的健身人口都在1200萬(wàn)人左右，隨著經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)，擁有巨大的潛在健身人群的中國(guó)健身產(chǎn)業(yè)擁有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2002年經(jīng)營(yíng)性健身服務(wù)場(chǎng)所比1999年增長(zhǎng)了302.81%17。另?yè)?jù)CTR數(shù)據(jù)顯示：2006-2007年中國(guó)健身房增長(zhǎng)量已超過(guò)了15%。奧運(yùn)會(huì)的到來(lái)，將使這一數(shù)據(jù)得到更快的增長(zhǎng)18。表4 2005-2006年中國(guó)各大城市健身房增長(zhǎng)情況排名城市健身房數(shù)量200520061北京3433532上海1441713深圳45694

33、廣州39565武漢5155注數(shù)據(jù)來(lái)源：AASFP 2006年中國(guó)城市俱樂(lè)部數(shù)目統(tǒng)計(jì)排名前五的城市2、政策背景1995年，我國(guó)制定全民健身計(jì)劃綱要，提出“初步建成面向群眾性的多元化的體育服務(wù)體系，是實(shí)施計(jì)劃的主要任務(wù)之一，健身房是構(gòu)建全民健身服務(wù)體系的重要組成部分”。另外，中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)和改進(jìn)新時(shí)期體育工作的意見(jiàn)中也明確指出：“群眾性體育以社會(huì)興辦為主，引導(dǎo)群眾體育消費(fèi)，培養(yǎng)體育市場(chǎng)，建立多元化投資的經(jīng)營(yíng)實(shí)體。健身房正是典型的面向大眾的健身服務(wù)的經(jīng)營(yíng)實(shí)體?！痹谥T多有利政策的鼓勵(lì)下，健身房正以空前的速度蓬勃發(fā)展19。5.1.2 行業(yè)市場(chǎng)預(yù)測(cè)圖33 2005-2010年北京地區(qū)健身房與

34、健身人口增長(zhǎng)情況據(jù)預(yù)測(cè)顯示，北京地區(qū)健身房以每年近20%的速度膨脹，而健身人口以每年近40%的速度高速增長(zhǎng)20，而奧運(yùn)會(huì)后這一趨勢(shì)將更加顯著18。5.2 經(jīng)濟(jì)效益分析1、成本分析我們以40輛健身車為例。表5 發(fā)電系統(tǒng)成本發(fā)電機(jī)傳動(dòng)皮帶支架電力電子配件蓄電池逆變器斬波器數(shù)量（個(gè)）40404040111單價(jià)（元）5084010200120200總價(jià)（元）4840均價(jià)（元）1212、發(fā)電量分析根據(jù)在數(shù)據(jù)測(cè)試部分的發(fā)電量顯示，我們的裝置發(fā)電量能達(dá)到150W。按照健身單車平均每天工作時(shí)間3小時(shí)計(jì)算，以下是基于此數(shù)據(jù)做的發(fā)電總量的分析17。表6 健身單車日/年發(fā)電量發(fā)電裝置數(shù)量（套）發(fā)電量（瓦）發(fā)電時(shí)間（

35、小時(shí)）401503每天發(fā)電量（千瓦時(shí)）18每年發(fā)電量（千瓦時(shí)）6570表7 北京市電網(wǎng)峰谷分時(shí)銷售電價(jià)表21單位:元/千瓦時(shí) 用電類型電壓等級(jí)高峰（元/千瓦時(shí)）平段（元/千瓦時(shí)）低谷（元/千瓦時(shí)）商業(yè)用電不滿1千伏1.15150.76250.39651-10千伏1.13950.75250.387535千伏及以上1.13850.75250.3875由于健身房的高峰在530到900，而在這段時(shí)間的電價(jià)主要按照高峰和平段來(lái)實(shí)行。所以我們把電價(jià)定為0.9元/千瓦時(shí)。日收益：180.9=16.2（元）年收益：65700.9=5913（元）成本回收期：484016.2=298.77天由以上分析可知，一個(gè)普

36、通健身房可通過(guò)安裝本發(fā)電裝置每年節(jié)約用電量6570千瓦時(shí)，從而節(jié)約成本5913元，可在試運(yùn)營(yíng)的298.77天內(nèi)收回發(fā)電系統(tǒng)成本。此后，不但可通過(guò)節(jié)約用電量而減少健身房的運(yùn)營(yíng)成本，更能通過(guò)資源的二次利用，為節(jié)能減排、綠色環(huán)保貢獻(xiàn)自己的力量。六、系統(tǒng)的安裝與維護(hù)本章簡(jiǎn)要說(shuō)明了本系統(tǒng)在安裝中的注意事項(xiàng)以及運(yùn)行后的長(zhǎng)期維護(hù)原則，正確的安裝和合理的維護(hù)是延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命、提升系統(tǒng)效率以及增加經(jīng)濟(jì)收益的重要途徑。6.1 永磁發(fā)電機(jī)的安裝與維護(hù)1、拆裝發(fā)電機(jī)，禁止用錘子敲打，避免轉(zhuǎn)子永磁體退磁。2、拆下的永磁轉(zhuǎn)子，應(yīng)用軟薄鋼片或鐵皮包住，以免轉(zhuǎn)子退磁。3、將軸承中的臟潤(rùn)滑油清洗干凈，并加入新鮮的鈣基潤(rùn)滑脂。加入

37、量為軸承腔的三分之二，過(guò)少影響潤(rùn)滑；過(guò)多又不利于散熱。4、清除黏附在轉(zhuǎn)子、定子上的灰塵和油污雜物。6.2 傳動(dòng)裝置的維護(hù)1、皮帶上如粘有油污，在使用中會(huì)產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)停車用干凈棉紗擦凈油污。2、皮帶經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的使用以后，就會(huì)被拉長(zhǎng)，不能正常的傳遞動(dòng)力。因此，必須經(jīng)常檢查，必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整。檢查時(shí)，在主、被動(dòng)輪之間用四只手指按壓皮帶，若下降為20-30毫米，則說(shuō)明松緊度合適，否則應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整時(shí)，須先旋松發(fā)動(dòng)機(jī)橫架上四只固定螺母，如皮帶過(guò)松就旋緊機(jī)架前面的兩只調(diào)整螺栓使發(fā)動(dòng)機(jī)沿機(jī)架向前移動(dòng)，使皮帶由松變緊；如果皮帶過(guò)緊，須旋松機(jī)架前面的兩只調(diào)整螺釘，再將發(fā)動(dòng)機(jī)向后移動(dòng)，直至適合為止。七、

38、總結(jié)與展望在科學(xué)發(fā)展觀和構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)的思想指導(dǎo)下，我們開(kāi)發(fā)研制了一套發(fā)電裝置，它利用健身場(chǎng)所中人帶動(dòng)健身器材發(fā)電以供健身房其他用電設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本課題利用人騎車時(shí)的機(jī)械功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行發(fā)電，從而向健身場(chǎng)所內(nèi)其他用電器供電。首先，理論研究階段。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，證明了該系統(tǒng)的可行性。其次，實(shí)驗(yàn)分析階段。