脚踏式发电装置控制系统设计.docVIP

1 前言 随着社会的发展，能源问题逐渐成为人们关注的问题，要实现可持续性发展必须节省、或找到替代性能源。随着人们生活水平的提高，人们越来越注重健身运动。各种运动器具开始进入家庭，逐渐成为热销商品。但美中不足的是，现有的运动器具大都忽略了对人体能的利用，致使大量人体能被白白消耗掉（尤其在运动员训练基地），这是一种容易被人视而不见的巨大而无形的浪费！正因如此，有必要设法将其收集利用起来，以物尽其用，造福社会。 脚踏式发电装置把发电机和运动器材结合起来，成为有益健康的运动装置，集健身、发电、储电、应急及平时用电、环保于一体的多益器具，是在运动装置中装入一般的发电装置，使运动力和发电时的阻力融为一起，达到既健身又能发电，有与其它运动器具不可比拟的效果，真正地实现把每个人的力转化为光和热。当运动力作用在发电装置上所发出的电经储备，后逆变成标准电源，基本能满足家庭看电视、电风扇、照明的使用，不论是在城市、乡村或是野外都可使用，可起到良好的节能效果。 目前国内对于此类节能装置还没有相当成熟的技术，投入研究的单位和个人也比较少；市场上仅有些为数不多的同类产品，还处在仿制生产阶段，产品研发和技术创新能力不足，无论是在电瓶均匀充电还是逆变电路方面都不是很理想。 从国内外同类发电装置现状的研究分析，它具有较大的前景和发展空间，为此，本课题将在参考国内外同类装置技术的基础上，加以更新改进设计，新设计的装置将会解决发电装置均匀充电和能量逆变的问题，缓解当今社会能源紧缺的现状，相信它会很快得到推广和利用。 本设计采用功能分析法对控制系统分析设计，通过对若干方案的比较，最终评选出比较合适的方案。针对电动机稳压输出、蓄电池均匀充电及其逆变电路采用类比法设计，最终确定设计方案。 2 脚踏式发电装置控制系统结构方案设计 2.1 脚踏式发电装置设计要求的方案分析 发电装置作为一种新型绿色能源系统，具有结构简单、操作方便、安全可靠、老少皆宜，不受任何时间空间限制的特点，只要有人在，就可以全天候发电。平时可作为健身或娱乐之用，当发生停电或其他灾害性事故时，可作为照明或通讯等应急之用，不失为一种物美价廉的新型绿色能源。它是一款具有精良品质，完美独立性，可用于无电力供应的偏远郊区家庭、蒙古包、公司停电时刻及紧急使用的首选产品。 由于本产品以人力为动力，不依赖汽、柴油等其它燃料，符合环保理念。将脚踏发电机与器械结合起来，就变成两种功能的发电车。对于需要使用器械保持身体健康的人来说，运动的同时还可将娱乐消耗的能量转换为电能储存，作为照明和应急电源之用，是一件一举两得的事情。 2.2 系统本设计控制系统原理示意图如下： 图1 系统控制原理图 2.2.1发电系统 1) 发电机采用专业FD-500永磁发电机。系统采用机电一体化设计，具有内置整流稳压电路控制功能，确保稳压输出。 2) 电机输出电压：AC40～55V；电机输出最大电流：12A。 3) 本发电机与电源箱配套使用，电源箱中包括充电集成控制器、蓄电池、逆变器、保险丝、一组输入接口和一组输出接口（包括220VAC及48VDC）等。 2.2.2 蓄电及逆变系统 蓄电池：电瓶电压：DC－48V，电瓶容量：24AH。 逆变器输出：（300W）或AC－220V，50HZ 。 具有48VDC输出接口，可以直接接入48V直流负载，例如照明灯具，或直接驱动汽车启动等。 2.3 运动者打开发电装置上的发电开关，即可根据自身的体力，进行强度适宜的定量锻炼运动，并适当控制运动节奏，运动时所发的电量可以通过电流表的变化了解。 运动者在健身的同时，把自身消耗的热能转换为电能储存，这是一种具有绿色环保，健身节能概念的新型产品，是一项独具创意的健身项目，势将成为今后健身活动的新趋势，市场前景无限。 蓄电池充满电后可以保证100W的用电装置连续工作3个小时左右。提供功率不超过300W以内家用电器（电视、音响、DVD/VCD机、照明、电脑、传真机、办公设备、水泵等）的持续运转。 脚踩90—150分钟，每分钟约50-300圈，可将内建蓄电池充满。(可分阶段脚踏，不一定要充满电，即可运用)。 经设计分析系统结构方框图如图2。 图2 发电健身器结构系统图 3 发电机控制电路方案设计 3.1 发电机控制电路设计要求的确定和方案分析 本设计要求发电机输出电压稳定精确,能够实现变速、变载的稳压输出。对负载、转速等运行工况及有关参数无依赖性，或基本没有影响。 近年来，随着永磁材料的发展，永磁发电机以其结构简单、比功率高、低速特性好等优点，受到广泛关注。由于健身器工作过程中发电机转速有一定变化范围，一般需在100—300rmin以上，同时其负载也随健身者调节的不同在不停变动，因此如何实现在变速变载条件下稳压输出是发电机的关键技术之一。在目前广泛使用的硅整流交流发电机中，通