健身场所发电系统的研制及动态分析.docx
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健身场所发电系统的研制及动态分析
健身场所发电系统的研制及动态分析
段波陈圣吉蔡明明
辛昊阔徐金
摘要
本课题研制了一套健身场所发电系统，利用人骑车时的机械功带动发电机转子进行发电，从而向健身场所内其他用电器供电。
首先，针对健身环境、运动器械、人体运动的特点，设计了一套发电系统，并对系统各个组成部分的设备进行设计，在理论上分析了各部件的特性，证明了该系统的可行性。
然后，根据前面的设计，实际制造了一套健身单车发电系统。
通过多次实验，测得各个部件运行特性及输出波形，与前面的理论分析吻合，从而用实践证明了该系统的可行性。
最后，提出系统成本估算和维护方法，为该系统更好的推广奠定了基础。
本课题涉及到电机、电力电子、机械、物理等多个学科，无论是理论上还是实践上都是可行的，并有较好的经济效益与实用价值。
关键词：
健身发电，永磁发电机，电力电子，稳压稳频控制
一、绪论
1.1课题背景及意义
随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，据专家预测，煤炭还可开采221年，石油39年，天然气只能用60年。
由能源短缺而引发的电力紧缺问题日益突出，2003-2004年的持续“电荒”、全国用电负荷同比增长15.2％，这些状况都对经济和社会的可持续发展提出严峻考验。
解决能源问题，唯一的出路就是有计划的利用常规能源、节约能源和开发新能源。
另一方面，我国经济高速发展，人民生活水平逐步提高，业余精神生活的充实和身心的健康发展受到人们的重视，越来越多的人热衷于健康投资，以丰富自己的闲暇生活。
同时，人们的体育意识不断增强，健身活动全面普及，体育健身消费已成为现代人生活消费的重要组成部分，健身运动也渐渐走进了普通百姓的生活，由此各类健身房应运而生。
利用健身场所中人体消耗的能量发电以供健身房其他用电设备的正常运转，这是健美瘦身、强健体魄的时尚生活方式与节能减耗、绿色环保时代主题的完美结合。
在新能源的探索日新月异，节能产品层出不穷的今天，健身房发电无疑是具有规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，同时也是普通民众从点滴做起，通过能源的二次利用变废为宝的典范。
在举国上下为构建节约型社会而不懈奋斗的今天，健身房发电以降低运营成本为根本保障，开发新能源为最终目标，具有广阔的市场空间和深远的推广意义。
1.2发展现状
健身器材发电技术在国外已有少量开发应用实例，已经开发出了以旋转类运动器材为主的发电设备。
2008年9月，美国出现了首家环保健身房，将会员们在健身单车上产生的能量，存储在一块电池里，供健身房其他器械使用；英国伦敦一家夜总会舞池的地面能依据人们的动作，将机械能直接转换为电能；在我国香港的加州健身房，最近也开始利用会员运动产生的能量转化为电能照明并为电池充电。
在国内，健身器材制造业起步晚，健身俱乐部所选用的健身器械和经营模式都较为传统，经营者对新技术的关注严重匮乏，利用人力发电的健身器材的应用实例更是鲜有耳闻。
1.3技术难点
该技术由于在以下几方面的诸多不足在国内外都未得到有效的利用和推广。
1、输出控制电路不完善，导致无法输出稳定电能，电流时断时续。
2、现有产品为了达到输出电压的稳定，要求健身器材的使用者所消耗的功率必须在一定的范围内，不能任意调节运动强度，因而不能广泛适合各种人群。
3、现有产品没有对发电机、蓄电池、负载等设备的特性在理论上进行分析，因而对发电过程中各种变量的变化趋势无法准确掌握。
4、现有健身发电产品造价较高，效率较低，上千元的设备仅能发出几百元的电，反而增加了健身房的营运成本。
1.4研究内容
本课题就健身发电的几个尚未得到完善的技术难点进行了研究与解决：
1、发电机结构设计和参数计算。
2、利用电力电子装置实现电压频率稳定控制问题。
3、利用传动装置的优化实现运动强度的可调节性问题。
4、系统各部分的维护问题。
5、系统成本估算、市场分析、效益预测。
二、系统组成及原理
本章首先详述了该设计需要考虑的各方面因素以及可能出现的困难，以此为设计的着眼点，拟定了两套可行性较强的系统设计方案。
方案中明确地指出了健身发电系统的各个组成部件，并对每个部件需要达到的功效做出了整体规划。
2.1考虑因素
健身自行车发电是一种全新的尝试，如何根据健身发电的特点，设计一套合适的发电、用电系统，主要应从以下几个方面来考虑：
1、功率效率：
据调查，通常的成年人60分钟骑车过程中的平均功率为150-180瓦。
因此宜采用功率小、效率高的发电机。
2、转速的不确定性：
健身人群有性别、年龄、体力的差异，骑车的速度也不确定，而转速越大，骑车时所受的阻力也越大，因此需要安装可调节转速的装置。
3、输出稳定性：
即使是同一个人一直在骑，骑车的速度也不可能一直保持匀速，这样就会导致电压忽高忽低，因此需要稳压装置。
4、频繁起停：
健身房中的自行车不可能一直有人骑，即便是同一个人也有停的时候，因此要求发电机能适应这种频繁起停的状态。
5、发电用电平衡：
电能的特点就是即发即用，骑车人较多时发电量大，会造成电能的浪费；无人骑车时又会造成断电，因此需要用蓄电池储存一部分电能。
6、工作环境：
健身房中由于人体出汗且不经常通风，空气湿度以及盐碱含量较大，很容易锈蚀发电机中的金属部件，因此需要定期对设备进行维护。
7、体积重量：
健身房一般处于经济较发达地区，房价较贵且健身者对环境要求比较高，如果发电机占地面积过于庞大，则健身房不愿意安装此设备。
8、成本：
一台健身单车的价格在1000元-5000元不等，配置健身单车发电机的价格在100元-150元左右比较容易被接受，因此在选择设备时经济性也是一个重要的考虑因素。
2.2工作原理
根据以上几点健身发电的特点考虑，提出两种方案供选择。
两种方案的工作原理框图分别如图1和图2。
方案一：
交流发电机输出电压、频率不稳定的交流电，经交流调压和交交变频电路变为电压、频率稳定的交流电，供负荷用电和蓄电池充电。
但是交交变频电路只能将工频50Hz的交流电变为可调频率的交流电，而发电机输出的是频率不断变化的交流电，因此方案一不可行。
方案二：
人蹬脚踏车，脚踏车的转速较低，通过传动装置，将转速提高一定倍数，带动永磁发电机的转子转动，此时发电机发出电压、频率脉动的三相交流电，经过三相二极管整流桥整流变为电压脉动的直流电。
电压脉动的直流电输出到直流稳压斩波器，PWM输出控制器通过电压反馈信号的输入，来控制直流稳压斩波器开关器件的占空比，保证最终输出稳定幅值的直流电压。
幅值稳定的直流电通过逆变器变为电压、频率稳定的交流电，供给指定的用电设备。
当指定的用电设备都正常运行时，发出控制信号，对蓄电池进行充电；当指定的用电设备没达到正常运行状态时，蓄电池向负载进行放电。
图1方案一系统工作原理框图
图2方案二系统工作原理框图
三、系统中各部分设备原理分析及参数选择
本章以第二章的系统原理框图为依据，分别对发电机、电力电子控制电路、蓄电池和传动装置的结构特点、工作原理和运行特性进行分析，通过各种类型的元器件之间工作性能的比较，确定了适合于本项设计的各器件类型和参数，并从理论上证明了参数选择的可行性和合理性。
3.1发电机
首先，如果采用电励磁发电机，需要通入励磁电流才能产生磁场，从而切割磁感线进行发电。
一般并网运行的发电机都从电网吸收电流产生磁场。
而健身单车发电机是单独运行的，要想得到初始励磁电流只能通过蓄电池，如果蓄电池的电量恰好用完，则电励磁发电机根本无法启动运行。
其次考虑到健身房中人流量大，生活杂物易进入发电机内部，造成励磁式发电机碳刷与滑环的接触电阻增大，从而影响发电机的正常工作，而永磁发电机无滑环、无碳刷、定转子气隙大，特别适合于在此类环境下工作。
因此宜采用永磁发电机。
3.1.1永磁发电机的结构及特点
JYWF永磁式交流发电机主要由转子、定子、前后端益、轴承和皮带轮等组成，如图3所示[1]。
图3JYWF交流发电机结构示意图
1.皮带轮2.前端盖3.转子4.定子线圈5.机壳6.引出导线7.后端盖8.定子铁芯
由于三相永磁发电机具有以下几个特点[2]，因此适合作为健身发电的发电机。
1、结构简单、可靠性高。
2、体积小、重量轻、比功率大、价格合理。
3、中、低速发电性能好，转换效率高。
4、能显著延长蓄电池寿命，减少蓄电池维护工作。
3.1.2永磁发电机主要设计参数的确定
根据人体骑车时消耗的功率和可承受的阻力，给出以下额定参数范围供选择：
1、额定功率
（瓦W）：
人体骑车时消耗的功率约为150-500W，计及电机的损耗，因此发电机额定功率范围为100-400W。
2、额定电压
（伏V）：
由于发电机输出电压就是电力电子控制电路的输入电压，发电机额定电压选为器件工作电压10-16V。
3、额定转速
（转/分钟r/min）：
发电机转速越大，所产生的洛伦兹力越大，人要带动发电机转子所要克服的阻力也就越大，为适应人体的运动强度，因此选择额定转速的范围为1000-3000r/min。
根据以上额定参数数据，决定选用JYWF永磁式交流发电机。
该发电机采用永磁转子式结构，采用电枢爪控制输出电压，具有较高的可靠性，在转子3-4倍的转速变化中，电压基本不变。
3.1.3永磁发电机的运行特性[3]
1、输出特性
永磁发电机的输出特性是指当负载一定，在机械力的拖动下，不同转速时输出电压或电流的函数关系，即
、
。
图4永磁发电机电势相量图
由永磁发电机电势相量图，可以看出：
式中，
——空载时定子相绕组中产生的感应电动势；
——发电机A相端电压；
——定子电流；
——定子每相绕组的电阻；
——电枢反应电抗；
——电枢反应漏电抗
——所带负载。
联立上两式可以得到：
即幅值为：
（1）
相角为：
注意到定子相电阻通常很小可忽略，则永磁电机的短路电流：
（2）
式中
为电枢反应漏抗系数。
对于永磁电机，
的经验取值范围为1.1~1.4。
式
（1）与式
（2）相除得：
或用转速表示：
（3）
或用电压表示：
根据式
（2）、（3）可以绘出其输出特性
、
，如图5所示。
图5永磁电机的输出特性
2、外特性
永磁电机的外特性是在转速恒定条件下，输出电压和电流的函数关系，即
。
由永磁发电机电势相量图，可以写出下列方程：
或
可以绘出其在3000r/min下永磁电机的外特性。
图6永磁电机的外特性
3、输出功率
三相永磁同步发电机的输出功率为：
式中，m——相数；
——功率因数。
如果永磁电机的负载是纯电阻性负载，因此
=1，此时
（4）
根据永磁发电机电势相量图，则：
①当不计入定子内阻时，有：
或
将其代入式（4），得到：
②当计入定子内阻时，有：
和
将其代入式（4），得到：
式中
或
称为功率因数角，它的大小决定了输出功率的大小。
3.2电力电子控制电路
由于发电机提供的电源并不是理想的正弦波，电压波动、频率波动、波形畸变和瞬时停电等情况都可能使敏感设备停止运行，甚至损坏设备中的元器件。
因此需要电力电子电路对其进行控制，以保证当交流输入电源发生异常或断电时，还能继续向负载供电，并能保证供电质量，使负载供电不受影响[4]。
基本的结构原理图如图7。
图7电力电子控制电路基本结构原理图
工作原理：
发电机所产生的电经整流滤波装置整流为直流，并用斩波器将电压进一步稳定，再逆变为50Hz恒频恒压的交流电，通过滤波器将稳定的交流提供给负载。
同时，斩波器输出的直流电给蓄电池充电。
由于蓄电池的存在，即使发电机停止发电后，蓄电池自动代替发电机向逆变器供电，负载仍能得到恒频恒压交流电，因此从负载侧看，用电不受供电电压波动的影响[5]。
3.2.1整流滤波电路
由于系统中的蓄电池、逆变器电路均需要直流电，这就要求系统内部必须有整流滤波电路。
1、作用
将交流电变换成直流电。
为简单起见，二极管用理想模型来处理（即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大）。
2、电路组成
电路如图8所示。
图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压v1变成整流电路要求的交流电压，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1—D4接成电桥的形式。
电容C起平波作用[6]。
图8整流滤波电路原理图
3、工作原理
当电源电压v2的正半周（设a端为正，b端为负时是正半周）经过整流电桥时D1和D3导通，v2通过D1和D3向电容器C充电；负半周经过整流电桥时D2和D4导通，电容器C又经RL放电。
电容器C如此周而复始地进行充放电，负载上使得到如图9所示的一个近似锯齿波的电压，使负载电压的波动大为减小[6]。
图9整流滤波电路工作波形图
4、分析与小结
桥式整流滤波电路的优点是电容电路简单，输出电压高，纹波电压较小，管子所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内都有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率较高[7]。
3.2.2稳压斩波电路
1、作用
将电压幅值在一定范围内变化的直流电通过周期性的斩波变为幅值固定电压的直流电[8]。
2、电路组成
该电路由电流源、并联开关和电压负载所构成，如图10所示。
主电路由开关管V，二极管D，较大的输入滤波电感L和输出滤波电容C组成。
图10稳压斩波电路原理图
3、工作原理
假设电路中电感和电容值都很大。
当V处于导通状态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压U0为恒值，记为U0。
当V处于通态时E的能量积蓄在电感L上。
当V处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载及提供能量。
当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等[9]。
图11稳压斩波电路工作波形图
4、分析与小结
电容器C可减小输出电压中的纹波。
C的储能能力越大，对减小纹波和维持供电越有利。
在稳压斩波电路的分析中认为V处于通态期间因电容C的作用使得输出电压U0不变，但实际上C值不可能为无穷大，U0必然会有所下降。
而且斩波器对输入电压的变化范围也有一定的要求[9]。
3.2.3逆变电路
1、作用
将发电机整流所得的直流电压或蓄电池电压转换成正弦脉宽调制的交流电压，供普通用电器使用[10]。
2、电路组成
全桥逆变电路由两个半桥电路组合而成，如图12所示。
电路有四个桥臂两两一组，每个桥臂由一个可控器件和一个反并联二极管组成。
输入端有较大的电容，负载联结在四个桥臂之间。
图12逆变电路原理图
3、工作原理
t1时刻V3和V4栅极信号反向，V4截止，而因负载电感中的电流i0不能突变，V3不能立刻导通，VD3导通续流。
因为V1和VD3同时导通，所以输出电压为零。
到t2时刻V1和V2栅极信号反向，V1截止，而V2不能立刻导通，VD2导通续流，和VD3构成电流通道，U0为Ud。
到负载电流反向时，VD2和VD3截止．V2和V3导通，输出电压仍为Ud。
t3时刻V3和V4栅极信号再次反向，V3截止，V4不能立刻导通，VD4导通续流，U0再次为0。
以后的过程和前面类似[11]。
图13逆变电路工作波形图
4、分析与小结
全桥逆变电路所产生的电压幅值是半桥逆变电路的2倍。
能更好的利用能量[11]。
3.3蓄电池
通过对多种蓄电池性能的比较，本课题中选用免维护铅酸蓄电池作为电能的储能装置。
免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。
它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。
使用寿命一般为普通蓄电池的两倍[12]。
因此适宜作为健身发电的储能装置。
3.3.1免维护铅酸蓄电池的结构和组成
免维护蓄电池是由正负极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等组成，其放电的化学反应是依靠正极板活性物质（二氧化铅和铅）和负极板活性物质（海绵状纯铅）在电解液（稀硫酸溶液）的作用下进行，其中极板的栅架是用铅钙合金制造。
因此可以避免完全充电后的蓄电池的反电动势，减少过充电流，液体气化速度减低，从而减低了电解液的损失[13]。
图14免维护铅酸蓄电池结构示意图
3.3.2免维护铅酸蓄电池的放充电
1、放电终止电压：
电池不宜放电至低于预定的终止电压，否则将导致过放电，而反复的过放电则会导致容量难以恢复，为达到最好的工作效率和最长的使用寿命，放电应在0.05-3c之间。
2、放电容量：
①放电容量与放电电流的关系：
图15为电池在不同放电率条件下放出的容量，从图中可看出，放电倍率越大，电池所能放出的容量越小。
图15电池放电曲线
②温度作用：
电池容量亦受温度的影响，过低温度则会降低有效容量，过高温度则会导致热失控并损害电池，如图16所示。
图16温度与放电容量的关系
3、循环充电：
充电电压2.4V/单格，最大充电电流不得大于0.25CA，如图17所示。
图17电池完全放电后的曲线
3.3.3免维护铅酸蓄电池的使用寿命
1、影响电池使用寿命的主要因素：
重复的深放电；外界温度过高；过充电；过大的充电电流；当充好电后电池长期搁置。
2、循环使用寿命：
电池循环使用时放电、充电为一个循环，电池循环寿命与电池的放电深度，电池周围环境和充电方法有密切关系[14]，如图18所示。
图18电池循环寿命曲线图
3.4传动装置
传动装置的种类有皮带传动、齿轮传动。
相较齿轮传动，皮带传动有噪声小、效率高、弹性好、传动平稳等优点，结合健身发电的特点，选择皮带作为传动装置；根据普通成年人骑车的转速和发电机的转速确定传动比范围；根据健身单车后轮的轮胎宽度和发电机转子的宽度深度确定皮带轮的直径。
并采用塔轮结构实现转速可调功能。
3.4.1皮带传动的设计
皮带传动是利用皮带跟皮带轮的表面或轮槽之间的摩擦力来传动动力的。
装在健身单车后轮上的皮带轮叫做主动轮，装在发电机转子上的皮带轮叫做从动轮[15]。
经实际测得普通成年人骑车的转速约为55-120r/min，而发电机的转速为1000-3000r/min，据此范围确定传动比；根据健身单车后轮的轮胎宽度和发电机转子的宽度深度确定皮带轮的直径。
设计方案如图19-图22所示。
图19传动装置装配图
图20传动装置主视图
图21传动装置俯视图
图22传动装置剖面图
3.4.2塔轮变速机构
塔轮传动是一种有级变速的带传动，通过不同直径齿轮的配比实现3-5级的变速，结构如图23所示。
由于它传动平稳、结构简单、制造容易、对轴的安装精度要求不高，所以常用在传递功率不大，不需经常变速的场合[16]。
图23塔轮变速机构
四、自行车发电系统的动态分析
本章在第3章的理论分析的基础上，设计制造出一套健身单车发电系统，并对转速、输出电压、输出功率等进行了测试，得出了预期的比较满意的效果，从而验证了健身单车发电系统的可行性。
本章按照该系统能量流动的顺序进行介绍。
图24自行车发电系统实物图
1.永磁发电机2.整流桥3.滤波电路4.稳压斩波电路5.逆变器6.负载
根据理论设计如图24连接实物，并对各部分性能进行数据测试及分析。
4.1传动装置实验分析
健身单车以及传动装置的实物连接图如图25所示，实验时，人脚踩单车踏板，通过传动装置，实现高、中、低三档变速并带动单车的后轮转动，后轮通过皮带传动带动发电机转子转动。
经实验测得单车踏板、后轮、发电机转子的转速比例如表1所示。
图25传动装置实物连接图
表1传动装置转速比
踏板
后轮
发电机转子
低速档
1
2
21
中速档
1
2.5
26.25
高速档
1
3
31.5
由表1可知，实验所用自行车发电装置中，踏板与发电机转子的传动比为1：
21-1：
31.5之间，基本符合普通成人骑车55-120r/min的速度，以及满足发电机的转速为1000-2500r/min的设计要求。
4.2发电机及整流滤波电路实验分析
发电机及整流滤波电路实物连接图如图26所示。
永磁发电机输出的脉动交流电经过整流滤波电路变为脉动的直流电，用示波器测量发电机输出的交流波形于滤波整流后的直流输出电压波形，结果如图28所示。
用万用表测量不同转速下的交流、直流电压的有效值，得出转速与电压的关系曲线，结果如图27所示。
图26发电机及整流滤波电路实物连接图
1.发电机2.整流滤波电路3.电阻4.电容器5.测交流电压万用表6.测直流电压万用表
7.示波器8.示波器输入信号1:
交流电压9.示波器输入信号2:
直流电压
10.经整流滤波电路输出的直流电
表2踏板转速与输出电压的数值关系
踏板圈数（r/min）
交流电压平均值（V）
直流电压平均值（V）
60
6.4591
6.2200
72
7.7587
7.83130
90
10.1320
10.6740
101
11.0778
11.7143
112
12.3279
13.3142
150
14.1320
15.6860
图27踏板转速与输出电压的关系曲线
由表2的测量数据和图27的电压变化关系可以看出，当负载一定时，在低转速范围内，永磁发电机的输出电压与转速基本呈线性关系，与第3章的理论分析一致。
交流电压在6-14V之间随转速的增加而增大，而相应的直流电压也基本保持在6-15V，符合斩波器技术参数的要求。
示波器中交直流电压波形如图28所示。
图28输出交流和直流电压波形
（1）交流电压
（2）直流电压
4.3稳压斩波及逆变电路实验分析
稳压斩波电路实物连接图如图29所示。
电压脉动的直流电，经稳压斩波电路输出电压稳定的直流电，用万用表测得直流电压数值如表3所示。
图29稳压斩波电路实物连接图
1.信号发生器2.输出信号3.稳压稳流电源4.直流输出电压5.稳压斩波器6.直流输入电压
经稳压斩波电路输出的电压稳定的直流电，再输入逆变器，得到电压幅值、频率一定的交流电。
逆变器实物连接图如图30所示。
用万用表测得交流电压数值如表3所示。
本实验根据稳压斩波电路输出结果，选取匹配的逆变器技术参数如下：
输出电压：
220V，频率：
50
2Hz，波形：
方波
输入电压10-15V
欠压报警：
10.4-11.0V，低压关断：
9.7-10.3V，过压关断：
14.5-15.5V
空载消耗：
12V输入，空载电流：
<0.3A，最大功效：
>90%
图30逆变电路实物连接图
1.逆变器2.直流输入端3.交流输出端
1、将稳压斩波及逆变器接入电路后，以实验者100-120r/min的速度带动发电机，经整流滤波电路产生13-14V的直流电压，经稳压斩波及逆变电路后，空载时输出电压稳定在227-228V。
稳压斩波及逆变器直流输入电压与交流输出电压的数值如表3所示，曲线如图31所示。
表3稳压斩波及逆变电路直流输入电压与交流输出电压关系
时间（s）
电压（V）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
直流电压
14.16
14.22
14.15
13.83
13.13
12.95
13.03
13.01
13.18
12.31
13.07
13.02
交流电压
228.7
228.7
228.6
228.6
228.4
228.4
228.3
228.2
228.4
228.2
228.2
228.4
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