高洪巖+張勇+邱忠媛
摘 要:提出了由盤式發(fā)電機和TL494組成PWM開關(guān)穩(wěn)壓電源構(gòu)成的踩踏式發(fā)電實驗?zāi)P驮O(shè)計方案。給出盤式發(fā)電的纏繞方法,設(shè)計了系統(tǒng)原理圖,并附帶各器件的參數(shù)。
關(guān)鍵詞:盤式發(fā)電機;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,太陽能,風(fēng)力都可以進行發(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]。本項目另辟溪徑,在遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新項目的支持下,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)計一種踩踏式發(fā)電實驗?zāi)P汀2忍な桨l(fā)電機通過踩踏或碾壓產(chǎn)生交變電流,經(jīng)橋式整流和控制器對畜電池進行充電??刂破骺刂浦铍姵剌敵鲋绷鹘o負(fù)載,同時還控制著逆變器給交流負(fù)載。
1 發(fā)電部分的設(shè)計
采用自制盤式發(fā)電機發(fā)電。發(fā)電機中采用了兩個半圓形的磁鐵,在磁鐵內(nèi)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(fā)電機外殼的內(nèi)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(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個彈簧,當(dāng)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(nèi),與其對應(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空管內(nèi),在空管內(nèi)都按有彈簧,方便其上下運動。
裝置內(nèi)的兩根軌道齒與盤式發(fā)電機的齒輪相互嚙合,當(dāng)踏板被踩下去后,一根軌道齒向下移動帶動齒輪轉(zhuǎn)動,齒輪轉(zhuǎn)動帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,盤式發(fā)電機中的兩個磁剛轉(zhuǎn)動,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的優(yōu)點。盤式發(fā)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(shè)計
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。檢測電路的作用是檢測電壓U0,與經(jīng)過產(chǎn)生的基準(zhǔn)電壓進行比較,當(dāng)整流電壓U0比基準(zhǔn)電壓值小時,電路中的晶閘管可以被觸發(fā)導(dǎo)通,此時橋式整流電路可以正常工作。盤式發(fā)電機向蓄電池GB1充電,使輸出電壓升高,同時負(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,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,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),盤式發(fā)電機不能給蓄電池充電,也不能給負(fù)載供電。設(shè)計中晶閘管門極得到的觸發(fā)信號是PWM信號,它的特點是頻率固定,脈沖寬度可以調(diào)節(jié)。三相半控整流橋的導(dǎo)通、斷開周期是固定的,通斷時間則由工作狀態(tài)決定。本設(shè)計采用TL494芯片是PWM控制的專用集成塊。
3 充電部分設(shè)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(zhǔn)電壓Vref來自TL494(14)腳Sv的分壓,大約50mV。當(dāng)盤式發(fā)電機的電壓Vin增大時,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,就會有附加電流流經(jīng)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(dāng)選擇ZD1—ZD3,R3—R5,則有:Is=kxVin3式中k為比例系數(shù)。
單刀5擲開關(guān)為最優(yōu)負(fù)荷選擇性開關(guān)。以盤式發(fā)電機的輸出電壓為依據(jù)來選用最優(yōu)負(fù)荷,使其在任何踩踏承重下都能得到最大輸出。輸出開關(guān)電路用2通道驅(qū)動,當(dāng)TIA94的(13)腳接5v時工作為推挽方式。
此方式下開關(guān)ON的占空比為50%以下,即使輸入與輸出電壓差大也無沒關(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,效率達到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)字萬用表測得的TL494各腳對地電壓值和用示波器測得的關(guān)鍵點波形圖,供檢修和學(xué)生實驗參考。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(jié)語
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,實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、可用于小用電量的實踐。此實驗設(shè)計可為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供借鑒。
參考文獻:
[1]楊宏偉.太陽能光伏應(yīng)用創(chuàng)新性實驗的實踐[J].實驗技術(shù)與管理,2013,30(09):22-24.
[2]馬一太,邢英麗.我國水力發(fā)電的現(xiàn)狀和前景[J].能源工程,2003(04):1-4.
[3]劉波,賀志佳,金昊.風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].東北電力大學(xué)學(xué)報,2016(02):7-13.
[4]穆紫.可再生能源發(fā)電已成最經(jīng)濟方式[J].中國能源報,2016,10(10):009.
[5]鄭克棪,潘小平.中國地?zé)岚l(fā)電開發(fā)現(xiàn)狀與前景[J].中外能源,2009(02):45-48.