摘要：随着国际能源形势的日益严峻，节能环保的理念已经扩展到健身器械领域，将人体运动产生的机械能转化为电能，实现能源的回收与利用，可明显减少健身房对能源的消耗，有利于国家节能减排战略的实施。为此，本文研究以跑步机为例的健身器材发电中电能收集部分，主要针对电能存储中电力电子控制装置进行设计分析，建立永磁同步发电机、三相半桥式PWM整流电路的仿真模型，理论分析传动装置的选择后，确定发电机转速变化范围，对仿真模型进斩行试验，最终达到整流稳压效果，为健身器材发电的储能系统分析提供方向。
关键词：健身器材发电；电能存储；电力电子控制
1 引言
科技的发展和社会的进步不断提升了人们的生活水平，但手机电脑等高科技产品的使用让越来越多的人身体处于亚健康状态，因此，人们意识到运动能带来诸多益处。同时人们对能源的需求越来越大，而煤、油等不可再生能源污染环境，且资源浪费严重。于是，运动健身发电这项绿色、环保的高新技术应运而生。既可以节省能源，又方便了生活。以跑步机为例，利用人使用健身跑步机时所做机械功带动发电机转子转动进行发电，进而储存电能，可以将本来浪费了的能源用于照明、手机充电等小功率负载，同时可以利用蓄电池对电能进行储存。
2 研究背景及国内外发展现状
2.1 研究背景
随着现代工业的飞速发展，人类对能源的需求明显增加，据专家预测，煤炭还可开采221年，石油39年，天然气只能用60年。由能源短缺而引发的电力紧缺问题日益突出，根据相关数据分析表明，2020年全世界能源消耗量将达到现阶段能源消耗的3倍左右[1]。这些状况都对经济和社会的可持续发展提出严峻考验。解决能源问题，唯一的出路就是有计划的利用常规能源、节约能源和开发新能源。
利用健身场所中人体消耗的能量发电以供健身房其他用电设备的正常运转，这是健美瘦身、强健体魄的时尚生活方式与节能减耗、绿色环保时代主题的完美结合。在新能源的探索日新月异，节能产品层出不穷的今天，健身房发电无疑是具有规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一，同时也是普通民众从点滴做起，健身房发电以降低运营成本为根本保障，开发新能源为最终目标，具有广阔的市场空间和深远的推广意义。
3 健身器材工作原理及优缺点分析及工作原理
3.1 系统构成
为了能将发电装置产生的电能储存起来，让运动消耗的一部分能量能够为用电设备提供能源，本装置通过传动装置、永磁同步发电机、电力电子控制装置、蓄电池等一系列设备进行储电处理，工作原理如图1。由于人们使用健身器械时的齿轮转速较低，本项目研究通过变速齿轮传动，将低转速转变为高转速，转速提高到一定的倍数并带动永磁发电机的转子转动，此时发电机输出具有一定电压、频率脉动的交流电，再经过整流电路整流使之变为电压脉动的直流电，电压脉动的直流电再经过滤波稳压以及降压斩波装置，得以输出稳定幅值的直流电压，再接于蓄电池将电能存储起来。
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图1 工作原理流程图
3.2 传动装置设计
由于人的运动速度有限，相应轴的速度也很低，而发电机需要较高转速，因此需要传动装置。根据健身器材发电特点，可选择齿轮箱增速将转速放大。实际测得人跑步60min消耗功率约150W—500W，考虑跑步机输出转速为55r/min，据功率确定发电机转速1000r/min，从而确定传动比，设计传动比＝电机转速/跑步机输出转速。
除普通齿轮箱外，还可使用变速齿轮传动，这是由于单排齿轮机构有2个自由度，因此它没有固定的传动比，不能直接用于变速传动。为了组成具有一定传动比的传动机构，如行星齿轮机构，必须将太阳轮、齿圈和行星架这3个基本元件中的一个加以固定，或使其运动受到一定的约束，或将某2个基本元件互相连接在一起，使行星排变为只有1个自由度的机构，获得确定的传动比。利用行星轮系增速，行星轮系的第一级为低速级，通过传动轴传动，直接把转矩从行星架传递到行星轮，通过行星轮和太阳轮的啮合,将转矩传到第二级行星架,第二级是高速级,其转矩和第一级类似，第二级的太阳轮作为功率输出端[2]，转动轴再通过联轴器与发电机连接,实现高速动能的输入。我们使用三级加速齿轮，每级加速齿轮传动比为，经加速过后传动比为。每一级加速均选用半径最大的齿轮和半径最小的齿轮进行组合，两齿轮在同一轴，半径最小的齿轮作从动齿轮，发电机安装在最后一级传动末端，如此，主动和从动齿轮半径，，单极加速传动比，跑步机输出转速，发电机工作转速满足下式：
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4 电能收集部分原理及仿真分析
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图2健身器材发电电能收集部分电路图
由于发电机提供的电源并不是理想的正弦波。电压波动、频率波动、波形畸变和瞬时停电等情况都可能使设备运行受到影响。因此设计电力电子电路将电能进行储存或者整流斩波后再经逆变电路提供给电器设备使用。如图2，本项目主要研究将发电机输出电压进行整流滤波，然后经降压斩波后储存到蓄电池。永磁同步发电机部分，PWM逆变器为额定功率为1.1 kW，220 V，3000 rpm的三相电动机供电。其输出先经过受控电压源模块，然后再施加到PMSM模块的定子绕组。施加在机器轴上的负载扭矩最初设置为其标称值3，并在t = 0.04 s时降低至1。使用两个控制回路：内环调节电动机的定子电流。外环控制电动机的速度。
4.1 三相PWM整流电路
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图3 三相PWM半桥式整流电路图
电路组成：如图3，电路采用PWM控制方式和全控型器件组成，电路与交流输入端之间的电感过滤掉高次谐波，高次谐波电压只会使交流电流产生很小的脉动，且各相电压按图4向量图控制，使各相电流为正弦波且与电压相位相同，功率因数接近1[3]。
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图4 PWM整流运行方式向量图
工作原理分析：该电路为三相电压型PWM整流电路，采用单极性调制，对三相半桥式PWM整流电路的三相桥臂施加幅值、频率相等，而相位相差120°的三相对称调制信号，由于每组桥臂共有两种开关模式（上桥臂导通或下桥臂导通），因此三相VSR共有8种开关模式，用单极性二值逻辑开关函数表示[4]：
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式中，表示上桥臂功率开关管及续流二极管；表示下桥臂功率开关管及续流二极管。分析三相VSR单位功率因数整流工作状态时a相参数：
1)a相交流侧电压的开关函数表达式：
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式中，为拉氏变换量。
所以惯性时间常数越大，其直流侧电压脉动幅值越小。
三相电压型脉宽调制整流器是一种高效、可靠的功率变换器，具有单功率因数运行、输入电流谐波含量低、直流侧电压可控、能量双向流动等优点[5]。与传统二极管整流相比，PWM整流器用全控型功率开关取代了半控型功率开关管或二极管，以PWM控制整流取代了相控整流和不控整流。发电机输出的交流电经三相桥式PWM整流转换为直流电。发电机转速为1000r/min时该部分仿真输出电压电流波形如下：
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图6 整流输出电流波形图
由图5和图6可看出，输入电压和电流经三相半桥式PWM整流后变为86V直流电压和86A电流
5 结论：
针对健身器材发电的电能收集问题，本文简单介绍了健身器材发电的工作原理，根据以跑步机为例的健身器材工作转速低等问题提出传动装置选择，重点分析对电能存储的电力电子装置设计，最终选用三相半桥式PWM整流电路对发电机发出电压进行整流，进而进行存储。在电能收集中后续还可考虑将设计的三相PWM整流电路转换为逆变电路使用，级联至系统，将发电机整流所得的直流电压或蓄电池电压转换为正弦脉宽调制的交流电压，供普通用电器使用。
参考文献：
[1]蒋凌. 发电式跑步机的研究[D].湖南大学,2016.
[2]陈圣吉，郑阳，段波，等.基于电力电子控制电路的健身单车发电系统的研制[J].科技创新导报，2009（04）：79.
[3]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社，2009
[4]张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制[M].机械工业出版社，2012
[5]H.?He,?T.?Si,?L.?Sun,?B.?Liu?and?Z.?Li,?"Linear?Active?Disturbance?Rejection?Control?for?Three-Phase?Voltage-Source?PWM?Rectifier,"?in?IEEE?Access,?vol.?8,?pp.?45050-45060,?2020,?doi:?10.1109/ACCESS.2020.2978579.
作者简介：张紫薇（1998.8—），女，重庆人，南京市江宁区河海大学电气工程及其自动化专业，本科生；
倪涵艺（1999.11—），女，江苏南通人，南京市江宁区河海大学电气工程及其自动化专业 本科生；
李展丞（1998.4—），男，黑龙江哈尔滨人，南京市江宁区河海大学电气工程及其自动化专业 本科生；
刘一兵（1999.9—），男，福建人，南京市江宁区河海大学电气工程及其自动化专业 本科生；
侯翔一（1999.2—），男，辽宁大连人，南京市江宁区河海大学自动化专业 本科生；