基本信息
- 項目名稱：
- 便攜高壓電學實驗箱
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 高壓電學實驗箱內(nèi)部的脈沖高壓發(fā)生器回路實驗板包括絕緣底板、固定電阻，帶金屬邊緣小孔,絕緣板固定孔，高壓電容和放電球。放電球的端插入帶金屬邊緣小孔，高壓電容的一個C1引腳插入放電球的G2端，整體電路的搭建如圖三所示。電路完成后，每兩個放電球為一組，它們的G1端可以組成一個放電球隙，電容在電路中是以并聯(lián)的形式存在。
- 詳細介紹：
- 兩種觸發(fā)電路都采用了行輸出變壓器（圖中的 ），雖然兩個行輸出變壓器型號，引腳排列各不相同，但結(jié)構(gòu)和作用是相似的。其內(nèi)部有多匝線圈，通過接入不同的引腳，可以實現(xiàn)不同倍數(shù)的變壓效果。行輸出變壓器由一般采用 左右頻率的方波驅(qū)動。兩種方案的基本思路都是通過一個前端電路產(chǎn)生方波，驅(qū)動行輸出變壓器；區(qū)別之處在于產(chǎn)生方波的方式。（1） 方案一電路及說明 圖6 觸發(fā)電路方案一電路圖 如圖6所示，方案1產(chǎn)生方波的方式是利用555芯片接成多諧振蕩器。在3引腳處產(chǎn)生方波，如果要得到某一頻率的方波，根據(jù)公式 可以確定R1，R2，C2的大小。對于圖3的電路，計算可得方波的頻率是 ，電壓峰值是12V。 3引腳處輸出的電壓和頻率雖然滿足需要，但是功率太低，不足以驅(qū)動場效應管。因此，在R3后面使用了一個C1815晶體管對輸出的電流進行放大。 當場效應管柵極是高電位時，場效應管開啟，源極和漏極之間導通有電流流過，如圖，電流從行輸出變壓器的2引腳流入，1引腳流出；當柵極變成低電位時，場效應管截止，源極和漏極之間電阻極大，無電流通過。電流從蓄流二極管從形成回路中流過，而R7此時起到限流作用。當以上過程重復進行時，相當于給行輸出變壓器的輸入端加了一個不斷變化的電流，根據(jù)電磁感應原理，行輸出變壓器的副線圈中就會有變化的電壓輸出；經(jīng)過高壓硅堆整流，最終就會產(chǎn)生比較穩(wěn)定的直流高電壓。當裝置放電時會有一個很大的反擊電壓，瞬間使觸發(fā)電路的電壓升高到幾百伏，為了保護場效應管不被燒壞，要在其兩端并上一個電容C3。 （2） 方案二電路及說明 圖7 觸發(fā)電路方案二電路圖 如圖7所示，行輸出變壓器的原邊可等效為鐵氧體磁芯線圈，它比普通電感線圈有更高的電感量和品質(zhì)因數(shù)。當6腳接通12V/5A直流電源時，電流由6腳流向5腳，此時三極管導通，在導通的瞬間， 7引腳相當于接地，電勢變?yōu)?，5腳與7腳之間會產(chǎn)生一個方向與原來相反的很大的感應電動勢，電流由5腳流向7腳。此時，三極管截止，7腳電位升高而5腳降低。所以電流又由7腳流向5腳，此時三極管再次導通，以上過程重復進行，那么三極管一會兒導通，一會兒截止，相當于從5、7端輸入了方波信號。和方案一中所述的原理一樣，行輸出變壓器輸出端產(chǎn)生高壓，經(jīng)過高壓硅堆整流，最終就會產(chǎn)生比較穩(wěn)定的直流高電壓。 在這里，行輸出變壓器中本身就含有高壓硅堆。如果對于電壓還有更高的要求，可以把單一的高壓硅堆換成倍壓整流電路，這樣得到的電壓會更高。但是這樣高的電壓，對電容和硅堆等元件的性能要求會比較高，而且調(diào)試起來也并不容易。
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品的目的：是設計一種設計簡單，控制簡便、靈活，低成本，安全性高，并可根據(jù)需要進行功能擴展的高壓電學實驗箱。 基本思路是：采用220V，50Hz市電輸入。設置有交直流轉(zhuǎn)換電路，升壓控制電路，功能選擇電路。 創(chuàng)新點：在已知的同類高校實驗室中以及在“國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索數(shù)據(jù)庫”中未見有與該類高壓電學實驗箱功能相同的產(chǎn)品。 技術(shù)關(guān)鍵：將輸入的市電升壓到10000V以上，交直流切換功能。 技術(shù)指標：實現(xiàn)220V-10000V，完成7種高電壓放電的演示實驗，可以應用于多門電氣自動化專業(yè)課程。
科學性、先進性
- 技術(shù)特點：其整個工作電路放于一個長寬高分別為60CM、40CM、18CM的箱體中。電源采用降壓整流方式將交流220伏市電變換為直流24伏，以供后端升壓使用，升壓控制電路采用開關(guān)方式控制功率器件，使直流24伏電壓逆變?yōu)榻涣鞑⑸龎褐?0000伏以上，可以實現(xiàn)高壓交流的相關(guān)實驗；交直流轉(zhuǎn)換開關(guān)可以實現(xiàn)對交流高壓的整流，輸出直流高壓，輸出端接線柱擴展端口可以展現(xiàn)高壓放電，通過接線柱可以觀察直流高壓放電等現(xiàn)象；在擴展端口上接入由電阻電容器件搭建的MARX堆，再次進行升壓可以達到幾萬伏特電壓（可以由學生進行自由擴展，升壓的等級依賴于MARX堆級數(shù)，），可以實現(xiàn)人造閃電實驗。在已知的同類高校實驗室中以及在“國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索數(shù)據(jù)庫”中未見有與該類高壓電學實驗箱功能相同的產(chǎn)品。 參考文獻： 周之奎，關(guān)永超.脈沖高電壓、大電流測量系統(tǒng)的分析研究[J].爆轟波與沖擊波.2003.12.3：170-174 國家知識產(chǎn)權(quán)局相關(guān)資料。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 國家知識產(chǎn)權(quán)局： 一種智能脈沖發(fā)生器 200820142946.1高壓電學實驗箱 200910068657.0 一種高壓放電實驗箱 201020532424.x
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 知識產(chǎn)權(quán)
作品可展示的形式
- 現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 該高壓電學實驗箱可以加快電氣專業(yè)高壓電學類課程的建設步伐，提高高壓電學及相關(guān)課程的整體教學質(zhì)量和實驗水平，促進電氣專業(yè)人才在學習能力和實踐水平的提高，為天津市濱海新區(qū)發(fā)展高層次人才的需求作出貢獻。在經(jīng)濟區(qū)域一體化的新形勢下，天津市濱海新區(qū)要不負眾望、有聲有色地擔當起引擎角色，要大力發(fā)展經(jīng)濟，盡快打造核心地位，塑造特色鮮明的全新濱海形象。特別是樹立濱海新區(qū)的經(jīng)濟優(yōu)勢地位，就要集中力量進行資源優(yōu)化配置。經(jīng)濟飛速發(fā)展，人才的配置至關(guān)重要，他可以是經(jīng)發(fā)展的原動力，也可能成為發(fā)展的瓶頸。根據(jù)“關(guān)于十一五期間企業(yè)高技能人才需求預測報告”,”天津國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要”的分析預測，天津市濱海新區(qū)對于電氣人才的需求是十分旺盛的，該實驗設備不僅可以提高本科的教學質(zhì)量和水平，而且可以成為科研平臺的重要組成部分和有力支撐，經(jīng)過在高壓電學及相關(guān)課程體系中推廣使用，必將培養(yǎng)出更高層次，實踐、創(chuàng)新能力更強，符合濱海新區(qū)發(fā)展所需要的高層次電氣人才，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟和社會效益。
同類課題研究水平概述
- 研究現(xiàn)狀： 由于高壓電學實驗設備價格昂貴，實驗危險性較大，控制不方便，所以試驗設備很難推廣，該類實驗設備在高校中非常匱乏，相關(guān)的實驗也很難開展，因此很多學生往往只能通過觀看錄像或在科技展覽館中獲得相關(guān)的高壓電學知識，對高壓放電的現(xiàn)象往往沒有一個直觀的印象，更沒有得到實踐的機會，理論和實踐沒有很好地結(jié)合起來。 基于提高學生實踐能力的原則，我們提出了一種設計簡單，控制簡便、靈活，低成本，安全性高，并可根據(jù)需要進行功能擴展的高壓電學實驗箱。該實驗箱可以完成多個高電壓、電磁場，電氣學，絕緣技術(shù)，繼電保護，電磁兼容方面的實驗，對于學生的高壓電學及相關(guān)理論知識的學習和實踐能力的提高有非常大的幫助。在已知同類高校實驗室中以及在“國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索數(shù)據(jù)庫”中未見有與該類高壓電學實驗箱功能相同的產(chǎn)品，因此本試驗箱的已經(jīng)申請國家專利。高壓電學實驗箱（專利號：200910068657.0）。 研究現(xiàn)狀： 由于高壓電學實驗設備價格昂貴，實驗危險性較大，控制不方便，所以試驗設備很難推廣，該類實驗設備在高校中非常匱乏，相關(guān)的實驗也很難開展，因此很多學生往往只能通過觀看錄像或在科技展覽館中獲得相關(guān)的高壓電學知識，對高壓放電的現(xiàn)象往往沒有一個直觀的印象，更沒有得到實踐的機會，理論和實踐沒有很好地結(jié)合起來。 基于提高學生實踐能力的原則，我們提出了一種設計簡單，控制簡便、靈活，低成本，安全性高，并可根據(jù)需要進行功能擴展的高壓電學實驗箱。該實驗箱可以完成多個高電壓、電磁場，電氣學，絕緣技術(shù)，繼電保護，電磁兼容方面的實驗，對于學生的高壓電學及相關(guān)理論知識的學習和實踐能力的提高有非常大的幫助。在已知同類高校實驗室中以及在“國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索數(shù)據(jù)庫”中未見有與該類高壓電學實驗箱功能相同的產(chǎn)品，因此本試驗箱的已經(jīng)申請國家專利。高壓電學實驗箱（專利號：200910068657.0）。
