基于電子控制電路的健身單車發電系統開發研究

魏 力

基于電子控制電路的健身單車發電系統開發研究

魏 力

針對健身器材中的健身單車的運動特點，設計了一款健身單車發電系統，該系統利用人在健身單車上運動健身所產生的機械功作為發電機的牽引動力以使發電機輸出電能，為其他適宜的用電設備提供電能。本文就本設計方案的特殊設計需求以及系統的基本原理進行了討論，并對組成該系統的各個部分的設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；發電機；電力電子器件

隨著我國經濟社會的發展，人們的物質生活水平日益提高，在物質條件得到充分滿足的情況下，人們更加關注身體健康，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，各種新穎的健身器材也被開發和推廣。針對這種情況，筆者通過調查發現在健身過程中，有著大量的由人體運動所產生的能量白白的被浪費，因此筆者大膽設想，提出了利用人們健身時所產生的能量來帶動發電機進行發電，從而產生電能供給其他用電設備使用的創意，可以說這一創意正好契合國家提倡的節能環保理念，在當前各個領域開發和推廣節能產品的大環境下，健身單車發電系統必然會具備一定的規模開發條件和商業化發展前景。

1.系統設計的基本要求

既然要利用健身單車所產生的動能帶動發電機進行發電，而健身單車作為健身器材的一種又具有其自身的特點，因此在該發電機系統的設計過程中首先要對健身單車發電系統應該具有的特點以及需要著重考慮的問題進行論證。筆者認為就系統的特點及設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查發現，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，所以在設計時應該采取功率小且效率較高的發電機；二是轉速的不穩定性，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，所以在系統設計時要考慮引入轉速可調裝置，以適應不同人群的運動特點；三是輸出的不穩定性，由于人們在健身單車上運動時不可能始終保持一個速度，所以會導致掛在后面的發電機轉速也處于變速運動狀態，這必然會使其輸出電壓忽高忽低，所以在系統設計時必須加入穩壓系統以處理電壓的不穩定問題；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，必然會因健身者的反復停歇而處于頻繁啟停狀態，所以該系統應該具有適應頻繁啟停的能力；五是發電和用電的平衡問題，在無電能存儲裝置的系統中電能必須是即發即用，才能避免電能的浪費，但是健身機構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，因此在系統中需要加入一個電能儲存裝置。

2.系統的工作原理

健身者踩踏健身單車腳踏板使其轉動時，其速度較低，所以加入一個傳動裝置將速度提高數倍，使其滿足發電機轉子轉動速度的要求，永磁發電機轉子在其帶動下轉動而發出三相交流電，交流電經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，控制直流穩壓斬波器件的占空比，從而使其輸出成為幅值保持穩定的直流電，直流電再經過逆變器的逆變，轉化為頻率穩定、電壓規律變化的交流電，最后輸出到指定的用電設備供其使用。并且為了避免電能浪費和斷電現象的發生，在系統中加入蓄電池及其充電裝置，當電能足夠使用電設備正常工作而有盈余時則發出控制信號給蓄電池充電，當發電機發出電能滿足不了用電設備的使用時則控制蓄電池箱負載放電，使其正常工作。

3.系統各部分原理分析

3.1 發電機的選擇

結合健身單車的運行特點，本系統的發電機選用永磁式發電機。筆者針對健身者在運動時產生的功率及能夠承受的阻力情況，對發電機的各項參數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，確定發電機的額定功率為150-400W；2)額定電壓U(V)：發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)額定轉速Nn(r/min)：發電機轉速越大，其產生的洛倫茲力也將越大，健身者運動而拖動發電機轉子所克服的阻力也就越大，所以額定轉速選擇為1000-3000r/min。據此我們選擇使用JYWF永磁式交流發電機，該發電機采用電樞爪控制輸出電壓，轉子轉速在較大范圍內變化時，能夠保證其輸出電壓仍然保持基本的穩定。

3.2 電力電子控制電路

因為發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備的運行狀態惡化。所以在系統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異常波動或者斷電時，仍然能夠向用電設備正常供電，同時保證良好的供電質量，使用電設備不至于受到影響。

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定，然后將其逆變為50Hz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，即使發電機停止工作，蓄電池也能夠在一定時間內給逆變器供電，用電設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換為直流電，為了使結構比較簡單，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 健身單車發電系統各傳動裝置傳動比

圖1 整流濾波電路原理圖

3.2.2 穩壓斬波電路

穩壓斬波電路主要用于將電壓幅值在一定范圍之內變化的的直流電采用周期性的斬波，轉化為幅值固定的直流電。穩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越。

3.2.3 逆變電路

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

3.3 傳動裝置

考慮到健身單車發電系統的特點，本系統中選擇塔輪皮帶傳動方式。經過實際檢測發現一般的健身者騎車的轉速為55-100r/min，而我們選擇的發電機的額定轉速為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，因此當軸的轉速保持不變時，可以通過調節塔輪上皮帶的位置達到三個不同級別的轉速比。

4.發電系統的可行性驗證

4.1 單車發電系統實驗過程

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電機轉子轉動。對單車踏板、后輪和發電機轉子之間的傳動比進行檢測，得到如表1所示的數據。

從表1能夠看出，該系統在低速時，傳動比為l:2:2l，發電機轉速為ll55-2100r/min；

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

4.2 發電機及整流濾波電路實驗分析

發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速下的交流、直流電壓有效值，結果表明當健身單車轉動區域穩定時，交流電壓和直流電壓也基本穩定。

4.3 穩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，永磁式發電機發出的交流電經過整流濾波后輸出電壓在l3～14V范圍內脈動的直流電，該脈動的直流電經過穩壓斬波電路后變成穩定的直流電，該直流電經過逆變器逆變之后，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定在227-228V的水平，這就證明該系統輸出電能能夠滿足各種用電設備的需求。

5.總結

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理論，針對當前健身領域使用的健身單車的運轉特點，設計了基于電子控制電路的健身單車發電系統，該系統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化而來的機械運動動能，采用永磁發電裝置及相關的控制電路發電供特定的用電設備使用，系統在保證良好的健身條件的同時，將健身者運動產生的動能充分利用，達到了節能減排的目的，文中對該方案的實驗驗證表明本系統具有很好的可行性。

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魏力（1970—），男，廣東梅州人，大學本科，主要研究方向：電子電氣、自動控制、計算機等領域的技術及應用。