运动器材发电毕业设计

1、山东科技大学专科毕业设计论文摘要把正文中所有的段前段后设为0 本文针对运动器械的运动特点,考虑到人们在健身运动中所消耗大量能量，我们将健身器材分为两大类：往复式运动和回转式运动健身器材，通过对健身器材进行改装，将人们消耗在健身器材上的机械能转化为小型发电机的动能来发电，设计了一套健身器材发电系统,利用人骑车时的机械功带动发电机转子进行发电，并利用液压传动的措施将健身器材的不规律机械能转化为水的势能,平稳地发电,利用电力电子装置改善电能质量后供电力设备使用。并且，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

2、可行性。本设计涉及到电机、电力电子、物理等多个学科，无论是理论上还是实践都是可行的。关键词:健身发电； 液压传动；电力电子控制；永磁发电机；ABSTRACTIn this paper, the characteristics of sports equipment for sports, taking into account the people exercise consumed a lot of energy, we will be divided into two categories of fitness equipment: reciprocating and rotary mot

3、ion fitness equipment, fitness equipment to be modified by the people consume machinery in the fitness equipment can be converted into kinetic energy to power a small generator, designed a set of fitness equipment power generation system that uses mechanical work to drive people to ride when the gen

4、erator rotor to generate electricity, and the use of hydraulic drive of measures of fitness equipment irregular mechanical energy into potential energy of water, smooth power, after the use of power electronic devices improve power quality for electric power equipment.Furthermore, the characteristic

5、s of the fitness environment, sports equipment, body movement, a power generation system design, equipment and system components part of the design, the theoretical analysis of the characteristics of each part, proved the feasibility of the system.The design involves many disciplines motors, power e

6、lectronics, physics, both in theory and practice are feasible.Keywords：Fitness power; hydraulic transmission; power electronics control; permanent magnet generator;目 录摘要IABSTRACTII1.绪论11.1 选题背景及意义11.2 国内外发展趋势11.3 本设计所要实现的目标32 系统的组成和流程32.1需要考虑的因素32.2 实例设计42.3系统中各部分设备原理分析62.3.1容积式泵62.3.2循环水系统72.4 发、用、

7、蓄电系统72.4.1 发电机的选择72.4.2 电力电子控制82.4.3 蓄电池83器件的选取与计算103.1永磁发电机103.1.1发电机参数133.1.2永磁发电机的运行特性143.1.3永磁发电机的安装与维护173.2 逆变器173.3 电力电子控制电路223.4 整流滤波电路233.5 稳压斩波电路253.6 逆变电路263.7 传动装置283.8 蓄电池293.9总结与展望294市场分析与经济效益预测314.1 行业市场分析与预测314.1.1政策背景314.1.2 行业市场预测314.2 经济效益分析324.2.1成本分析324.2.2发电量分析335 总 结35致 谢36参考文献

8、381.绪论1.1 选题背景及意义正文中 行间距设为1.5倍 你没看格式要求吗？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，煤炭还可开发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”、全国用电负荷比增长15.2%，这些情况对社会的可持续发展造成了难以忽略的问题，解决能源问题，唯一的出路就是有截肢的利用常规资源，开发新能源。随着段首缩进2字 其它类似人民生活水平的日益提高,更多的人开始热衷于健身,以保持健康的体魄和满意的体型。正是由于人们在健身上的投资愈来愈多,导致各种健身场所应运而生。在健身时,人体消耗大量

9、的能量,转化为健身器械的机械能。这些能量其实是很可观的,为什么不加以利用呢？将健身器械的机械能转化为可为生产、生活所使用的电能,也是对“低碳生活”这一新的时代主题的一种贡献。随着更多大型健身俱乐部的建成,设计一套能高效地利用各种健身器材发电的系统,在当今能源紧缺的大局势下,其效益是显而易见的。目前,国内利用健身器械发电还处在研究之中,健身器械的运动大多是圆弧摆动的,难点之一就是如何高效地将不确定的圆弧摆动运动转化为有规律的圆周运动,以驱动发电机发电。1.2 国内外发展趋势2008年，一家美国公司首创了用健身器材发电的技术，健身者在跑步机或者脚踏车机上运动时，把动能转化为直流电，再通过转化装置变

10、成110V的民用电。这种技术在不少健身房实际推广，亚当贝泽尔从2009年起在美国俄勒冈州首府波特兰和加拿大的亚伯达省开了两家绿色健身房，还在筹备与合伙人开办第三家。使用一部器械运动30分钟所产生的电能，可以达到50-150瓦，可供一台笔记本电脑工作一个小时，足够一只手机用一个星期了。贝泽尔在波特兰的那家健身房利用客户人体发电为设施的灯光、电扇和电视机供电，2009年那里36%的用电量，也就是37000度(千瓦时)是客户提供的。“相当于减少了7万磅碳排放，或者不开车81400英里，或者种植15英亩的树木。”贝泽尔说。这家绿色健身房比同等大小的健身房节能85%。对于健身客户来说，帮健身房免费发电，

11、也成了一种额外的乐趣。一位英特尔公司的工程师玛莎琼斯就是绿色健身房的忠实客户：“相对于参考燃烧了多少脂肪、消耗了多少卡路里，看到自己发了多少电显然更有意思，这很有成就感。”根据俄勒冈州的电力法规，电网用户可以自己发电，并为州电网输出电力做贡献，最后根据客户的实际用电量和送电量，消耗州电网电量的净值计算电费。一般用户都是安装太阳能或者风力发电系统自己发电，以减少电费开支，贝泽尔的绿色健身房也完全可以为大众做贡献，但靠健身者踩脚踏车取代不环保的火力发电，还只是个概念。业界人士估算，全美健身房有800-1000万台可改造为可发电的健身器械，如果让它们一起发电，不是挺好？估计绝大多数开健身房的老板都不

12、会同意。库特伯德哈格在洛杉矶运营一家绿色健身房，他说，可发电健身器要收回成本，需要15年，而这是健身器本身寿命的2-3倍。也就是说，健身发电玩环保，其实是烧钱玩环保。贝泽尔也承认，他开绿色健身房，只求效应，不求回报。俄勒冈大学人力发电计划项目主任米塔尔说：“我们希望将全国所有的脚踏车机与电网相连，这并不是说就不需要用中东石油发电了。我们希望学生们在跑步机上挥洒汗水的同时，接受到环保理念。”我国这几年这种节能运动发电的方式和概念，也得到了普及，很多大型健身房，也引进了多种多样的，利用机械能转换为电能的运动器材！十分有发展潜力，对广大的爱好健身的群众是很好的方式。随着，技术的发展和成熟，像这样环保

13、的发电方式一定会得到充分普及！1.3 本设计所要实现的目标随着国家工业化发展，能源消费增加是经济社会发展的客观必然，环境污染也会随之而至，能源紧缺的压力也会越来越大，将全民健身运动和节能环保结合起来是一项十分有前途并且有意义的事情。充分调动全民的积极性，使每个人切实了解节能环保的现实意义和重大作用，充分利用各种运动能源，将全民健身活动和节能环保工作有机结合起来，为了自身的健康，为了全球的低碳排放做一份贡献。2 系统的组成和流程2.1需要考虑的因素根据健身器材的特点,设计一套合适的发、用电系统,主要从以下几个方面考虑:(1)健身器材的运动主要可分为圆周运动和圆弧摆动运动两类。故设计的发电系统应对

14、两类运动都适用。(2)转速的不稳定性。健身人群有性别、年龄、体力的差异,导致器械的运动速度无法稳定,此问题可用适当的缓冲装置解决。(3)要有足够大的输出。器械的转速直接用来发电的话,是远远不够的,需要借助一定的齿轮变速装置来提高转速。(4)发、用电要平衡。运动器械的使用具有不确定性,故发出的电量可能时大时小,故在系统中需加储能装置。2.2 实例设计健身器械种类虽然很多，根据各种不同器械运动方式结合发电原理进行设计改造，都可以实现寓运动乐趣和节能发电为一体的效果，其中发电方法多种多样，根据不同方法的在这列举出两种比较经济使用的两种方式！方案一 运动器械发电装置是在运动器材动感单车的基础上进行设计

15、，如图1，这是一块模拟自行车骑行的运动器械，单车车轮通过传输皮带和一个小型发电机相连，并配备储能蓄电池和逆变器，统一放置在控制箱中。人们在锻炼身体时踩动单车，转动的轮子通过传输装置带动发电机发电，并将电能储存在蓄电池中，当需要改变运动强度时间，可通过安装在器械上上网调节机构去改变发电的励磁电流，励磁电流较大时，发电量也大，同时运动器械的蹬踏阻力也大，反之则减少，即增加了运动的乐趣，又可以根据不同运动要求用户改变运动强度。该器械有交流220伏、直流5伏、15伏的电压输出接口，当用户需要用电时，只需把小功率交流用电器以及电脑笔记本、手机和插座连接把即可，使用非常方便快捷。如果在运动场馆可以将这些电

16、力串并联起来，形成较大规模的运动发电系统，则有较强的电力输出。由于带动发电机发电要产生一些阻力，运动者则要克服这些阻力才能使单车动起来，这样既达到可健身的目的又发出了电能，节省了市电的消费，起到了节能环保的作用。方案二考虑发电机与运动器材是个一个整体，一台器材就得需要一台发电机，这样使的制造成本和维护费用等经济方面造成了很大困扰，所以，就不如把每台器材产生的机械能进行汇总和传动。有健身器械带动偏心轮旋转，通过容积式将水槽中的水压入缓冲槽1内。水经缓冲后流过叶轮，叶轮旋转经变速装置使发电机发电，发电机一边向负载供电，一边与蓄电池相连接，以实现：发电过量时，向蓄电池充电；发电不足时，蓄电池也向负载

17、供电。方案二相对于方案一，较为独立，只要有相应的中间环节，就能与一台或者多台各种运动器材相连接，不仅汇总了机械能，而且大大节约了成本，提高了经济效益。图2.1.12.1 其它类似 字体也不对 其它类似方案一图2.2.1 方案二注：1为偏心轮，2为容积式泵，3、4为单向阀，5为柱塞，6为弹簧，7为密封工作腔字体不对2.3系统中各部分设备原理分析2.3.1容积式泵图2.2中容积式泵的工作原理柱塞5依靠弹簧6紧压在偏心轮1上,偏心轮由健身器械带动旋转,使柱塞往复运动,柱塞向左移动时,密封工作腔7的容积逐渐变大,产生部分真空,大气压力迫使水槽中的水经单向阀4,进入密封工作腔,这是吸水过程;当柱塞向右运

18、动时,密封强度的容积逐渐缩小,使其中的水受挤而产生一定的压力,顶开单向阀3向缓冲槽1流去,这是压水过程。偏心轮不断地旋转,泵就不断地吸水或压水。这样,泵就将健身器械的机械能转化为水的压力能。 液压泵的主要系能参数： (1).输入功率 Pi:它是实际驱动泵轴所需要的机械功率,即Pi=T=2nT 式（2.1） 其中 为角速度,n为转速,T为扭矩。 (2).输出功率 P0:液压泵的输出功率为实际输出流量与泵的出口压力的乘积,即 P0=pq式（2.2） 其中p为泵的出口压力,q为泵的实际输出流量。2.3.2循环水系统健身器械的运动规律是不能确定的,直接用不稳定的机械能来发电是没有意义的,但通过一定的缓

19、冲装置将不稳定的机械能先转化为稳定的其他形式的能,如液压能,再来发电,效益就会提高很多。将液压泵传来的水先存储在缓冲槽内,只有当缓冲槽内的水位达到一定值时,才开始发电,并维持水位在这一定值附近,以保证叶轮的转速在一个不大的范围内变化,发出的电能波动也不大,再经过电力电子控制装置就可以得到较高质量的电能。2.4 发、用、蓄电系统由于健身器械的运动特点，及时经过液压传动、缓冲装置后，发电机发出的电能还是会不可避免地出现波动。为了能给用电设备提供高质量的电能，发电机发出的电还要经过电力控制后才向用电设备供电。2.4.1 发电机的选择 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

20、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。而健身器械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。因此要采用永磁发电机。2.4.2 电力电子控制由于发电机直接发出的电并不是理想的正弦波，电压的波动、频率的波动等对用电设备造成损伤，降低设备使用寿命。所以发电机发出的电需要通过电力电子控制电路，得到高质量的电能后，再向用电设备供电。2.4.3 蓄电池 由于健身房的人流量的时刻变化，导致发电机发出的电能多少也在时刻变化。当发电机发出的电量大于用电设备的需求时，多余的电能给蓄电池充电；当发电机发出的电量小于用电设备需求时

21、，不足的电能由蓄电池提供。 图2.3.1 系统工作原理框图人蹬脚踏车，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。3器件的选取与计算

22、发电机（英文名称：Generators）是将其他形式的能源转换成电能的机械设备，它由水轮机、汽轮机、柴油机或其他动力机械驱动，将水流，气流，燃料燃烧或原子核裂变产生的能量转化为机械能传给发电机，再由发电机转换为电能。发电机在工农业生产、国防、科技及日常生活中有广泛的用途。 发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是：用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。3.1永磁发电机永磁发电机是指由热能转变的机械能转化为电能的发电装置。励磁电机即发电装置和三相同步发电机相连的电机。 励磁就是向发电机转子提供转子

23、电源的装置 根据直流电机励磁方式的不同，可分为他励磁，并励磁，串励磁，复励磁等方式，直流电机的转动过程中，励磁就是控制定子的电压使其产生的磁场变化，改变直流电机的转速。永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。永磁体在电机中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能不仅与生产厂的制造工艺有关，还与永磁体的形状和尺寸、充磁机的容量和充磁方法有关，具体性能数据的离散性很大。而且永磁体在电机中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和电机运行状态而变化。此外，永磁发电机的磁路结构多种多样，漏磁路十分复杂而且漏磁通占的比例较大，铁磁材料部分又比较容易饱和，磁导

24、是非线性的。永磁电动机的优点：（1）：结构简单、可靠性高。永磁式发电机省去了励磁式发电机的励磁绕组、碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁式发电机励磁式发电机励磁绕组易烧毁、断线，碳刷、滑环易磨损等故障，可靠性大为提高。（2）：体积小、重量轻、比功率大。永磁转子结构的采用，使得发电机内部结构设计排列得很紧凑，体积、重量大为减少。永磁转子结构的简化，还使得转子转动惯量减少，实用转速增加，比功率（即功率、体积之比例）达到一个很高的值。（3）：中、低速发电性能好。功率等级相同的情况下，怠速时，永磁式发电机要比励磁式发电机的输出功率高一倍，也

25、就是说，永磁式发电机的实际等功率等级的励磁式发电机。（4）：能显著地延长蓄电池寿命，减少蓄电池维护工作。主要原因是永磁式发电机采用的是开关式的整流稳压方式，稳压精度高，充电效果好。避免了过电流充电造成的蓄电池寿命缩短。永磁式发电机的开头式整流输出对蓄电池采用小电流脉冲充电，相同的充电电流充电效果更好，从而延长蓄电池的使用寿命。（5）：效率高。永磁式发电机是一种节能产品。永磁转子结构免去了产生转子磁场所需的励磁功率和碳刷、滑环之间磨擦的机械损耗，使得永磁式发电机效率大为提高。普通励磁式发电机在1500转/分至6000转/分之间的转速范围内平均效率只有45%至55%，而永磁式发电机则可高达75%至

26、80%。（6）：采用自启动式稳压器无需外加励磁电源。发电机只要一旋转就能发电。当蓄电池损坏时，只要发动机处于运行状态，汽车充电系统仍可正常工作。如汽车没有蓄电池，只要摇转手把或溜车，也可实现点火运行。（7）：特别适合于在潮湿或灰尘多的恶劣环境下工作。（8）：无线电干扰。永磁发电机无碳刷、无滑环的结构，消除了碳刷与滑环磨擦产生的无线电干扰；消除了电火花，特别适合于爆炸性危险程度较大的环境下工作，也降低了发电机对环境温度的要求永磁式发电机结构特性：结构简单，转子磁场大，无励磁绕组，无碳刷，无滑环，气隙大，无触点，整机唯一磨损部位是轴承。提高了产品可靠性，不用外接调节器，导磁体材料间距采用优化设计，

27、减少了漏磁，使发电机怠速性能好，出电路足。 励磁式发电机结构特性：怠速发电性能差，电瓶容易放完电；发电机转速在1500-6000转/分区间效率只有40%-50%，效率低，因转子存在励磁线圈，整机温升高；励磁式发电机还极易出现碳刷、滑环损坏等问题。表（3.1.1）体积温升对比外径（mm)长度（mm)温升（K)重量（kg)励磁式142180756.5永磁式128165504表（3.1.2）性能对比 （以28V、36A、1000W 发电机为例）28V、36A、 1000W 发电机电流 (A)满载转速(r/min)平均效率（1500-6000r/min)调节电压（V)负载特性（V)转速特性（V)励磁式

28、935000.45280.3|U|0.8|U|0.5永磁式1828000.8280.2|U|0.3|U|0.2从以上性能、结构、体积等对比情况分析，永磁式比励磁式发电机结构简单、体积小、重量轻、性能优越，低速时发电充足。JFYJ永磁发电机（3000W）和普通励磁发电机（3000W）的体积重比较，如表（3.1.3）：3000W外径（mm)长度（mm)重量（kg)JFYJ永磁发电机17126512普通励磁发电机20031024图3.1.3 JFYJ永磁发电机（3000W）和普通励磁发电机（3000W）的体积重比较3.1.1发电机参数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： (1)

29、额定功率PN（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150-400W。（2） 额定电压UN(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12-24V。（3） 额定转速nN（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客服的阻力也就越大，因此选择额定转速的范围为1000-3000r/min。 根据以上额定参数，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。3.1.2永磁发电机的

30、运行特性输出特性：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Ua, Ia= 式（3.1）图3.1.2.1 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（3.2）联立上两式可以得到： 式（3.3）即幅值为： 式（3.4）相角为： 式（3.5）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： 式（3.6） 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 式（3.7） 1.11.4。式（3.4）与式（3.6）相除得：或用转速表示： 式（3.8）或用电压表示：根据式（3.6）、（3.8）可以绘出其输出特性、，如图3.1.3.

31、2所示。图3.1.3.2 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 式（3.9）可以绘出其在3000r/min下永磁电机的外特性。图3.1.3.3永磁电机的外特性3.1.3永磁发电机的安装与维护1、拆装发电机，禁止用锤子敲打，避免转子永磁体退磁。2、拆下的永磁转子，应用软薄钢片或铁皮包住，以免转子退磁。3、将轴承中的脏润滑油清洗干净，并加入新鲜的钙基润滑脂。加入量为轴承腔的三分之二，过少影响润滑；过多又不利于散热。4、清除黏附在转子、定子上的灰尘和油污杂物。3.2 逆变器逆变器是把直流电能（电池

32、、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220V,50Hz正弦波）。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等。在国外因汽车的普及率较高外出工作或外出旅游即可用逆变器连接蓄电池带动电器及各种工具工作。通过点烟器输出的车载逆变是 20W 、 40W 、 80W 、 120W 到 150W 功率规格。再大一些功率逆变电源要通过连接线接到电瓶上。逆变器是一种DC to AC的变压器，它其实与转化器是一种电压逆变的过程。逆变器（图3.2.1）转换器是将电网的交流电压转变为稳定的12V直

33、流输出，而逆变器是将Adapter输出的12V直流电压转变为高频的高压交流电；两个部分同样都采用了用得比较多的脉宽调制（PWM）技术。其核心部分都是一个PWM集成控制器，Adapter用的是UC3842，逆变器则采用TL5001芯片。TL5001的工作电压范围3.640V，其内部设有一个误差放大器，一个调节器、振荡器、有死区控制的PWM发生器、低压保护回路及短路保护回路等。输入接口部分：输入部分有3个信号，12V直流输入VIN、工作使能电压ENB及Panel电流控制信号DIM。VIN由Adapter提供，ENB电压由主板上的MCU提供，其值为0或3V，当ENB=0时，逆变器不工作，而ENB=3

34、V时，逆变器处于正常工作状态；而DIM电压由主板提供，其变化范围在05V之间，将不同的DIM值反馈给PWM控制器反馈端，逆变器向负载提供的电流也将不同，DIM值越小，逆变器输出的电流就越大。电压启动回路：ENB为高电平时，输出高压去点亮Panel的背光灯灯管。逆变器（图3.2.2）PWM控制器：有以下几个功能组成：内部参考电压、误差放大器、振荡器和PWM、过压保护、欠压保护、短路保护、输出晶体管。直流变换：由MOS开关管和储能电感组成电压变换电路，输入的脉冲经过推挽放大器放大后驱动MOS管做开关动作，使得直流电压对电感进行充放电，这样电感的另一端就能得到交流电压。LC振荡及输出回路：保证灯管启

35、动需要的1600V电压，并在灯管启动以后将电压降至800V。输出电压反馈：当负载工作时，反馈采样电压，起到稳定I逆变器电压输出的作用。简单地说，逆变器就是一种将低压(12或24伏或48伏)直流电转变为220伏交流电的电子设备。逆变器在工作时其本身也要消耗一部分电力，因此，它的输入功率要大于它的输出功率。逆变器的效率即是逆变器输出功率与输入功率之比，即逆变器效率为输出功率比上输入功率。如一台逆变器输入了100瓦的直流电，输出了90瓦的交流电，那么，它的效率就是90%（1）、直流电压要一致每台逆变器都有接入直流电压数值，如12V，24V等，逆变器（图3.2.2）要求选择蓄电池电压必须与逆变器直流输

36、入电压一致。例如，12V 逆变器必须选择12V蓄电池。（2）、逆变器输出功率必须大于电器的使用功率，特别对于启动时功率大的电器，如冰箱、空调，还要留大些的余量。（3）、正、负极必须接正确逆变器接入的直流电压标有正负极。红色为正极（+），黑色为负极（），蓄电池上也同样标有正负极，红色为正极（+），黑色为负极（），连接时必须正接正（红接红），负接负（黑接黑）。连接线线径必须足够粗，并且尽可能减少连接线的长度。（4）、应放置在通风、干燥的地方，谨防雨淋，并与周围的物体有20cm以上的距离，远离易燃易爆品，切忌在该机上放置或覆盖其它物品，使用环境温度不大于40。（5）、 充电与逆变不能同时进行。即逆变

37、时不可将充电插头插入逆变输出的电气回路中.（6）、两次开机间隔时间不少于5秒（切断输入电源）。（7）、请用干布或防静电布擦拭以保持机器整洁。（8）、在连接机器的输入输出前，请首先将机器的外壳正确接地。（9）、为避免意外，严禁用户打开机箱进行操作和使用。（10）、怀疑机器有故障时，请不要继续进行操作和使用，应及时切断输入和输出，由合格的检修人员或维修单位检查维修。（11）、在连接蓄电池时，确认手上没有其它金属物，以免发生蓄电池短路，灼伤人体。（12）、使用环境，基于安全和性能的考虑，安装环境应具备以下条件：1）干燥：不能浸水或淋雨；2） 阴凉：温度在0与40之间；3）通风：保持壳体上5CM内无异

38、物,其它端面通风良好。（13）、安装使用方法1）将转换器开关置于关(OFF)的位置,然后把雪茄头插入车内点烟器插口,确保插到位而接触良好；2）确认所有电器的功率在G-ICE标称功率以下方可使用,将电器的220V插头直接插入转换器一端的 220V插座内,并确保两个插座所有连接电器的功率之和在G-ICE标称功率以内；3）开启转换器开关，绿色指示灯亮，表示工作正常。4）红色指示灯亮，表示因过压/欠压/过载/过温，导致转换器关断。5）在很多情况下，由于车用点烟器插口输出有限，使得正常使用时转换器报警或关断，这时只要发动车辆或减小用电功率即可恢复正常。（14）、注意事项1）电视机，显示器，电动机等在启动

39、时电量达到峰值，尽管转换器可以承受标称功率2倍的峰值功率，但有些功率符合要求的电器的峰值功率可能会超过转换器的峰值输出功率，引发过载保护，电流被关断。同时带动多个电器，可能发生这种情况，这时应先关闭电器开关，打开转换器开关，然后逐个打开电器开关，并应最先开启峰值最高的电器。2）在使用过程中，电瓶电压开始下降，当转换器DC输入端的电压降到10.4-11V时，报警器发出峰鸣声，此时电脑或其它敏感电器应及时关闭，若忽视报警声，转换器将在电压到9.7-10.3V时，自动关断，这样可以避免电瓶被过量放电，电源保护关断后，红色指示灯亮起；3）应及时启动车辆,给电瓶充电,防止电量衰竭,影响汽车启动和电瓶寿命

40、；4）尽管转换器没有过压保护功能，输入电压超过16V，仍有可能损坏转换器；5）连续使用后，壳体表面温度会上升到60，注意气流通畅，易受高温影响的物体应远离。3.3 电力电子控制电路由于发电机提供的电源不是理想的正弦波，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，同时电压尖脉冲可能会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。图3.3.1 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

41、恒压的交流电，通过滤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。3.4 整流滤波电路整流滤波电路的作用是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。采用桥式整流滤波电路，其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，电压变压器得到充分的利用，效率较高。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）图3.4.1 整流滤波电路

42、原理图电路如图3.4.1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D1D4接成电桥的形式。电容C起平波作用。图3.4.2整流滤波电路工作波形图工作原理：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3.4.2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。3.5 稳压斩波电路稳压斩波电路主要用于将电压幅值在一定范围之内变化的

43、的 直流电采用周期性的斩波，转化为幅值固定的直流电。稳压斩波 电路中的电容器可以对输出电压中的纹波进行有效的抑制，而且该电容器的容量越大，其对纹波的抑制作用越好，同时使其供电的维持性也越优越。图3.5.1 稳压斩波电路原理图工作原理：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。图3.5.2稳压斩波电路工作

44、波形图后面的类似 不一一标注了3.6 逆变电路逆变电路是将通过稳压斩波电路后电压稳定的直流电或者来 自于蓄电池的直流电转化为波形呈正弦的恒压恒频交流电，以供 给用电设备使用。本系统中使用了全桥逆变电路，该电路所产生 的电压幅值是半桥逆变电路的两倍，使本系统具有对电能更加优 越的利用性能。电路组成：全桥逆变电路由两个半桥电路组合而成，如图3.6.1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3.6.1逆变电路原理图工作原理：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，V

45、D3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.图3.6.2逆变电路工作波形图3.7 传动装置考虑到健身单车发电系统的特点，本系统中选择塔轮皮带传 动方式。经过实际检测发现一般的健身者骑车的转速为55- 100r/min，而我们选择的发电机的额定转速为1000-3000r/min，按 照这

46、个要求选择传动比；塔轮传动属于有级变速带传动装置，其变速技术一般为3-5级。在轴上固定了若干个塔形皮带轮，由于这些塔形皮带轮的各级直径有所不同，因此当轴的转速保持不变 时，可以通过调节塔轮上皮带的位置达到三个不同级别的转速比。3.8 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。因此适宜作为健身发电的储能装置。图3.8.1蓄电池3.9总结与展望在科学发展观和构建节约型社会的思想指导下，我们开发

47、研制了一套发电装置，它利用健身场所中人带动健身器材发电以供健身房其他用电设备的正常运转。本课题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，理论研究阶段。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，证明了该系统的可行性。其次，实验分析阶段。根据以上理论研究设计

48、出的方案，实际制造了一套健身单车发电系统。通过多次实验，测得各个部件的运行特性及输出波形，经对照，与理论分析相吻合，从而用实践证明了该系统的可行性。从实验结果可以看出，该发电系统较好的解决了电压幅值不稳定，电能时断时续等问题，有较好的实用价值。最后，提出该系统成本估算和维护方法。经济效益分析表明，安装本发电装置每年可节约用电量6570千瓦时，从而节约成本5913元。为该系统更好的推广应用奠定了基础。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，其经济效益与实用价值突出表现在降低健身房运营成本，节约电能，保护环境等方面，是健美瘦身、强健体魄的时尚生活方式与节

49、能减耗、绿色环保时代主题的完美结合。4市场分析与经济效益预测健身发电系统的适应范围及推广前景的技术性说明在本章集中体现。通过对现有行业市场和政策导向的综合分析，对该产品可能产生的经济效益进行了客观的预测，反映了该设计广阔的市场空间。4.1 行业市场分析与预测4.1.1政策背景1995年，我国制定全民健身计划纲要，提出“初步建成面向群众性的多元化的体育服务体系，是实施计划的主要任务之一，健身房是构建全民健身服务体系的重要组成部分”。另外，中共中央国务院关于进一步加强和改进新时期体育工作的意见中也明确指出：“群众性体育以社会兴办为主，引导群众体育消费，培养体育市场，建立多元化投资的经营实体。健身房

50、正是典型的面向大众的健身服务的经营实体。”在诸多有利政策的鼓励下，健身房正以空前的速度蓬勃发展。4.1.2 行业市场预测图5.1.2.1 2008-2013年北京地区健身房和健身人口增长情况据预测显示，北京地区健身房以每年近20%的速度膨胀，而健身人口以每年近40%的速度高速增长，而奥运会后这一趋势将更加显著。4.2 经济效益分析4.2.1成本分析我们以40辆健身车为例。表 5.2.1 发电系统成本发电机传动皮带支架电力电子配件蓄电池逆变器数量（个）4040404011单价（元）5084010200120总价（元）4840均价（元）1214.2.2发电量分析根据在数据测试部分的发电量显示，我们

51、的装置发电量能达到150W。按照健身单车平均每天工作时间3小时计算，以下是基于此数据做的发电总量的分析。表5.2.2 健身单车日/年发电量发电装置数量（套）发电量（瓦）发电时间（小时）401503每天发电量（千瓦时）18每年发电量（千瓦时）6570表5.2.3 北京市电网峰谷分时销售电价表你自己认真看一遍论文的吗 就发给我看单位:元/千瓦时 用电类型电压等级高峰（元/千瓦时）平段（元/千瓦时）低估（元/千瓦时）商业用电不满一千伏1.15150.76250.38651-10千伏1.13950.75250.387535千伏以上1.13850.75250.3875由于健身房的高峰在530到900，而

52、在这段时间的电价主要按照高峰和平段来实行。所以我们把电价定为0.9元/千瓦时。日收益：180.9=16.2（元）年收益：65700.9=5913（元）成本回收期：484016.2=298.77天由以上分析可知，一个普通健身房可通过安装本发电装置每年节约用电量6570千瓦时，从而节约成本5913元，可在试运营的298.77天内收回发电系统成本。此后，不但可通过节约用电量而减少健身房的运营成本，更能通过资源的二次利用，为节能减排、绿色环保贡献自己力量5 总 结在科学发展观和构建节约型社会的思想指导下，我们开发研制了一套发电装置，它利用健身场所中人带动健身器材发电以供健身房其他用电设备的正常运转。本

53、课题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，理论研究阶段。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，证明了该系统的可行性。其次，实验分析阶段。根据以上理论研究设计出的方案，实际制造了一套健身单车发电系统。通过多次实验，测得各个部件的运行特性及输出波形，经对照，与理论分析相吻合，从而用实践证明了该系统的可行性。从实验结果可以看出，该发电系统较好的解决了电压幅值不稳定，电能时断时续等问题，有较好的实用价值。最后，提出该系统成本估算和维护方法。经济效益分析表明，安装本发电装置每年可节约用电量6570千瓦时，从而节约成本5913元。为该系统更好的推广应用奠定了基础。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，其经济效益与实用价值突出表现在降低健身房运营成本，节约电能，保护环