高洪岩+张勇+邱忠媛

摘 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，并附带各器件的参数。

关键词：盘式发电机；桥式整流；踩踏发电

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

火力，水力， 核能，太阳能，风力都可以进行发电[1-3]。另外，还有一些新型发电方法，如用地热发电、生物质等新能源发电[4-5]。本项目另辟溪径，在辽宁省大学生创新项目的支持下，以提高大学生的创新能力为宗旨，探索一种踩踏式发电方法，设计一种踩踏式发电实验模型。踩踏式发电机通过踩踏或碾压产生交变电流，经桥式整流和控制器对畜电池进行充电。控制器控制着蓄电池输出直流给负载，同时还控制着逆变器给交流负载。

1 发电部分的设计

采用自制盘式发电机发电。发电机中采用了两个半圆形的磁铁，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，用作电机定子，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，把齿轮用键固定在齿轮上，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。

装置内的两根轨道齿与盘式发电机的齿轮相互啮合，当踏板被踩下去后，一根轨道齿向下移动带动齿轮转动，齿轮转动带动转子转动，盘式发电机中的两个磁刚转动，定子上的线圈切割磁力线产生感应电流。这种轨道式的连接不仅成本低而且具备齿轮传动的优点。盘式发电机一般线圈3个一组。第一组线圈首端相连，尾端依次连在下一组的首端，下面的几组线圈依次类推，最后会甩出3根线。线圈的连接按照星形方法连接。

2 整流部分设计

采用PWM控制式三相半控桥整流稳压电路，发出的三相交流电，由整流二极管Z1、Z2、Z3与晶闸管V1、V2、V3组成半控桥式整流电路，给负载RL供电，给蓄电池GB1充电。

检测电路、基准电路、比较电路、触发电路一起组成控制电路。检测电路的作用是检测电压U0，与经过产生的基准电压进行比较，当整流电压U0比基准电压值小时，电路中的晶闸管可以被触发导通，此时桥式整流電路可以正常工作。盘式发电机向蓄电池GB1充电，使输出电压升高，同时负载RL也能得到供电。当整流电压U0比基准电压值大时，比较电路中的比较器输出翻转，则不能产生触发信号，晶闸管则不能导通。因此桥式整流电路处于静止状态，盘式发电机不能给蓄电池充电，也不能给负载供电。设计中晶闸管门极得到的触发信号是PWM信号，它的特点是频率固定，脉冲宽度可以调节。三相半控整流桥的导通、断开周期是固定的，通断时间则由工作状态决定。本设计采用TL494芯片是PWM控制的专用集成块。

3 充电部分设计

前馈控制电作为电路的输入部分。输入电流与输入电压的三次方成比例。图1中的基准电压Vref来自TL494（14）脚Sv的分压，大约50mV。当盘式发电机的电压Vin增大时，Rl、R2的分压从Trl的发射极输出。设电流取样电阻R8=l00mΩ，若这个输出电压低于ZD1的稳压值，电流Is就流经R3、R7。若高于ZD1的稳压值，则有附加电流流经ZD1、R4、R7。若有更高电压，就会有附加电流流经ZD2、R5、R7或ZD3、R6、R7。这几路电流合起来，使V；。升高时Is快速增大。适当选择ZD1—ZD3，R3—R5，则有：Is=kxVin3式中k为比例系数。

单刀5掷开关为最优负荷选择性开关。以盘式发电机的输出电压为依据来选用最优负荷，使其在任何踩踏承重下都能得到最大输出。输出开关电路用2通道驱动，当TIA94的（13）脚接5v时工作为推挽方式。

此方式下开关ON的占空比为50%以下，即使输入与输出电压差大也无没关系。此外，由于Tr6和Tr7交互工作，输出纹波得以减小。本电路在功率为20W—200W时，效率达到85%—90%。

表1和图2列出在外接 +15V稳压电源、+44V输出端空载条件下，用数字万用表测得的TL494各脚对地电压值和用示波器测得的关键点波形图，供检修和学生实验参考。TL494第14脚（+5V基准电压）若不正常，TL494第13 、2、4、脚电压，IC2有关引脚电压也不会正常。断开IC1第14脚外电路后，如果各脚电压都不正常，则可确定IC1损坏。

4 结语

踩踏式发电是一种清洁环保的可再生能源发电方式，实验装置结构简单、造价低廉、可用于小用电量的实践。此实验设计可为大学生创新创业提供借鉴。

参考文献：

[1]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（09）：22-24.

[2]马一太，邢英丽.我国水力发电的现状和前景[J].能源工程，2003（04）：1-4.

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[5]郑克棪，潘小平.中国地热发电开发现状与前景[J].中外能源，2009（02）：45-48.