基于健身器材的发_用电系统的设计

技　术　创　新

2010 .26

科技创新导报

基于健身器材的发、用电系统的设计

李龙龙

(华北电力大学 北京 102206)

摘 要:本文针对运动器械的运动特点,设计了一套健身器材发电系统,利用液压传动的措施将健身器材的不规律机械能转化为水的势能,平稳地发电,并利用电力电子装置改善电能质量后供电力设备使用。同时,制作了此系统的简易模型,验证了方案的可行性。关键词:健身发电 液压传动 电力电子控制中图分类号:R19文献标识码:A

文

章编号:1674-098X(2010)09(b)-0025-02

随着人民生活水平的日益提高,更多的人开始热衷于健身,以保持健康的体魄和满意的体型。正是由于人们在健身上的投资愈来愈多,导致各种健身场所应运而生。在健身时,人体消耗大量的能量,转化为健身器械的机械能。这些能量其实是很可观的,为什么不加以利用呢？

将健身器械的机械能转化为可为生产、生活所使用的电能,也是对“低碳生活”这一新的时代主题的一种贡献。随着更多大型健身俱乐部的建成,设计一套能高效地利用各种健身器材发电的系统,在当今能源紧缺的大局势下,其效益是显而易见的。

目前,国内利用健身器械发电还处在研究之中,健身器械的运动大多是圆弧摆动的,难点之一就是如何高效地将不确定的圆弧摆动运动转化为有规律的圆周运动,以驱动发电机发电。

本文针对健身器械的运动特点,设计了一套利用健身器械发电的电气系统,并

已通过制作模型验证了可行性。

1 系统组成及流程

1.1需要考虑的因素

根据健身器材的特点,设计一套合适的发、用电系统,主要从以下几个方面考虑:(1)健身器材的运动主要可分为圆周运动和圆弧摆动运动两类。故设计的发电系统应对两类运动都适用。(2)转速的不稳定性。健身人群有性别、年龄、体力的差异,导致器械的运动速度无法稳定,此问题可用适当的缓冲装置解决。(3)要有足够大的输出。器械的转速直接用来发电的话,是远远不够的,需要借助一定的齿轮变速装置来提高转速。(4)发、用电要平衡。运动器械的使用具有不确定性,故发出的电量可能时大时小,故在系统中需加储能装置。1.2系统工作原理

由健身器械带动偏心轮旋转,通过容积式泵将水槽中的水压入缓冲槽1内。水经缓冲后,流过叶轮,叶轮旋转经变速装置

后,带动发电机发电,发电机一边向负载供电,一边与蓄电池相连,以实现:发电过量时,向蓄电池充电;发电不足时,蓄电池也向负供电。

流过叶轮的水经缓冲槽2,又流回水槽中,构成循环系统。

2 系统中各部分设备原理分析

2.1容积式泵

2.1.1图1中容积式泵的工作原理柱塞5依靠弹簧6紧压在偏心轮1上,偏心轮由健身器械带动旋转,使柱塞往复运动,柱塞向左移动时,密封工作腔7的容积逐渐变大,产生部分真空,大气压力迫使水槽中的水经单向阀4,进入密封工作腔,这是吸水过程;当柱塞向右运动时,密封强度的容积逐渐缩小,使其中的水受挤而产生一定的压力,顶开单向阀3向缓冲槽1流去,这是压水过程。偏心轮不断地旋转,泵就不断地吸水或压水。这样,泵就将健身器械的机械能转化为水的压力能。

2.1.2液压泵的主要系能参数(1).输入功率 Pi:它是实际驱动泵轴所需要的机械功率,即 Pi=ωT=2π其中 ω为角速度,n为转速,T为扭矩。

(2).输出功率 P0:液压泵的输出功率为实际输出流量与泵的出口压力的乘积,即 P0=pq其中p为泵的出口压力,q为泵的实际输出流量。2.2循环系统

2.2.1循环系统的工作过程

健身器械的运动规律是不能确定的,直接用不稳定的机械能来发电是没有意义的,但通过一定的缓冲装置将不稳定的机械能先转化为稳定的其他形式的能,如液压能,再来发电,效益就会提高很多。

将液压泵传来的水先存储在缓冲槽内,只有当缓冲槽内的水位达到一定值时,才开始发电,并维持水位在这一定值附近,以保证叶轮的转速在一个不大的范围内变化,发出的电能波动也不大,再经过电力电子控制装置就可以得到较高质量的电能。

2.2.2循环系统简易模型的制作

(1)将水瓶洗净后,去掉瓶盖,在瓶底部开孔即可,如图3左图所示。

(2)先在塑料盒的上下两侧用烙铁烧两个对称的小孔,然后在侧面再开两个对称的直径略小于管路直径孔,最后将塑料叶轮至于盒内,用细铁棒穿过上底面的小孔、叶轮中心、下底面小孔,用胶水将铁棒固定,如图3右图所示。

图1 循环系统图

注:1为偏心轮,2为容积式泵,3、4为单向阀,5为柱塞,6为弹簧,7为密封工作腔

图2 发、用、蓄电系统图

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