一種踩踏式發電實驗模型的設計

高洪巖+張勇+邱忠媛

摘 要：提出了由盤式發電機和TL494組成PWM開關穩壓電源構成的踩踏式發電實驗模型設計方案。給出盤式發電的纏繞方法，設計了系統原理圖，并附帶各器件的參數。

關鍵詞：盤式發電機；橋式整流；踩踏發電

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

火力，水力， 核能，太陽能，風力都可以進行發電[1-3]。另外，還有一些新型發電方法，如用地熱發電、生物質等新能源發電[4-5]。本項目另辟溪徑，在遼寧省大學生創新項目的支持下，以提高大學生的創新能力為宗旨，探索一種踩踏式發電方法，設計一種踩踏式發電實驗模型。踩踏式發電機通過踩踏或碾壓產生交變電流，經橋式整流和控制器對畜電池進行充電。控制器控制著蓄電池輸出直流給負載，同時還控制著逆變器給交流負載。

1 發電部分的設計

采用自制盤式發電機發電。發電機中采用了兩個半圓形的磁鐵，在磁鐵內表面分別是N極和S極，將15個線圈附在一根軸的表面，并將軸用一個大的螺栓固定在箱體上，用作電機定子，軸的另一端連接一根軸承。盤式發電機外殼的內表面附著兩個磁鋼，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小軸承，并用軸端蓋把軸固定在箱體的內板上。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4根鋼管上，鋼管內有4個彈簧，當踏板被壓下后4個彈簧會將其彈起。踏板的中間連接一個軌道齒，軌道齒下方套在一個空管內，與其對應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空管內，在空管內都按有彈簧，方便其上下運動。

裝置內的兩根軌道齒與盤式發電機的齒輪相互嚙合，當踏板被踩下去后，一根軌道齒向下移動帶動齒輪轉動，齒輪轉動帶動轉子轉動，盤式發電機中的兩個磁剛轉動，定子上的線圈切割磁力線產生感應電流。這種軌道式的連接不僅成本低而且具備齒輪傳動的優點。盤式發電機一般線圈3個一組。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，最后會甩出3根線。線圈的連接按照星形方法連接。

2 整流部分設計

采用PWM控制式三相半控橋整流穩壓電路，發出的三相交流電，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，給負載RL供電，給蓄電池GB1充電。

檢測電路、基準電路、比較電路、觸發電路一起組成控制電路。檢測電路的作用是檢測電壓U0，與經過產生的基準電壓進行比較，當整流電壓U0比基準電壓值小時，電路中的晶閘管可以被觸發導通，此時橋式整流電路可以正常工作。盤式發電機向蓄電池GB1充電，使輸出電壓升高，同時負載RL也能得到供電。當整流電壓U0比基準電壓值大時，比較電路中的比較器輸出翻轉，則不能產生觸發信號，晶閘管則不能導通。因此橋式整流電路處于靜止狀態，盤式發電機不能給蓄電池充電，也不能給負載供電。設計中晶閘管門極得到的觸發信號是PWM信號，它的特點是頻率固定，脈沖寬度可以調節。三相半控整流橋的導通、斷開周期是固定的，通斷時間則由工作狀態決定。本設計采用TL494芯片是PWM控制的專用集成塊。

3 充電部分設計

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中的基準電壓Vref來自TL494（14）腳Sv的分壓，大約50mV。當盤式發電機的電壓Vin增大時，Rl、R2的分壓從Trl的發射極輸出。設電流取樣電阻R8=l00mΩ，若這個輸出電壓低于ZD1的穩壓值，電流Is就流經R3、R7。若高于ZD1的穩壓值，則有附加電流流經ZD1、R4、R7。若有更高電壓，就會有附加電流流經ZD2、R5、R7或ZD3、R6、R7。這幾路電流合起來，使V；。升高時Is快速增大。適當選擇ZD1—ZD3，R3—R5，則有：Is=kxVin3式中k為比例系數。

單刀5擲開關為最優負荷選擇性開關。以盤式發電機的輸出電壓為依據來選用最優負荷，使其在任何踩踏承重下都能得到最大輸出。輸出開關電路用2通道驅動，當TIA94的（13）腳接5v時工作為推挽方式。

此方式下開關ON的占空比為50%以下，即使輸入與輸出電壓差大也無沒關系。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，效率達到85%—90%。

表1和圖2列出在外接 +15V穩壓電源、+44V輸出端空載條件下，用數字萬用表測得的TL494各腳對地電壓值和用示波器測得的關鍵點波形圖，供檢修和學生實驗參考。TL494第14腳（+5V基準電壓）若不正常，TL494第13 、2、4、腳電壓，IC2有關引腳電壓也不會正常。斷開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 結語

踩踏式發電是一種清潔環保的可再生能源發電方式，實驗裝置結構簡單、造價低廉、可用于小用電量的實踐。此實驗設計可為大學生創新創業提供借鑒。

參考文獻：

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