【摘要】针对健身器材中的健身单车的运动特点，设计了一款健身单车发电系统，该系统利用人在健身单车上运动健身所产生的机械功作为发电机的牵引动力以使发电机输出电能，为其他适宜的用电设备提供电能。本文就本设计方案的特殊设计需求以及系统的基本原理进行了讨论，并对组成该系统的各个部分的设计方案与理念进行论述，最后对本方案的可行性进行了论证。
【关键词】健身单车；电子控制电路；发电机；电力电子器件
随着我国经济社会的发展，人们的物质生活水平日益提高，在物质条件得到充分满足的情况下，人们更加关注身体健康，而健身作为锻炼身体、保持健康的重要选择之一，在当今社会越来越受到人们的欢迎，因而各种健身会所如雨后春笋在各大城市挂牌营业，各种新颖的健身器材也被开发和推广。针对这种情况，笔者通过调查发现在健身过程中，有着大量的由人体运动所产生的能量白白的被浪费，因此笔者大胆设想，提出了利用人们健身时所产生的能量来带动发电机进行发电，从而产生电能供给其他用电设备使用的创意，可以说这一创意正好契合国家提倡的节能环保理念，在当前各个领域开发和推广节能产品的大环境下，健身单车发电系统必然会具备一定的规模开发条件和商业化发展前景。
1.系统设计的基本要求
既然要利用健身单车所产生的动能带动发电机进行发电，而健身单车作为健身器材的一种又具有其自身的特点，因此在该发电机系统的设计过程中首先要对健身单车发电系统应该具有的特点以及需要着重考虑的问题进行论证。笔者认为就系统的特点及设计的基本要求有五个方面：一是功率效率的要求，笔者通过对多个健身场所的实地调查发现，一般一个成年人在健身单车上做健身运动时的平均功率为l50～180W，所以在设计时应该采取功率小且效率较高的发电机；二是转速的不稳定性，由于参与健身的人群有性别、年龄、体能状况以及运动喜好的不同，骑车的速度也会有所不同，我们知道作为发电机的牵引动力的健身单车机械运动速度越大，骑车时所受到的阻力也将越大，所以在系统设计时要考虑引入转速可调装置，以适应不同人群的运动特点；三是输出的不稳定性，由于人们在健身单车上运动时不可能始终保持一个速度，所以会导致挂在后面的发电机转速也处于变速运动状态，这必然会使其输出电压忽高忽低，所以在系统设计时必须加入稳压系统以处理电压的不稳定问题；四是频繁的启停，由于参与健身人员的自身体力问题，健身单车不可能一直处于运动状态，必然会因健身者的反复停歇而处于频繁启停状态，所以该系统应该具有适应频繁启停的能力；五是发电和用电的平衡问题，在无电能存储装置的系统中电能必须是即发即用，才能避免电能的浪费，但是健身机构中健身单车的使用者有时可能会很多有时却很少，所以在骑车人多时会造成电能浪费，骑车人少时又有可能造成电能不足或断电，因此在系统中需要加入一个电能储存装置。
2.系统的工作原理
健身者踩踏健身单车脚踏板使其转动时，其速度较低，所以加入一个传动装置将速度提高数倍，使其满足发电机转子转动速度的要求，永磁发电机转子在其带动下转动而发出三相交流电，交流电经三相二极管整流装置整流后成为电压脉动的直流电，直流电输入到直流稳压斩波器，PWM输出控制器利用电压反馈信号的输入，控制直流稳压斩波器件的占空比，从而使其输出成为幅值保持稳定的直流电，直流电再经过逆变器的逆变，转化为频率稳定、电压规律变化的交流电，最后输出到指定的用电设备供其使用。并且为了避免电能浪费和断电现象的发生，在系统中加入蓄电池及其充电装置，当电能足够使用电设备正常工作而有盈余时则发出控制信号给蓄电池充电，当发电机发出电能满足不了用电设备的使用时则控制蓄电池箱负载放电，使其正常工作。
3.系统各部分原理分析
3.1 发电机的选择
结合健身单车的运行特点，本系统的发电机选用永磁式发电机。笔者针对健身者在运动时产生的功率及能够承受的阻力情况，对发电机的各项参数做了如下的计算与确定：1）额定功率P（W）：健身者在单车上运动时的功率约为l50-500W，在考虑单车自身阻力损耗的前提下，确定发电机的额定功率为150-400W；2）额定电压U（V）：发电机的额定电压选择之后的电力电子电路的正常工作电压，即12-24V；3）额定转速（r/min）：发电机转速越大，其产生的洛伦兹力也将越大，健身者运动而拖动发电机转子所克服的阻力也就越大，所以额定转速选择为1000-3000r/min。据此我们选择使用JYWF永磁式交流发电机，该发电机采用电枢爪控制输出电压，转子转速在较大范围内变化时，能够保证其输出电压仍然保持基本的稳定。
3.2 电力电子控制电路
因为发电机输出的电能不可能是理想的正弦波，其任何电压和频率的异常波动以及由于波动而形成的波形畸变都有可能使设备的运行状态恶化。所以在系统中必须引入电力电子电路对其进行控制，以确保当交流输入电源出现异常波动或者断电时，仍然能够向用电设备正常供电，同时保证良好的供电质量，使用电设备不至于受到影响。
电力电子控制电路的工作原理可以描述为：发电机输出的交流电通过整流滤波装置后被整流为直流电，再用斩波器将使其电压进一步趋于稳定，然后将其逆变为50Hz恒频恒压的交流电。同时，斩波器输出的直流电进入蓄电池充电回路给其充电，由于蓄电池的引入，即使发电机停止工作，蓄电池也能够在一定时间内给逆变器供电，用电设备仍然能够获得恒频恒压交流电而正常运行。
3.2.1 整流滤波电路
整流滤波电路是用来将交流电转换为直流电，为了使结构比较简单，将其二极管按照理想模型来处理，整流滤波电路原理如图1所示。这里采用桥式整流电路，主要是因为桥式整流电路的电容电路比较简洁，输出电压较高，纹波电压较小，效率较高。
3.2.2 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。
3.2.3 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。
3.3 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。
4.发电系统的可行性验证
4.1 单车发电系统实验过程
实验时，由普通的成年人（其骑车速度为55-100r/min）踩动健身单车，单车后轮通过皮带传动带动发电机转子转动。对单车踏板、后轮和发电机转子之间的传动比进行检测，得到如表1所示的数据。
从表1能够看出，该系统在低速时，传动比为l：2：2l，发电机转速为ll55-2100r/min；
中速时，传动比为1：2.5：26.25，发电机转速为1457.5-2625r/min；高速时，传动比为l：3：31.5，发电机转速能达到1732.5-3150r/min。
4.2 发电机及整流滤波电路实验分析
发电机输出的脉动交流电，被整流滤波回路整流之后，变成脉动直流电，用示波器对发电机交流输出端和整流滤波回路直流输出分别进行测量，同时用万用表测量各种转速下的交流、直流电压有效值，结果表明当健身单车转动区域稳定时，交流电压和直流电压也基本稳定。
4.3 稳压斩波及逆变电路实验分析
在普通成年人以55～100r/min的速度踩动单车时，永磁式发电机发出的交流电经过整流滤波后输出电压在l3～14V范围内脉动的直流电，该脉动的直流电经过稳压斩波电路后变成稳定的直流电，该直流电经过逆变器逆变之后，得到恒频恒压的正弦交流电，该交流电在没有负载的情况下能够稳定在227-228V的水平，这就证明该系统输出电能能够满足各种用电设备的需求。
5.总结
本文充分运用了电力电子电路原理、机械传动等方面的相关理论，针对当前健身领域使用的健身单车的运转特点，设计了基于电子控制电路的健身单车发电系统，该系统能够很好地利用健身者健身运动过程中消耗的人体肌能转化而来的机械运动动能，采用永磁发电装置及相关的控制电路发电供特定的用电设备使用，系统在保证良好的健身条件的同时，将健身者运动产生的动能充分利用，达到了节能减排的目的，文中对该方案的实验验证表明本系统具有很好的可行性。
参考文献
[1]魏连荣.电力电子技术及应用[M].化学工业出版社，2010.
[2]王其英等.实用电源技术手册UPS电源分册[M].辽宁科学技术出版社，2002，6.
[3]王超.有可取之处的“永动机”——评《带微型发电机的电动自行车[J].发明与创新，2005（4）.
[4]邢钢，徐玉秀.再生能源健身自行车研制及动态分析[J].天津工业大学学报，2006，25（1）.
作者简介：魏力（1970—），男，广东梅州人，大学本科，主要研究方向：电子电气、自动控制、计算机等领域的技术及应用。