基本信息
- 项目名称：
- 便携高压电学实验箱
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 高压电学实验箱内部的脉冲高压发生器回路实验板包括绝缘底板、固定电阻，带金属边缘小孔,绝缘板固定孔，高压电容和放电球。放电球的端插入带金属边缘小孔，高压电容的一个C1引脚插入放电球的G2端，整体电路的搭建如图三所示。电路完成后，每两个放电球为一组，它们的G1端可以组成一个放电球隙，电容在电路中是以并联的形式存在。
- 详细介绍：
- 两种触发电路都采用了行输出变压器（图中的 ），虽然两个行输出变压器型号，引脚排列各不相同，但结构和作用是相似的。其内部有多匝线圈，通过接入不同的引脚，可以实现不同倍数的变压效果。行输出变压器由一般采用 左右频率的方波驱动。两种方案的基本思路都是通过一个前端电路产生方波，驱动行输出变压器；区别之处在于产生方波的方式。（1） 方案一电路及说明 图6 触发电路方案一电路图 如图6所示，方案1产生方波的方式是利用555芯片接成多谐振荡器。在3引脚处产生方波，如果要得到某一频率的方波，根据公式 可以确定R1，R2，C2的大小。对于图3的电路，计算可得方波的频率是 ，电压峰值是12V。 3引脚处输出的电压和频率虽然满足需要，但是功率太低，不足以驱动场效应管。因此，在R3后面使用了一个C1815晶体管对输出的电流进行放大。 当场效应管栅极是高电位时，场效应管开启，源极和漏极之间导通有电流流过，如图，电流从行输出变压器的2引脚流入，1引脚流出；当栅极变成低电位时，场效应管截止，源极和漏极之间电阻极大，无电流通过。电流从蓄流二极管从形成回路中流过，而R7此时起到限流作用。当以上过程重复进行时，相当于给行输出变压器的输入端加了一个不断变化的电流，根据电磁感应原理，行输出变压器的副线圈中就会有变化的电压输出；经过高压硅堆整流，最终就会产生比较稳定的直流高电压。当装置放电时会有一个很大的反击电压，瞬间使触发电路的电压升高到几百伏，为了保护场效应管不被烧坏，要在其两端并上一个电容C3。 （2） 方案二电路及说明 图7 触发电路方案二电路图 如图7所示，行输出变压器的原边可等效为铁氧体磁芯线圈，它比普通电感线圈有更高的电感量和品质因数。当6脚接通12V/5A直流电源时，电流由6脚流向5脚，此时三极管导通，在导通的瞬间， 7引脚相当于接地，电势变为0，5脚与7脚之间会产生一个方向与原来相反的很大的感应电动势，电流由5脚流向7脚。此时，三极管截止，7脚电位升高而5脚降低。所以电流又由7脚流向5脚，此时三极管再次导通，以上过程重复进行，那么三极管一会儿导通，一会儿截止，相当于从5、7端输入了方波信号。和方案一中所述的原理一样，行输出变压器输出端产生高压，经过高压硅堆整流，最终就会产生比较稳定的直流高电压。 在这里，行输出变压器中本身就含有高压硅堆。如果对于电压还有更高的要求，可以把单一的高压硅堆换成倍压整流电路，这样得到的电压会更高。但是这样高的电压，对电容和硅堆等元件的性能要求会比较高，而且调试起来也并不容易。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品的目的：是设计一种设计简单，控制简便、灵活，低成本，安全性高，并可根据需要进行功能扩展的高压电学实验箱。 基本思路是：采用220V，50Hz市电输入。设置有交直流转换电路，升压控制电路，功能选择电路。 创新点：在已知的同类高校实验室中以及在“国家知识产权局专利检索数据库”中未见有与该类高压电学实验箱功能相同的产品。 技术关键：将输入的市电升压到10000V以上，交直流切换功能。 技术指标：实现220V-10000V，完成7种高电压放电的演示实验，可以应用于多门电气自动化专业课程。
科学性、先进性
- 技术特点：其整个工作电路放于一个长宽高分别为60CM、40CM、18CM的箱体中。电源采用降压整流方式将交流220伏市电变换为直流24伏，以供后端升压使用，升压控制电路采用开关方式控制功率器件，使直流24伏电压逆变为交流并升压至10000伏以上，可以实现高压交流的相关实验；交直流转换开关可以实现对交流高压的整流，输出直流高压，输出端接线柱扩展端口可以展现高压放电，通过接线柱可以观察直流高压放电等现象；在扩展端口上接入由电阻电容器件搭建的MARX堆，再次进行升压可以达到几万伏特电压（可以由学生进行自由扩展，升压的等级依赖于MARX堆级数，），可以实现人造闪电实验。在已知的同类高校实验室中以及在“国家知识产权局专利检索数据库”中未见有与该类高压电学实验箱功能相同的产品。 参考文献： 周之奎，关永超.脉冲高电压、大电流测量系统的分析研究[J].爆轰波与冲击波.2003.12.3：170-174 国家知识产权局相关资料。
获奖情况及鉴定结果
- 国家知识产权局： 一种智能脉冲发生器 200820142946.1高压电学实验箱 200910068657.0 一种高压放电实验箱 201020532424.x
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 知识产权
作品可展示的形式
- 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该高压电学实验箱可以加快电气专业高压电学类课程的建设步伐，提高高压电学及相关课程的整体教学质量和实验水平，促进电气专业人才在学习能力和实践水平的提高，为天津市滨海新区发展高层次人才的需求作出贡献。在经济区域一体化的新形势下，天津市滨海新区要不负众望、有声有色地担当起引擎角色，要大力发展经济，尽快打造核心地位，塑造特色鲜明的全新滨海形象。特别是树立滨海新区的经济优势地位，就要集中力量进行资源优化配置。经济飞速发展，人才的配置至关重要，他可以是经发展的原动力，也可能成为发展的瓶颈。根据“关于十一五期间企业高技能人才需求预测报告”,”天津国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要”的分析预测，天津市滨海新区对于电气人才的需求是十分旺盛的，该实验设备不仅可以提高本科的教学质量和水平，而且可以成为科研平台的重要组成部分和有力支撑，经过在高压电学及相关课程体系中推广使用，必将培养出更高层次，实践、创新能力更强，符合滨海新区发展所需要的高层次电气人才，并产生巨大的经济和社会效益。
同类课题研究水平概述
- 研究现状： 由于高压电学实验设备价格昂贵，实验危险性较大，控制不方便，所以试验设备很难推广，该类实验设备在高校中非常匮乏，相关的实验也很难开展，因此很多学生往往只能通过观看录像或在科技展览馆中获得相关的高压电学知识，对高压放电的现象往往没有一个直观的印象，更没有得到实践的机会，理论和实践没有很好地结合起来。 基于提高学生实践能力的原则，我们提出了一种设计简单，控制简便、灵活，低成本，安全性高，并可根据需要进行功能扩展的高压电学实验箱。该实验箱可以完成多个高电压、电磁场，电气学，绝缘技术，继电保护，电磁兼容方面的实验，对于学生的高压电学及相关理论知识的学习和实践能力的提高有非常大的帮助。在已知同类高校实验室中以及在“国家知识产权局专利检索数据库”中未见有与该类高压电学实验箱功能相同的产品，因此本试验箱的已经申请国家专利。高压电学实验箱（专利号：200910068657.0）。 研究现状： 由于高压电学实验设备价格昂贵，实验危险性较大，控制不方便，所以试验设备很难推广，该类实验设备在高校中非常匮乏，相关的实验也很难开展，因此很多学生往往只能通过观看录像或在科技展览馆中获得相关的高压电学知识，对高压放电的现象往往没有一个直观的印象，更没有得到实践的机会，理论和实践没有很好地结合起来。 基于提高学生实践能力的原则，我们提出了一种设计简单，控制简便、灵活，低成本，安全性高，并可根据需要进行功能扩展的高压电学实验箱。该实验箱可以完成多个高电压、电磁场，电气学，绝缘技术，继电保护，电磁兼容方面的实验，对于学生的高压电学及相关理论知识的学习和实践能力的提高有非常大的帮助。在已知同类高校实验室中以及在“国家知识产权局专利检索数据库”中未见有与该类高压电学实验箱功能相同的产品，因此本试验箱的已经申请国家专利。高压电学实验箱（专利号：200910068657.0）。
