张宇，张行，史良宵，林灏凡，郝美娟，耿江华，季志远

(华北电力大学 a.电力与电子工程学院;b.能源动力与机械工程学院;c.控制与计算机工程学院，河北 保定 071000)

0 引言

目前，全民健身已经成为一种潮流，各种各样的健身设备应运而生，如果把健身的能量储存起来是非常可观的。国内、外已有一些公司研制出了可发电的健身设备，但目前这种技术仅仅是把健身设备与发电设备结合起来做成一个整体，其成本非常高，普通的以盈利为目的的健身房难以接受，而且将现有健身设备更换为这些新型可发电健身设备需要很长的周期。从技术上说，这些发电装置都是在圆周运动的健身设备上进行改进，比如有氧自行车、椭圆机等，而更具普遍性的健身设备是利用重物的重量进行上下往复运动，现在尚没有发电装置可以利用这类健身设备发电。目前，大多数健身房都已初具规模，原来投入的健身设备很多，将其全部更新为新型可发电设备会造成原有设备的巨大浪费。如果能够开发一种健身房专用的发电装置，在不影响原有健身设备正常工作的前提下，利用人们健身的能量来发电，必能在节省投资的同时，有效减少能源的浪费。本文介绍的分布式发电装置突破了这一技术难关，利用上下往复式健身设备发电并使健身设备与发电设备相互独立。

1 可行性分析

(1)该装置独立于原有健身设备，不会影响其正常工作，只要将其中一个靠近地面的定滑轮换为箱体外面的定滑轮即可。

(2)利用健身设备发电，符合节能减排的要求，发出的电可供健身房照明或用于其他用途。

(3)机械传动装置零件标准化，箱体设计专业化，利于大规模生产，可大大降低成本。

(4)装置成本低，成本回收周期短，健身房乐于接受。

(5)符合GB 50189—2005《公共建筑节能设计标准》，通用性强。

(6)降低健身房成本，为健身房赢取更多利润。

2 设计方案

总体设计方案如图1所示。

图1 总体设计方案图

2.1 机械传动部分

机械传动机构包括:3个棘轮齿轮①，⑤，④;2个棘轮皮带轮⑧，⑩;1个定滑轮⑨;4根轴;1个永磁交流发电机;8个轴承;箱体;皮带轮⑦;3个齿轮②，③，⑥。图2为机械传动图。

假设滑轮顺时针转动，此时只有棘轮齿轮①转动，而棘轮齿轮⑤不转，齿轮②逆时针转动，齿轮③逆时针转动，齿轮④顺时针转动，带动轴顺时针转动，而棘轮皮带轮⑧不转，轴带动棘轮皮带轮⑩顺时针转动，带动发电机顺时针转动;当滑轮逆时针转动时，棘轮齿轮⑤转动，而棘轮齿轮①不转，此时齿轮⑥顺时针转动，皮带轮⑦顺时针转动，带动棘轮皮带轮⑧顺时针转动，带动轴顺时针转动，棘轮齿轮④不转，轴带动棘轮皮带轮⑩顺时针转动，带动发电机顺时针转动。

图2 机械传动图

2.2 设计原理

图中各齿轮的模数取相同的值，所以，传动比就是分度圆直径之比;同理，各皮带轮计算时取有效直径，在计算力的过程中，则统一采用这些直径对应的半径来计算。设图中各轮的有效半径分别为r1，r2，r3，r4，r5，r6，r7，r8，r9，r10，r11，考虑到实际情况，设计舒张过程中和拉伸过程中的传动比不相同，设舒张时发电机的稳定转速为n，拉伸过程中发电机的稳定转速为nN。以下各计算均以强臂机为例。

(1)所需最小重物质量的计算。最小重物质量mmin的定义:在不违反人们健身习惯的情况下，保证人的手臂从收缩状态能够以正常的速度回到舒展状态所需重物的最小质量。此最小重物需要克服返回过程中电机的电磁转矩以及摩擦阻力，稳定时重物保持一定速度下降

通过上式可以计算出最小重物的质量，并且可以根据实际情况校验上述假设转速n是否合理，从而选择合适的传动比。

(2)人所需最大拉力的计算(带正常重物m时)

式中:TM为拉伸过程中转速稳定时的电磁制动转矩;FW为发电机转速稳定时人的拉力。

设计过程中应选择合适的半径，并且选择质轻的材料制作滑轮，尽量使变速箱有合适的传动比，不至于开始时用的力和稳定时用的力相差太大;应根据实际力量的大小选择额定功率合适的发电机，变速箱制作过程中尽量使各部分的摩擦力降到最小，使上述变速箱有较高的工作效率。

3 电气控制

3.1 发电机的选择

由于该发电装置并不是每时每刻都在工作，故采用类似大型发电厂的传统电流励磁方式，需要额外的励磁电流，并且对其控制也很复杂。考虑到该装置发电功率并不是很大，容量较小，最终选用了小容量永磁式单相交流发电机。这样一来，一方面可以不用关注发电机内部建立磁场的情况;另一方面，对于发电机输出的单相交流电也容易控制。

3.2 整流稳压部分原理

由于永磁式单相交流发电机输出的电压电流波形与发电机的转速紧密相连，而转速在一定范围内波动，因此，电压和电流的幅值和频率的变化都是不规律的。鉴于此，可采用整流、稳压效果非常好的高精细复合管整流稳压电路。在稳压电路中，负载电流Ifz要流过调整管，输出大电流的电源必须使用大功率的调整管，这就要求有足够大的电流供给调整管的基极，而一般的比较放大电路输出的电流达不到此值;另一方面，调整管需要有较高的电流放大倍数才能有效地提高稳压性能，但大功率管电流放大倍数一般都不高。解决办法是给原有的调整管再配上一个或几个管，组成复合管，稳压电源电路如图3所示。

图3 整流稳压电路

图3中，用复合管做调整管时，BG2的反向电流Iceo2将被放大，尤其是采用大功率管时，反向截止电流Icbo比较大并随温度增高按指数增加，很容易造成高温空载时稳压电源的失控，使输出电压Uo增大。误差信号ΔUo经放大加到BG2的基极来减少Iceo2，可能迫使BG2截止。为了使调整管在不同温度下都工作在放大区，常在BG1的基极上加电阻R7，接到电源的正极或负极上。当温度或负载变化不大或全用硅管时，可不加这个电阻。R7的阻值可近似由下式决定:

接负极时

接正极时

式中:Usc为电路的输出电压;Ube1为1管基极和发射极间的电压;Icbo1为指定的1管的反向截止电流。

发电机发的是幅值和频率均变化的交流电，经过如图3所示的电路中的单相桥后整流为直流电。直流电经过电感L和电容C滤波之后得到较为平稳的电压波形，再经过调整管BG1，BG2进行两级放大后，经由稳压管DW实现稳压的目的，其整流稳压过程如图4所示。

3.3 充电电路

3.3.1 电路原理

充电电路原理图如图5所示，当输出端按正确极性接入设定的充电瓶后，若输出电压超过电瓶的输出电压，则可控硅SCR经可调节晶体管Q的集电极电流触发导通，电流经可控硅给电瓶充电。当电压接近电瓶电压时，可控硅关断，停止充电。调节R4，可调节晶体管Q的导通电压，一般可将R4由大到小调整到Q导通能触发可控硅(导通)即可。图中发光管D1用作电源指示，而D2用作充电指示。

3.3.2 元件选择

可控硅可用10A/100V金封单向可控硅。触发三极管Q的参数为Uceo≥60 V，最大稳定工作电流IM=1 A，可选用 2SB536，B564，B1008，B1015 或2SA684，A720等管子。R6用作限流保护，若变压器次级输出电压合适，充电电流(平均值)不超过1.5 A，该电阻亦可省去不用。

该充电器若用于其他电压的蓄电池充电(如24 V等)，则可适当增加R2和R5的阻值，也可用波段开关控制阻值转换，使该充电器有更大的使用范围。

3.4 蓄电池

节能减排的宗旨就是要节约物质资源和能量资源，减少废弃物和环境有害物(包括三废和噪声)的排放;狭义而言，节能减排是指节约能源和减少环境有害物排放。因此，当选用蓄电池的时，也尽量从这个角度出发。

图5 充电电路原理图

蓄电池的种类主要有铅酸蓄电池、胶体蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、镍镉电池、钠硫蓄电池、镍锌蓄电池和锌空气蓄电池。其中，铅酸蓄电池可靠性好、原材料易得、价格便宜，是应用程度最高的蓄电池之一，但它的比能量低、质量和体积太大、一次充电行程较短、使用寿命短、使用成本过高。胶体蓄电池是对普通铅酸蓄电池的改进，用胶体电解液代换了硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通铅酸电池有所改善;另外，胶体蓄电池具有承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力、过充电及过放电自我保护能力等优点，维护量小、性价比高，适用于供电不稳定的环境，是最理想的用于循环使用的电池。从节约能源的角度出发，它比一般蓄电池的蓄电量大;从减少环境有害物排放的角度出发，它不会出现漏液、渗液等现象，逸气量小，对环境危害很小;从经济角度考虑，其性价比相对较高，成本回收周期较短。所以，经过长时间的调查研究，决定选用胶体蓄电池作为该装置的蓄电设备。

4 试验数据

本文以强臂机为例，对该装置进行试验。选定强臂机上一定滑轮，用装置上的定滑轮⑨替换它，将箱体的位置摆放好，人为拉动强臂机进行锻炼。

图4 整流稳压图

4.1 最小重物的试验数据

在健身设备上按5 kg的质量梯度加以试验，直到找到能使设备可靠返回的最小质量为35.00 kg。按理论计算式计算的最小重物质量为31.56 kg，与试验值很接近。该最小重物的质量对于健身者来说完全可以胜任，说明该装置具有可行性。

4.2 电气部分试验数据

在发电机机端并联直流电压表，在发电机与蓄电池的回路中串联直流电流表。当人健身时，读取电压表和电流表的数值，这2个值会分别在某一值的附近波动，但波动范围不是很大，记录人运动1个周期的数据，见表1。

表1 运动1个周期的数据

考虑到人手臂收缩和舒张的时间都很短(大约1.5 s)，而且两者的差异不是很大，近似认为其时间是相等的。因此，运动1个周期的平均功率为(252.18+163.73)/2=207.96(W)。计及电能从存储进蓄电池到蓄电池释放电能过程中的损耗，本文取平均功率为200 W。

5 效益分析

5.1 经济效益分析

假设在一个有10台上下力量训练器的小型健身房安装该装置，健身房每天运营时间为12 h，每台装置平均每天的使用时间为10 h且每天均处于额定运行状态，节电数据见表2。

表2 节电数据

对于拥有10台上下训练器的健身房，年发电量基本可实现自供电照明，成为“绿色健身房”。每台装置的成本见表3，由表3可知，成本回收周期为738/(2×0.6)=615(d)，合1.68年。

5.2 工业效益分析

相对于火力发电厂，该装置发电无污染物产生，为绿色发电。下面将以火电厂为例，介绍该装置所带来的工业效益。

表3 装置成本

根据有关标准，发1 kW·h的电需要消耗300 g标准煤，那么对于拥有10台上下训练器的健身房，每年可节约煤耗2.19 t，这部分煤用于发电所产生污染物的数据见表4。

表4 2.19 t煤用于发电所产生的污染物 t

该发电装置不产生任何有害物质，一定程度上减少了电厂污染物的排放。

6 结论

该装置的典型特征是能够将双向输入转化为单向输出，不论选定的定滑轮替代品做正方向或反方向转动，都能够通过棘轮机构实现转向一致的终端输出，并通过齿轮组的提速使终端输出高转速，进而带动发电机发电，最终达到了利用往复式运动健身设备来发电的目的，符合节能减排的要求。通过试验数据的分析，最小重物的质量对于健身者来说完全可以胜任，说明装置有很强的可行性。发电机平均发电功率为200 W，每台设备的投资收回周期为1.68年。从工业效益上分析，有效减少了煤燃烧时污染物的排放，能够满足节能减排的要求。

该装置突破相关领域的技术难关，使利用健身房中的大多数设备进行发电的梦想成为可能，有利于建设资源节约型、环境友好型社会，践行科学发展观，符合节能减排的要求，应用前景十分广阔。

［1］陈乃力.理论力学［M］.4版.北京:高等教育出版社，2009.

［2］成大先.机械设计手册(第1卷)［M］.5版.北京:化学工业出版社，2008.

［3］张学义.永磁发电机三相半控桥式整流稳压器的研制［J］.电机与控制应用，2006，33(4):59 －60.