一種踩踏式發(fā)電實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)

高洪巖+張勇+邱忠媛

摘 要：提出了由盤(pán)式發(fā)電機(jī)和TL494組成PWM開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源構(gòu)成的踩踏式發(fā)電實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)方案。給出盤(pán)式發(fā)電的纏繞方法，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)原理圖，并附帶各器件的參數(shù)。

關(guān)鍵詞：盤(pán)式發(fā)電機(jī)；橋式整流；踩踏發(fā)電

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.182

火力，水力， 核能，太陽(yáng)能，風(fēng)力都可以進(jìn)行發(fā)電[1-3]。另外，還有一些新型發(fā)電方法，如用地?zé)岚l(fā)電、生物質(zhì)等新能源發(fā)電[4-5]。本項(xiàng)目另辟溪徑，在遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目的支持下，以提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力為宗旨，探索一種踩踏式發(fā)電方法，設(shè)計(jì)一種踩踏式發(fā)電實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀２忍な桨l(fā)電機(jī)通過(guò)踩踏或碾壓產(chǎn)生交變電流，經(jīng)橋式整流和控制器對(duì)畜電池進(jìn)行充電?？刂破骺刂浦铍姵剌敵鲋绷鹘o負(fù)載，同時(shí)還控制著逆變器給交流負(fù)載。

1 發(fā)電部分的設(shè)計(jì)

采用自制盤(pán)式發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)中采用了兩個(gè)半圓形的磁鐵，在磁鐵內(nèi)表面分別是N極和S極，將15個(gè)線圈附在一根軸的表面，并將軸用一個(gè)大的螺栓固定在箱體上，用作電機(jī)定子，軸的另一端連接一根軸承。盤(pán)式發(fā)電機(jī)外殼的內(nèi)表面附著兩個(gè)磁鋼，并且外殼與定子的軸承相連接，在外殼上固定一根軸，把齒輪用鍵固定在齒輪上，外殼軸的末端安裝一個(gè)小軸承，并用軸端蓋把軸固定在箱體的內(nèi)板上。裝置的踏板的四角用螺栓固定4根鋼柱，4根鋼柱被套在箱體內(nèi)4根鋼管上，鋼管內(nèi)有4個(gè)彈簧，當(dāng)踏板被壓下后4個(gè)彈簧會(huì)將其彈起。踏板的中間連接一個(gè)軌道齒，軌道齒下方套在一個(gè)空管內(nèi)，與其對(duì)應(yīng)的另一方也有一根軌道齒，這根軌道齒上下兩方被套在兩個(gè)空管內(nèi)，在空管內(nèi)都按有彈簧，方便其上下運(yùn)動(dòng)。

裝置內(nèi)的兩根軌道齒與盤(pán)式發(fā)電機(jī)的齒輪相互嚙合，當(dāng)踏板被踩下去后，一根軌道齒向下移動(dòng)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，盤(pán)式發(fā)電機(jī)中的兩個(gè)磁剛轉(zhuǎn)動(dòng)，定子上的線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流。這種軌道式的連接不僅成本低而且具備齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。盤(pán)式發(fā)電機(jī)一般線圈3個(gè)一組。第一組線圈首端相連，尾端依次連在下一組的首端，下面的幾組線圈依次類推，最后會(huì)甩出3根線。線圈的連接按照星形方法連接。

2 整流部分設(shè)計(jì)

采用PWM控制式三相半控橋整流穩(wěn)壓電路，發(fā)出的三相交流電，由整流二極管Z1、Z2、Z3與晶閘管V1、V2、V3組成半控橋式整流電路，給負(fù)載RL供電，給蓄電池GB1充電。

檢測(cè)電路、基準(zhǔn)電路、比較電路、觸發(fā)電路一起組成控制電路。檢測(cè)電路的作用是檢測(cè)電壓U0，與經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，當(dāng)整流電壓U0比基準(zhǔn)電壓值小時(shí)，電路中的晶閘管可以被觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)橋式整流電路可以正常工作。盤(pán)式發(fā)電機(jī)向蓄電池GB1充電，使輸出電壓升高，同時(shí)負(fù)載RL也能得到供電。當(dāng)整流電壓U0比基準(zhǔn)電壓值大時(shí)，比較電路中的比較器輸出翻轉(zhuǎn)，則不能產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，晶閘管則不能導(dǎo)通。因此橋式整流電路處于靜止?fàn)顟B(tài)，盤(pán)式發(fā)電機(jī)不能給蓄電池充電，也不能給負(fù)載供電。設(shè)計(jì)中晶閘管門極得到的觸發(fā)信號(hào)是PWM信號(hào)，它的特點(diǎn)是頻率固定，脈沖寬度可以調(diào)節(jié)。三相半控整流橋的導(dǎo)通、斷開(kāi)周期是固定的，通斷時(shí)間則由工作狀態(tài)決定。本設(shè)計(jì)采用TL494芯片是PWM控制的專用集成塊。

3 充電部分設(shè)計(jì)

前饋控制電作為電路的輸入部分。輸入電流與輸入電壓的三次方成比例。圖1中的基準(zhǔn)電壓Vref來(lái)自TL494（14）腳Sv的分壓，大約50mV。當(dāng)盤(pán)式發(fā)電機(jī)的電壓Vin增大時(shí)，Rl、R2的分壓從Trl的發(fā)射極輸出。設(shè)電流取樣電阻R8=l00mΩ，若這個(gè)輸出電壓低于ZD1的穩(wěn)壓值，電流Is就流經(jīng)R3、R7。若高于ZD1的穩(wěn)壓值，則有附加電流流經(jīng)ZD1、R4、R7。若有更高電壓，就會(huì)有附加電流流經(jīng)ZD2、R5、R7或ZD3、R6、R7。這幾路電流合起來(lái)，使V；。升高時(shí)Is快速增大。適當(dāng)選擇ZD1—ZD3，R3—R5，則有：Is=kxVin3式中k為比例系數(shù)。

單刀5擲開(kāi)關(guān)為最優(yōu)負(fù)荷選擇性開(kāi)關(guān)。以盤(pán)式發(fā)電機(jī)的輸出電壓為依據(jù)來(lái)選用最優(yōu)負(fù)荷，使其在任何踩踏承重下都能得到最大輸出。輸出開(kāi)關(guān)電路用2通道驅(qū)動(dòng)，當(dāng)TIA94的（13）腳接5v時(shí)工作為推挽方式。

此方式下開(kāi)關(guān)ON的占空比為50%以下，即使輸入與輸出電壓差大也無(wú)沒(méi)關(guān)系。此外，由于Tr6和Tr7交互工作，輸出紋波得以減小。本電路在功率為20W—200W時(shí)，效率達(dá)到85%—90%。

表1和圖2列出在外接 +15V穩(wěn)壓電源、+44V輸出端空載條件下，用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得的TL494各腳對(duì)地電壓值和用示波器測(cè)得的關(guān)鍵點(diǎn)波形圖，供檢修和學(xué)生實(shí)驗(yàn)參考。TL494第14腳（+5V基準(zhǔn)電壓）若不正常，TL494第13 、2、4、腳電壓，IC2有關(guān)引腳電壓也不會(huì)正常。斷開(kāi)IC1第14腳外電路后，如果各腳電壓都不正常，則可確定IC1損壞。

4 結(jié)語(yǔ)

踩踏式發(fā)電是一種清潔環(huán)保的可再生能源發(fā)電方式，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、可用于小用電量的實(shí)踐。此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供借鑒。

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