專利名稱：高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高校學(xué)生進(jìn)行電學(xué)實(shí)驗(yàn)或教學(xué)演示的一種裝置，特別是用于高電壓的電學(xué)實(shí)驗(yàn)。
背景技術(shù)：
我國(guó)正在進(jìn)行的高壓和特高壓相關(guān)工程的建設(shè)，高電壓大功率電源和交直流高電壓特性 等方面研究，有許多技術(shù)問(wèn)題需要解決，包括系統(tǒng)研究、測(cè)試、產(chǎn)品研究與開(kāi)發(fā)、工程設(shè)計(jì)和 實(shí)施等問(wèn)題.以及高壓、特高壓直流輸電工程的電磁環(huán)境、過(guò)電壓與絕緣配合、直流偏磁、控 制保護(hù)系統(tǒng)、交直流高壓的特性等方面的研究已經(jīng)對(duì)于高電壓領(lǐng)域科研人員的實(shí)踐能力提出 了更高的要求。
但是由于高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備價(jià)格昂貴，實(shí)驗(yàn)危險(xiǎn)性較大，控制不方便，所以試驗(yàn)設(shè)備很 難推廣，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)也很難開(kāi)展，因此很多學(xué)生往往只能通過(guò)觀看錄像或在科技展覽館中獲 得相關(guān)的高壓電學(xué)實(shí)踐知識(shí)，對(duì)高壓放電的現(xiàn)象往往沒(méi)有一個(gè)直觀的印象，而自己更沒(méi)有得 到實(shí)踐的機(jī)會(huì)。理論和實(shí)踐沒(méi)有很好地結(jié)合起來(lái)。
基于提高學(xué)生實(shí)踐能力原則，本發(fā)明提出了一種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便、靈活，低成本， 安全性高，并可根據(jù)需要進(jìn)行功能擴(kuò)展的高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱。該實(shí)驗(yàn)箱可以對(duì)于學(xué)生的高壓電 學(xué)理論知識(shí)和實(shí)踐能力的提高有非常大的幫助。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用一種較為簡(jiǎn)單的裝置，能完成至少5個(gè)不同的高壓放電方面的實(shí)驗(yàn)，同時(shí)， 利用裝置的擴(kuò)展功能，可以進(jìn)行多種其它高壓相關(guān)實(shí)驗(yàn)。
本發(fā)明采用220V， 50Hz市電輸入，通過(guò)40W的主變壓器將其變?yōu)榉?4V，頻率50Hz
的交流電，作為主工作電路的輸入電壓。高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部主要包括有輸出端接線柱及擴(kuò) 展端口 (4)，其特征在于，還設(shè)置有交直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(3),用于選擇升壓控制電路(2)所 產(chǎn)生的高電壓是以直流狀態(tài)輸出還是交流狀態(tài)輸出；升壓控制電路(2)，用于將從電源(1) 得到的幅值為24V直流電變換為8000V 10000V交流電；
高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的交直流轉(zhuǎn)換電路(3)包括有與高壓生成電路(2)相連的單刀雙 擲開(kāi)關(guān)K2，與K2b相連的高壓硅堆Dl，其中，所述的單刀雙擲開(kāi)關(guān)K2c端與升壓電路(2) 中行輸出變壓器F的輸出引腳F4相連，所述的單刀雙擲開(kāi)關(guān)K2a端與輸出端HV直接相連， 所述的高壓硅堆Dl的正極連接單刀雙擲開(kāi)關(guān)K2b端，負(fù)極接輸出端HV。
高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的升壓控制電路(2)包括有單刀雙擲開(kāi)關(guān)Kl、控制功能擴(kuò)展接線 端子B、大功率晶體管Q1、限流電阻Rl和行輸出變壓器F。其中，所述的大功率晶體管Q1 的發(fā)射極接直流電源(l)的"-"端，集電極連接行輸出變壓器F輸入端的F3腳，基極通過(guò) 電阻R1連接行輸出變壓器F的F1腳；行輸出變壓器F的F4腳為輸出端，連接K2c端，行輸 出變壓器F的F5腳接地。所述的單刀雙擲開(kāi)關(guān)Klc端與電源(1)的"+"相接，Kla端與控 制功能擴(kuò)展接線端子B的一端相接，另一端與交直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(3)中行輸出變壓器F2引腳 相接。Klb端直接與F2引腳相接。高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的輸出端接線柱及擴(kuò)展端口 (4)包括有高壓輸出負(fù)載擴(kuò)展板(Z)， 脈沖高壓發(fā)生器回路實(shí)驗(yàn)板(M).
高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的高壓輸出負(fù)載擴(kuò)展板(Z)包括滑道(ZIO)，絕緣板固定孔(Z9)， 絕緣底板(Z8)、調(diào)節(jié)螺母(Z7)，移動(dòng)式負(fù)載接線柱(Z5)，金屬桿支架(Zl)，伸縮金屬桿 (Z4)、其中可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺母(Z7)使移動(dòng)式負(fù)載接線柱(Z5)在絕緣底板(Z8)的滑道(Z10) 中滑動(dòng)，以改變放電間距。移動(dòng)式負(fù)載接線柱(Z5)中的一個(gè)與交直流轉(zhuǎn)換選擇電路(3)的 HV相接，另一個(gè)與升壓控制電路(2)中行輸出變壓器F5腳相接，金屬桿支架(Zl)的Z5a 端與移動(dòng)式負(fù)載接線柱(Z5)的B端相接，伸縮金屬桿(Z4)的A端與金屬桿支架(Zl)的 A端，可以進(jìn)一步延伸電弧的軌跡。
高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部的脈沖高壓發(fā)生器回路實(shí)驗(yàn)板(M)包括絕緣底板(Ml)、固定電阻 (M2)，帶金屬邊緣小孔(M3)，絕緣板固定孔(M4)，高壓電容(C)和放電球(G)。放電球 (G)的G2端插入帶金屬邊緣小孔(M3)，高壓電容(C)的一個(gè)C1引腳插入放電球(G)的 G2端，整體電路的搭建如圖三所示。電路完成后，每?jī)蓚€(gè)放電球(G)為一組，它們的G1端 可以組成一個(gè)放電球隙，電容在電路中是以并聯(lián)的形式存在。


圖1是實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
圖2是實(shí)驗(yàn)箱的內(nèi)部區(qū)域劃分圖
圖3是實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部主電路圖
圖4是沖擊電壓發(fā)生器電路圖
圖5是負(fù)載接線柱區(qū)域結(jié)構(gòu)圖
圖6是脈沖高壓發(fā)生器回路實(shí)驗(yàn)板結(jié)構(gòu)圖(正反面)
圖7是部分元件圖
其中-
1:電源 2:升壓控制電路
3:交直流轉(zhuǎn)換電路 4:輸出端接線柱及擴(kuò)展端口
具體實(shí)施例方式
元件箱內(nèi)有以下元件高壓電容器(C) 12個(gè)，放電球(G) 24個(gè)，帶絕緣外皮銅導(dǎo)線l 根，連接導(dǎo)線4根，放電銅導(dǎo)線2根，支架底座(Zl) 2個(gè)，可伸縮金屬桿(Z4) 2根，輸出 端接線柱(Z5) 2根，六角螺母(Z7) 4個(gè)，電源線1根，鐵扳手一個(gè)。
當(dāng)插上接通電源時(shí)，主變壓器將220V市電轉(zhuǎn)化成24V交流電，再通過(guò)后面的整流濾波電 路將其轉(zhuǎn)化為直流電輸送給升壓電路。
升壓電路中使用的升壓元件是行輸出變壓器。當(dāng)開(kāi)關(guān)K1閉合時(shí)，行輸出變壓器F的F2 腳接通24V， 1.5A直流電源，電流由F2腳流向F1腳，此時(shí)三極管導(dǎo)通，在導(dǎo)通的瞬間，行 輸出變壓器F的F3腳相當(dāng)于接地，電勢(shì)變?yōu)?， Fl腳與F3腳之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)方向與原來(lái)相 反的很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電流由Fl腳流向F3腳。此時(shí)，三極管截止，7腳電位升高而Fl腳 降低，所以電流又由F3腳流向F1腳，此時(shí)三極管Q1再次導(dǎo)通，以上過(guò)程重復(fù)進(jìn)行，那么三 極管進(jìn)行周期性導(dǎo)通和截止，相當(dāng)于從行輸出變壓器F的F1腳、F3腳輸入了方波信號(hào)。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，行輸出變壓器F輸出端產(chǎn)生交流高壓。如果需要直流高壓，那么將開(kāi)關(guān)K2 撥向2支路，經(jīng)過(guò)高壓硅堆整流，最終就會(huì)產(chǎn)生比較穩(wěn)定的直流高電壓；如需要交流高壓， K2撥向l支路。最終，所獲得的交流高壓就可以通過(guò)輸出端接線柱輸出。 實(shí)驗(yàn)一交流高壓放電
1. 通過(guò)調(diào)節(jié)六角螺母(Z7)的松緊，在槽(Z10)內(nèi)調(diào)節(jié)兩輸出端接線柱(Z5)之間的距 離至能夠二者擊穿之間的空氣，固定六角螺母(Z7)。
2. K2撥向K2a，插上電源插頭，
3. Kl撥向Kla，觀察兩輸出端接線柱(Z5)之間是否有連續(xù)電弧產(chǎn)生。
4. 如果沒(méi)有電弧產(chǎn)生，關(guān)閉K1，用元件箱(E)內(nèi)的帶絕緣外皮的銅導(dǎo)線兩端分別接觸 兩輸出端接線柱(Z5)放電，然后調(diào)節(jié)兩輸出端接線柱(Z5)之間的距離。
5. 重復(fù)執(zhí)行3， 4直到出現(xiàn)理想電弧。
6. 觀察電弧出現(xiàn)瞬間及此后指南針的指針是否有變化。
實(shí)驗(yàn)二高壓電弧的產(chǎn)生和消失
1. 將可伸縮金屬桿(Z4)插在支架底座(Zl)頂端(Z3)，支架底座(Zl)底端(Z2) 固定在輸出端接線柱(Z5)上；如實(shí)驗(yàn)一的方法，調(diào)節(jié)兩輸出端接線柱(Z5)之間的距離至 能夠擊穿之間的空氣；調(diào)節(jié)可伸縮金屬桿(Z4)的長(zhǎng)度。
2. K2撥向K2a,插上電源插頭。
3. Kl撥向Kla，觀察兩輸出端接線柱(Z5)之間是否有連續(xù)電弧產(chǎn)生，如果有電弧，那 么電弧將沿可伸縮金屬桿(Z4)上升，當(dāng)被拉長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度后就會(huì)消失。而且只要不切斷電 源，電弧將不停地出現(xiàn)。
4. 如果沒(méi)有電弧產(chǎn)生，關(guān)閉K1，用元件箱內(nèi)的帶絕緣外皮的銅導(dǎo)線兩端分別接觸輸出 端接線柱(Z5)放電，然后調(diào)節(jié)兩輸出端接線柱(Z5)之間的距離。
5. 重復(fù)執(zhí)行3， 4直到出現(xiàn)理想電弧。
6. 觀察電弧出現(xiàn)瞬間及此后指南針的指針是否有變化。
7. 比較放電前后可伸縮金屬桿(Z4)的溫度變化情況。
8. 拉長(zhǎng)或縮短可伸縮金屬桿(Z4)的長(zhǎng)度，重復(fù)上述過(guò)程，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的變化。
實(shí)驗(yàn)三直流高壓放電
1. 通過(guò)調(diào)節(jié)六角螺母(Z7)的松緊，在槽(Z10)內(nèi)調(diào)節(jié)兩輸出端接線柱(Z5)之間的 距離至能夠二者擊穿之間的空氣，固定六角螺母(Z7)。
2. K2撥向K2b，插上電源插頭。
3. Kl撥向Kla，觀察兩輸出端接線柱(Z5)之間是否有連續(xù)電弧產(chǎn)生。
4. 如果沒(méi)有電弧產(chǎn)生，關(guān)閉K1，用元件箱內(nèi)的帶絕緣外皮的銅導(dǎo)線兩端分別接觸兩輸 出端接線柱(Z5)放電，然后調(diào)節(jié)兩輸出端接線柱(Z5)之間的距離。
5重復(fù)執(zhí)行3 ， 4直到出現(xiàn)理想電弧。
6.觀察電弧出現(xiàn)瞬間及此后指南針的指針是否有變化。
5實(shí)驗(yàn)四脈沖高壓放電
如圖4所示的脈沖發(fā)生電路采用Marx (馬克思脈沖)發(fā)生器，是由多數(shù)個(gè)相同的電容C 并聯(lián)連接，在每?jī)蓚€(gè)電容C的各相并聯(lián)端之間都接有一個(gè)阻值大于2MQ的電阻(M2)，在每 兩個(gè)電容C的尾首之間都通過(guò)放電球隙G相連；
7kfonr發(fā)生器的基本原理是使電容C并聯(lián)充電，再串聯(lián)放電，從而實(shí)現(xiàn)電壓的倍增。 當(dāng)所加電壓為+ HK時(shí)，因?yàn)槌跏紩r(shí)放電球隙G并未被擊穿，故而斷路。所有的電容C 并聯(lián)在電源兩側(cè)。對(duì)于每一個(gè)電容C而言，如果充滿電，其兩端的電勢(shì)差為+ ZfF。當(dāng)在+ 7/F 的電壓作用下第一級(jí)放電球隙g擊穿后，如圖2，①②兩點(diǎn)相當(dāng)于導(dǎo)線連接，②處的電勢(shì)瞬 時(shí)變化和①相同，即從0變?yōu)? Z/J/;③與②的電勢(shì)差為+HV，故而③處電勢(shì)變?yōu)? 27/J/;緊 接著第二個(gè)放電球隙g擊穿， 處電勢(shì)由0變?yōu)?2/ZF，⑤處變?yōu)? 37/F…依此類推，經(jīng)過(guò)" 次升壓，在放電終端，電壓升高為+ w/ZF。從而在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了電壓的倍增。而且， 因?yàn)閳D中電阻M2的阻值很大，為7kTQ級(jí)，可以起到很好的隔離作用，使相鄰各點(diǎn)之間的電勢(shì) 不會(huì)在短時(shí)間內(nèi)相互影響。
1. 將元件箱(E)內(nèi)的電容和放電球(G)按照?qǐng)D三電路連接方式所示插在脈沖高壓發(fā)生 器回路實(shí)驗(yàn)板(M)的帶金屬邊緣小孔(M3)上，回路的級(jí)數(shù)不限；放電導(dǎo)線一頭夾 在放電球豎直桿(G2)上，另一頭懸空。
2. 用兩根導(dǎo)線將負(fù)載接線柱和沖擊電壓發(fā)生器回路連接起來(lái)，注意正負(fù)極對(duì)應(yīng)。接地的 接線柱上引出一根導(dǎo)線，引出端也懸空，并與放電導(dǎo)線的懸空端相距n至2n厘米(n 為沖擊電壓回路的級(jí)數(shù))；調(diào)節(jié)輸出端接線柱(Z5)兩放電極之間的距離至足夠大。
3. K2撥向K2b，插上電源插頭。
4. Kl撥向Kla，觀察整個(gè)電路放電球隙和放電終端(FD)的放電情況。如果沒(méi)有電弧出現(xiàn)， 關(guān)閉K1，按實(shí)驗(yàn)一第4步的方法調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀器。
5. 重復(fù)3， 4直到出現(xiàn)閃電脈沖。
6. 觀察放電時(shí)指南針的指針變化。
實(shí)驗(yàn)五特斯拉線圈放電，
在實(shí)驗(yàn)一的基礎(chǔ)上，將負(fù)載接線柱作為點(diǎn)火球隙，自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)準(zhǔn)備器材，可以制作完 成小功率的特斯拉線圈，進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)。由于電源功率小，所以危險(xiǎn)性大大減少。
擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)示例
1. 將K1撥向2，可以在主電路的中斷處連接繼電器或其它控制設(shè)備，這樣就可以自行設(shè)計(jì) 電子開(kāi)關(guān)控制電路的通斷。
2. 設(shè)計(jì)電路，檢測(cè)閃電脈沖。
3. 對(duì)閃電脈沖出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。
4. 將以上三者結(jié)合，設(shè)計(jì)脈沖計(jì)數(shù)控制電路。
權(quán)利要求
1. 一種高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，包括有輸出端接線柱及擴(kuò)展端口(4)，其特征在于，還設(shè)置有交直流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(3)，用于選擇升壓控制電路(2)所產(chǎn)生的高電壓是以直流狀態(tài)輸出還是交流狀態(tài)輸出；升壓控制電路(2)，用于將從電源(1)得到的幅值為24V直流電變換為8000V～10000V交流電；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于，所述的交直流轉(zhuǎn)換電路(3) 包括有與高壓生成電路(2)相連的單刀雙擲開(kāi)關(guān)K2，與K2b相連的高壓硅堆Dl，其中，所 述的單刀雙擲開(kāi)關(guān)K2c端與升壓電路(2)中行輸出變壓器F的輸出引腳F4相連，所述的單 刀雙擲開(kāi)關(guān)K2a端與輸出端HV直接相連，所述的高壓硅堆Dl的正極連接單刀雙擲開(kāi)關(guān)K2b 端，負(fù)極接輸出端HV。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于，所述的升壓控制電路(2)包 括有單刀雙擲開(kāi)關(guān)K1、控制功能擴(kuò)展接線端子B、大功率晶體管Q1、限流電阻R1和行輸出 變壓器F。其中，所述的大功率晶體管Q1的發(fā)射極接直流電源(1)的"-"端，集電極連接 行輸出變壓器F輸入端的F3腳，基極通過(guò)電阻Rl連接行輸出變壓器F的Fl腳；行輸出變壓 器F的F4腳為輸出端，連接K2c端，行輸出變壓器F的F5腳接地。所述的單刀雙擲開(kāi)關(guān)Klc 端與電源(1)的"+"相接，Kla端與控制功能擴(kuò)展接線端子B的一端相接，另一端與交直 流轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)(3)中行輸出變壓器F2引腳相接。Klb端直接與F2引腳相接。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于，所述的輸出端接線柱及擴(kuò)展端 口 (4)包括有高壓輸出負(fù)載擴(kuò)展板(Z),脈沖高壓發(fā)生器回路實(shí)驗(yàn)板(M).
5. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求4所述的高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于，高壓輸出負(fù)載擴(kuò) 展板(Z)包括滑道(ZIO)，絕緣板固定孔(Z9)，絕緣底板(Z8)、調(diào)節(jié)螺母(Z7)，移動(dòng)式 負(fù)載接線柱(Z5)，金屬桿支架(Zl)，伸縮金屬桿(Z4)、其中可以通過(guò)調(diào)節(jié)螺母(Z7)使移 動(dòng)式負(fù)載接線柱(Z5)在絕緣底板(Z8)的滑道(Z10)中滑動(dòng)，以改變放電間距。移動(dòng)式負(fù) 載接線柱(Z5)中的一個(gè)與交直流轉(zhuǎn)換選擇電路(3)的HV相接，另一個(gè)與升壓控制電路(2) 中行輸出變壓器F5腳相接，金屬桿支架(Zl)的Z5a端與移動(dòng)式負(fù)載接線柱(Z5)的B端相 接，伸縮金屬桿(Z4)的A端與金屬桿支架(Zl)的A端，可以進(jìn)一步延伸電弧的軌跡。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求4所述的高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，其特征在于，脈沖高壓發(fā)生器 回路實(shí)驗(yàn)板(M)包括絕緣底板(Ml)、固定電阻(M2),帶金屬邊緣小孔(M3),絕緣板固定孔(M4)，高壓電容(C)和放電球(G)。放電球(G)的G2端插入帶金屬邊緣小孔(M3)，高壓 電容(C)的一個(gè)C1引腳插入放電球(G)的G2端，整體電路的搭建如圖三所示。電路完成 后，每?jī)蓚€(gè)放電球(G)為一組，它們的Gl端可以組成一個(gè)放電球隙，電容在電路中是以并 聯(lián)的形式存在。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高壓電學(xué)實(shí)驗(yàn)箱，可以作為高壓的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者教學(xué)演示設(shè)備，屬于教育教學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域。利用該實(shí)驗(yàn)箱能進(jìn)行多個(gè)不同的交直流高壓放電實(shí)驗(yàn)，例如交流高壓放電、直流高壓連續(xù)放電、脈沖高壓放電、高壓電弧觸發(fā)實(shí)驗(yàn)、特斯拉線圈放電實(shí)驗(yàn)等；此外使用者可以將其作為被控對(duì)象，自行設(shè)計(jì)進(jìn)行其它實(shí)驗(yàn)。針對(duì)高校相關(guān)學(xué)科實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)不足的現(xiàn)狀，該實(shí)驗(yàn)箱的使用可以對(duì)理論教學(xué)起到良好的補(bǔ)充作用。該裝置成本不高，使用方法簡(jiǎn)單，而且相對(duì)安全，適合推廣使用。
文檔編號(hào)G09B23/18GK101533577SQ20091006865
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月28日
發(fā)明者牟奎霖, 高圣偉 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)