绿色健身房发电装置设计

绿色健身房发电装置设计
班玉鹏;黄强;王飘馨;刘颖超
【摘要】本文结合现有健身房发电装置普遍存在的不足,以实用性好、噪声低、成本小、发电效率高为目标,改善现有市场的健身房发电装置,研制了新的绿色健身房发电装置,并且对发电、传输、储存部分进行相应的优化设计.
【期刊名称】《河南科技》
【年(卷),期】2017(000)023
【总页数】3页(P128-130)
【关键词】绿色健身房;发电装置;优化设计
【作者】班玉鹏;黄强;王飘馨;刘颖超
【作者单位】邵阳学院多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南邵阳422000;邵阳学院多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南邵阳422000;邵阳学院多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南邵阳422000;邵阳学院多电源地区电网运行与控制湖南省重点实验室,湖南邵阳422000
【正文语种】中文
【中图分类】TS952
随着生活水平的不断提高，人们的健身、环保意识不断增强。

如果将健身与环保结合起来，将人们在健身运动过程中消耗的化学能转化为电能，并进行储存与利用，既解决了人们在运动过程中所携带电子产品电量不足的问题，也为健身房内或者家
庭用电设备提供了电能。

健身房发电装置的原理是利用人的运动带动能量转换传动装置运动，再通过增速器提高转速促使发电机发电。

该设计通过分析现有健身房发电装置的不足，设计制作新的绿色健身房发电装置，以改善现有健身房发电装置的不足之处：
①利用电力电子技术设计制作高效的控制电路解决电压电流不稳定的问题；
②自主设计制作新型的传动装置以提高和实现健身器材使用强度得可调性，以解决现有发电系统的局限性，能广泛适用以各种人群；
③根据该套健身房发电装置的成本的估算、市场的分析、效益的预测等方面的分析，选择高性能、经济型的制作材料，解决造价高、发电效率低的问题。

设计方案一（如图1）：采用永磁交流同步发电机进行发电，但永磁交流同步发电机输出的电压、电流和频率较难调整，需要经过三相二级整流电路、AC-DC转换
电路和可调稳压电路稳压稳频对电流进行处理，才能供给负载用电和蓄电池充电［1］。

交流电压三相二级管整流电路具有局限性，仅能将工作频率为50HZ左右的交流电转化为固定频率的交流电。

而健身房发电装置产生的是不断改变频率的交流电。

因此设计方案一不可行。

设计方案二（如图2）：采用的是稀土永磁无刷直流发电机。

当人在使用健身器材拉动传动装置时，带动稀土永磁无刷直流发电机转子转动切割磁感线发电，再将电流通入到可调稳压电路中，将大于或者小于电瓶电压的电流转换成和电瓶一样的电压。

最后通到电瓶保护电路给电瓶充电或者DC-AC逆变升压电路逆变升压电流供电给用电设备。

因此，设计方案二可行。

3.1 健身房发电机
3.1.1 健身房发电机的结构及特点。

健身房发电机采用的是稀土永磁无刷直流发电机，其主要由传动带轮、转子、前向端封盖等组成，具有结构如图3所示。

采用稀土永磁无刷直流发电机的原因主要有两方面。

①稀土永磁无刷直流发电机是一个独立体，发电时不需要外加电流产生磁场。

②考虑到健身房内的人流量比较大，灰尘杂物等容易进入发电机内部。

而稀土永磁发电机是气隙大、定转子、无碳刷和无滑环的发电机，适用于该类工作环境。

此外，稀土永磁发电机还具有结构简单、体积小、效率高、价格不高、易维护等特点。

3.1.2 发电机的输出特性。

发电机输出特性是指当输出电路的电压值变化相对稳定时，发电机的转子在传动装置的带动下，转子的转动速度变化与输出电流和电压是函数关系，得Ua、Ia=f(n)。

从永磁无刷直流发电机的向量图（见图4）。

式（1）中，E0表示感应电动势；Ua表示发电机的前端电压；Ia表示发电机转子产生电流；Ra表示负载；Xa表示电枢反应的电抗；Xδ表示电枢反应的漏电抗；RL表示转子绕组电阻。

根据上两式子可得出：
转子的转速为：
电压随转子的转速的关系函数表示为：
3.2 电力电子电路的设计及制作
3.2.1 DC-DC可调降压稳压电路的设计及制作。

DC-DC可调降压稳压电路可以应用在输入电压高于输出电压的降压领域，如蓄电池、电源变压器、DIY可调稳压电源、24V车载笔计本电源、工业设备降压、12V转3.3V、12V转5V、24V转5V、24V转12V、36V转24V等。

该DC-DC可调降压稳压电路具有以下特点。

①该电路中带电压表显示且电压表可自行校准。

采用了较先进的电压微处理器，电压表误差在±0.05V，量程0～40V；
②具有按键切换输入端、输出端电压测量的功能，每一端有LED灯测量那一端的
电压，具有实时监控的作用；
③转换效率高，平均在90%；
④具有自我保护功能：带反接保护，反接不烧；过热保护和短路保护的功能。

3.2.2 蓄电池充放电保护电路的设计及制作。

该电路是由两个金属氧化物半导体场效应晶体管、一个可控制IC（N1）和一些电阻电容元件组成。

控制IC负责测量电池电压与回路电流，并控制两个场效应晶体管的栅极。

场效应晶体管在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，C3为延时电容，该电路具有过充电保护、过放电保护、过电流保护与短路保护功能。

3.2.3 DC-DC降压电路的设计及制作。

图5为DCDC降压电路原理图，该电路简化了典型的DC-DC降压电路，且设计有过流过载短路保护功能。

当负载过载或者短路时，Q1的集电极电流大增，而Q1的发射极电阻R1会产生较高的压降，这个过载或者短路产生的高电压会经过R3让Q2饱和导通，从而使Q1截止停止输出防止过载损坏。

因此，改变R1的大小，可以改变负载能力，如果要求输出电流小，如只需要输出5V100MA，可以将R1阻值改大。

当然，如果需要输出
5V500MA的话，就需要将R1适当改小。

该DC-DC降压电路的特点为：
①该电路设计不需要电解电容，采用的是现在高端电路上用的大尺寸固态陶瓷电容MCC；
②纹波非常低，12V转5V、3A只有10mV左右，很多纹波都达到500mV或更大，对设备会造成一种无形的伤害；
③采用同步整流，电路转换效率可达到97.5%；
④输入带有反接保护二极管，并且采用USB识别电路。

3.2.4 DC-AC升压逆变电路的设计及制作。

该DC-AC升压逆变电路（见图6）可将8～13V蓄电池的直流电转成家用的
220V交流电能。

采用的是两组基波为工频的正弦正向半波和负相半波的半波形成电路。

连接在逆变电路输出端且通过与逆变电路的功率MOSFET的漏源之间寄生电容产生谐振来将接入高频低压的PWM电压脉冲电磁耦合成基波为工频的高压高频电压的变压器电路；连接在变压电路的输出端且包含高速二极管和第一电解电容，以便将接入的高压高频电压整流和滤波后得到基波为工频的半波的滤波电路，其中，半波为正弦波或方波。

根据设计方案二设计制作一套绿色健身房发电装置，并对转速、产生的电压、输出功率等进行测试，得到的结果较为满意，从而验证了绿色健身房的发电装置可行（见图7）。

在实验过程中，通过对传动装置的改造实现转子三档（高、中、低）变速。

经实践分析得到传输带、中轴、发电机转子的转速比例如图8所示。

在科学发展观和构建节约型社会思想的指导下，笔者研制了一套健身房发电装置，其利用健身场所中人带动健身器材发电以使健身房其他用电设备正常运转。

结合健身环境、运动器械、人体运动的特点进行发电系统的设计。

考虑到人体运动的功率特点、转速不确定、频繁起停等特点，选择适当的发电机和传动装置；为保证输出电压的稳定性，采用由整流滤波、稳压斩波和逆变电路组成的电力电子控制电路进行稳压控制；为避免电能的浪费，在系统中加入蓄电池储存一部分电能。

在理论上分析了各部件的运行特性，选择各个环节参数使其输入输出匹配，证实该装置的可行性。

【相关文献】
［1］郑文伟.机械原理［M］.7版.北京：高等教育出版社，2009.。