踩踏式发电机实验模型的设计

第十二届 挑战杯 辽宁省大学生课外 学术科技作品竞赛 作作 品品 申申 报报 书书 作品类别 作品类别 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作 A 类 科技发明制作 B 类 1 作作 品品 申申 报报 书书 题目 题目 踩踏式发电机实验模型的设计 踩踏式发电机实验模型的设计 2 摘摘 要 要 提出了由盘式发电机和 TL494 组成 PWM 开关稳压电源构成的踩踏式发电实验模型 设计方案 给出盘式发电的缠绕方法 设计了系统原理图 并附带了各器件的参数 该项 目涵盖了电子技术 机械设计 物理实验等知识 非常适合作为物理实验竞赛和大学生创 新实验设计以及大学生实践创新训练项目的借鉴 关键词关键词 踩踏发电机 实物模型 桥式整流电路 盘式发电机 1 1 引言引言 在这个科学为主的时代 科技创新才是硬道理 科学的幻想归 根结底是科学和技术的大胆创造 所以探索创新性实验就非常重要 了 探索创新性实验以研究性 设计性为主 以专门小课题研究为 辅 加大有探索创新性 研究性内容实验的考核比重 调动我们的 主动性 引导我们开展初步的有探索创新性的实验工作 启发我们 的创新精神 为了鼓舞我校的大学生科技创新 从 1999 年开始 我校根据具 体情况制定了很多大学生课外创新学分的政策 学生如果想在课外 活动中锻炼能力 在创新方面有所发展并且获得创新学分 就需要老 师在课堂上注重创新能力 创新意识的培养和指导 最后对学生的成 果进行分析与改进 大学物理实验 基础实验课程在培养创新方面 具有不可否认的优势 指导老师进行出题 学生进行自主选题 通 过这种方式 学生可以自主完成实验内容 再由指导教师根据实验 方案的可行性和创新性 实验结果的准确性和所写论文的规范性等 给出合适分数 我校从 2009 起 开展 大学生物理能力测试 训练 共安排了十几个创新性综合实验题目 对我们进行考查 现已有 5000 多名学生参加并且最终获得了创新学分 结果证明这些实验课 题大大地提高了学生的探索精神 创新思维 动手能力和逻辑能力 激发了学生的学习兴趣 使我们从被动学习的方式变为主动学习的 方式 取得了很好的教学效果 正是有以上的创新基础 我们参加 了 2014 年校大学生实践创新训练项目 踩踏式发电机的设计与制 作的课题 此课题荣获 2014 年辽宁省大学生物理实验竞赛二等奖和 最具人气奖 此项目的实验模型的设计对我们大学生创新训练有很 好的借鉴作用 值得大力发扬 2 2 踩踏式发电机的系统整体框图踩踏式发电机的系统整体框图 3 踩踏式发电机系统整体设计框图如图 1 踩踏式发电机通过踩 踏或碾压产生交变电流 经桥式整流电路和控制器对畜电池进行充 电 控制器控制蓄电池的输出电流送给负载 与此同时控制逆变器 给交流负载供电 图 1 踩踏式发电机系统的整体框图 2 12 1 踩踏发电部分的设计踩踏发电部分的设计 为了提高发电的效率和性能 我们采用了盘式发电机 盘式发 电机中采用了两个半圆形的磁钢 在磁铁内表面分别是 N 极和 S 极 将 15 个线圈附在一根轴的表面 并将轴用一个大的螺栓固定在箱体 上 作为发电机定子部分 轴的另一端连接一根轴承 盘式发电机 外壳的内表面附着两个磁钢 并且外壳与定子的轴承相连接 在外 壳上固定一根轴 把齿轮固定在轴上 外壳轴的末端安装一个小轴 承 并用轴端盖把轴固定在箱体的内板上 装置的踏板的四角用螺 栓固定 4 根钢柱 4 根钢柱被套在箱体内 4 根钢管上 钢管内有 4 个弹簧 当踏板被压下后 4 个弹簧会将其弹起 踏板的中间连接一 个轨道齿 轨道齿下方套在一个空管内 与其对应的另一方也有一 根轨道齿 这根轨道齿上下两方被套在两个空管内 在空管内都按 有弹簧 方便其上下运动 装置内的两条锯齿轨道和盘式发电机的齿轮相互咬合 当踏板 踩下后 锯齿型轨道带动齿轮转动 同时齿轮带动转子转动 转子 转动带动盘式发电机中的两个磁体转动 产生旋转磁场 定子上的 线圈切割磁感线产生电流 模型如图 2 而在其他发电装置中一般 AC 负载 DC 负载 逆变 电路 蓄电池 控制 电路 桥式整 流电路 踩踏式 发电 4 采用齿轮或链杆传动 在齿轮传动中需要数量较多的齿轮 成本过 大 而齿轮之间的啮合时间较长会使齿轮磨损过大 在链杆的传动 中虽然成本会减小 但是工作时有噪声并且存在冲击 振动 在我 们的装置中采用的轨道式的连接不仅成本低而且具备齿轮传动的优 点 图 2 踩踏发电模型简图 踩踏发电部分实物见图 3 在装置中为了避免传统盘式发电机 的两个大磁盘产生大的能量损耗 我们采用了两个小磁环 并且在 盘式发电机的中间和一端安装了轴承减小摩擦的能量损耗 在装置 中选用齿轮传动 齿轮传动会使发电机的效率较高 增强了传动的 稳定性 可以延长发电机的寿命 并且增强工作的可靠性 踏板我 们采用了 4 根钢柱作为支撑 钢柱硬度高且支撑能力强 大大提高 装置的适用性 延长了装置的寿命 关于定子的固定我们采用大的 螺栓固定 提高了定子的稳定性 避免了长时间的使用定子会发生 松动 关于 4 个钢柱和 2 个轨道齿的固定我们采用了钢管套制的方 式 这样增加了钢柱和轨道齿的稳定性 5 图 3 踩踏发电部分实物模型图 线圈的接法如图 4 盘式发电机一般线圈的个数为 3 的倍数 3 个线圈为一组 第一组的线圈首端相连 尾端按顺序连在下一组 的首端 下面的几组线圈依次类推 最后会甩出 3 根线 线圈的连 接方式采用星形连接 6 图 4 盘式发电机的线圈连线图 2 22 2 踩踏模型发电系统整流电路的设计踩踏模型发电系统整流电路的设计 PWM 三相半桥整流稳压电路如图 5 所示 盘式发电机产生的三 相交流电 由整流二极管 Z1 Z2 Z3与晶闸管 V1 V2 V3组成三相 半桥整流电路 给负载提供电能 并给蓄电池 GB1充电 图 5 三相半控桥式整流稳压电路图 三相半桥整流电路部分的实物模型见图 6 控制电路由触发电 路 比较电路 基准电路 检测电路组成 整流后的电压值 U0 与 基准电路和比较电路产生的基准电压相比较 当 U0比基准电压值小 时 触发电路中的晶闸管导通 桥式整流电路部分正常工作 盘式 发电机向蓄电池 GB1充电 输出电压升高 同时给负载 RL提供所需 要电能 当整流电压值 U0比基准电压值大时 比较电路中的比较器 输出方向与之前相反 触发电路得不到触发信号 晶闸管关断 因 此半桥整流电路处于断开静止状态 盘式发电机不能给蓄电池充电 所以输出电压下降 也不能给负载提供电源 7 图 6 整流部分的实物图 设计中晶闸管的门极得到的触发信号是脉冲宽度调制信号 它 的特点是频率固定 脉冲宽度可以调节 将噪音影响降到最低 因 此三相半桥整流电路的导通和关断周期是固定的 通断时间是根据 具体工作状态的变化而变化 实现稳压状态的输出 PWM 控制的专 用集成块是 TL494 芯片 2 32 3 踩踏式发电模型系统的充电电路的设计踩踏式发电模型系统的充电电路的设计 2 3 12 3 1 PWMPWM 开关稳压电源工作原理开关稳压电源工作原理 PWM 开关稳压电源的运行原理在输入电压 内部参数的设定值 和外部负载全部变化的情况下 控制电路对基准信号和被控信号的 差值进行闭环反馈 控制主电路中门电路和三极管等电子开关器件 的导通脉冲宽度 保持开关电源的输出电流或输出电压稳定 PWM 的开关频率一般为恒定值 PWM 是充电电流 输出电流 输入电压 输出电压 输出电感电压共同调制的结果 这些信号构成单环 双 环或多环反馈系统 这些反馈回路和电流反馈构成内环路 电压反 馈构成外环路 共同实现稳压 稳流及恒定功率的目的 同时还能 降低噪音 对电路进行过载保护 过流保护和均流等功能 使电压 的利用率达到最大 PWM 调制型开关电源有多种不同的反馈控制模 式 PWM 开关稳压电源的核心器件为 TL494 所以了解集成块 TL494 内部结构和管脚功能对电路的设计是非常必要的 图 7 是 TL494 芯 片的内部结构图 TL494 芯片的引脚名称和功能见表 1 8 图 7 TL494 内部结构图 图 8 TL494 外部封装及引脚图 表 1 TL494 引脚名称和功能 引脚名称功能 1 21IN 1IN 内部 1 号误差放大器同相 反相输入端 3FEEDBACK 两内部误差变压器的输出端 4DTC 死区时间控制端 5 6CT RT设定振荡器频率用电容与电阻接端 7GND 参考地端 8 11C1 C2两个脉冲输出端 9 10E1 E2输出脉冲参考地端 12VCC 工作电源端 13OC 脉冲输出方式选择端 14REF 内部基准电压输出端 15 162IN 2IN 内部 2 号误差放大器同相 反相输入端 2 3 22 3 2 踩踏式发电系统充电电路的设计踩踏式发电系统充电电路的设计 PWM 控制电路由 TL494 和其它外围元件构成 如图 9 第 1 脚和 第 2 脚分别是第一误差放大器误差信号的同相信号输入端和反相信 9 号输入端 第 4 脚是死区信号的控制端 输出脉冲宽度的调节由加 在其上的电压控制 输出电位的升高 会导致输出脉冲宽度变窄 将延长死区时间 如果稳压开关电路的输出端用全桥或者半桥 死 区时间就要准确的设定 防止两个开关在相同的时间内导通 造成 短路损坏电源 将基准电压通过 R3和 R23分压就能得到第 2 脚的电 位 测量值得到 3 2V 的电压 同样将基准电压经 R20和 R24分压得到 第 4 脚的电位 测得 0 46V 电压 锯齿波振荡器的频率通过第 5 脚 第 6 脚和定时元件 C10 R19相连来决定 频率大小 F 为 1 1 与 RC的 比值 TL494 起调制脉冲宽度的作用 线性锯齿波振荡器就在其中 振荡器频率的设定值大小为 50KHz 输出方式设定信号输入端即为 第 13 脚 接地后 输出电流最大值可到 400mA 输出呈推挽型是因 为该脚接基准电压 基准电压输出端 5V 连接到第 14 脚 用来输出 5V 的基准参考电压 能为芯片内部供电 也能给第 2 4 13 脚和 IC2供电 第 15 16 脚为第二误差放大器误差信号的反相信号输入 端和同相信号的输入端 第 1 引脚由 44V 的充电电压与 R26 R27和 R28分压后得到 软启动电容即是 C15 第 1 脚接低电压 输出的脉 宽度会增大 充电电压就升高 反之脉冲宽度减小 充电电压降低 直到达到最大充电电压 44V 充电电压通过 Ra进行调试 Ra和 R26 的并联值决定充电电压的大小 Rb 为过流保护的调试电阻 电流设 定达到 1 8A 时即为过流 R29为充电电流取样电阻 该电阻的电压 值经 R13接入 TL494 芯片的第 15 引脚 第 15 脚的电位由充电电流决 定 之间的关系成反比 当第 15 脚电位低 第 16 脚电位高的时候 IC输出端变为零 意味着电流过高 电路进行自我保护 外部输入 电路的值改变 片内电路通过处理 会经 8 10 脚输出一对矩形波 该矩形波幅值相等 脉冲宽度可以调节 第一个矩形波比第二个矩 形波相位滞后 180 度 经过 T2 T3的推挽放大作用 由变压器 X1的 耦合功能 将信号传输至功率开关变换电路 10 图 9 发电系统电路设计图 N 沟道 MOSFET 型功率管 2SK3176 作为大电流开关的主要元器件 可承受最大电压为 150V 漏极可承受的最大电流值为 120A PWM 开 关电源电路是本充电电路的控制电路 63H 的电感起滤波作用 驱 动变压器 Xl为发电电路中的重要元件 线圈匝数的比值为 1 1 线 圈使用漆包线 直径为 0 3mm 线圈匝数值为 30 前馈控制电路如图 10 作为充电电路的输入电路 若使发电机稳 定工作 输入电流的大小要与输入电压的值成三次方 晶体管 Tl与 串联在一起的三个稳压二极管组成的电路 可以成为近似的三次幂 电路 产生的电压值是输入电压的三次幂 达到前馈控制的目的 第一误差放大器的同相端接入基准电压 同相端电压大 反相 端电压小时 会增大 PWM 的脉冲宽度 同时增加开关电路的输出电 流值 图 10 中 TL494 14 脚 Sv的分压电压值即为基准电压 Vref的值 大小为 51mV 增大盘式发电机的输入电压 Vin 其值被图 10 中的 Rl R2分压 由 Tl的发射极输出 电流取样电阻 R8的大小为 l00m 如果这个输出电压比 E1的稳压值低 电流 Is就经过 R3 R7 若比整流二极管 E1的稳压值较高 则附加电流经过二极管 E1和电阻 R4 R7 若有更高的输出电压 就会有附加电流经过二极 管 E2和电阻 R5 R7或二极管 E3和电阻 R6 R7 这几路电流相加使输 出电压升高 会导致电流 Is变大 选择 E1与 E3 R3至 R5之间的参 数 就可以得到 Is kxVin 式中 k 为比例系数 11 另外 发电机的输入电流 Iin在电阻 Rs两端产生电压降 Vin 误 差放大器 2 误差信号的同相端输入电压为 Ve 当电压 Ve为 0V 时 发电机电流 Iin就与电压 Vin的三次幂成正比 图 10 前馈控制电路图 最佳负荷开关应选择单刀 5 掷开关 此开关可根据连接的电阻 不同进行多种选择 在任何踩踏承重下其输出都能够达到最大值 用通道 2 作为电路发电部分的输出开关电路 在推挽方式工作下 TL494 的 13 引脚接 5V 电源 开关 ON 在这种方式工作下的占空比在 47 52 左右 即使输 出 输入电压差值过大也不会出现故障 此外 由于三极管 T6和 T7 交换工作 可以使输出的波动降低 此电路工作在功率为 20W 200W 的条件下时 其效率能够达到 85 90 左右 输出端空载电压接 44V 电压 外接电压电源接 15V 电压得到 表 2 和图 9 的参数 对 TL494 各引脚的输出电压用数字万用表测量 得到的测量值与关键点的波形图 数值可用作参数参考 TL494 的 第 14 引脚 5V 基准电压输出端 输出的测量值如果不正确 那么 第 2 4 13 引脚的测量值都会不准确 IC2有关引脚的输出电压也 会不准确 若脉冲输出端 IC1和第 14 引脚的电路被断开后 各引脚 输出电压的测量值仍不正确 则可认为 IC1已被损坏 表 2 TL494 空载电压测得电压值 单位 V 12 引 脚12345678910111213141516 电 压 0 63 20 60 61 53 701 6001 5 14 65 5 04 00 180 TL949 第 8 脚 第 11 脚V3 V4 的集电极TL949 第 5 脚 1 5 s 1 8V 40 s f 2 5KHz 3V 40 s f 2 5KHz 3 5V 40 s f 50KHz 图 11 用示波器测得的关键点波形图 13 图12 作品实物图 3 3 结束语结束语 大学物理创新性探究课题 首先由教师拟定创新性实验题目 通过学生自主分析 方案论证 原理图设计 计算机仿真 PCB 板 制作 最后进行实物组装 焊接 调试和测试 教师对其中的过程 进行指导 我们实验完成后 会提交一份完整的实验设计论文和实 物样品 如果有兴趣的话 要求做出 PPT 进行验收答辩 由老师指 导我们撰写论文发表 参加本项目创新设计时 使我们参加竞赛的 学生受益良多 提高了动手能力 科研能力 进一步巩固了书本知 识 并且还在老师的指导下在杂志上发表了论文 参考文献参考文献 1 刘军山 邢红宏 苏学军 等 以能力培养为导向改革大学物理实验教学 J 实验技术与 管理 2014 31 4 189 191 2 辽宁工业大学物理实验室 大学物理实验 M 东北大学出版社 第四版 2014 3 杨宏伟 太阳能光伏应用创新性实验的实践 J 实验技术与管理 2013 30 9 22 24 4 曹卫华 李明杨 独立光伏发电系统高效充电控制器设计