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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 交流電弧發(fā)生裝置
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，是電流通過(guò)某些絕緣介質(zhì)（例如空氣）所產(chǎn)生的瞬間火花。電弧所產(chǎn)生的危害嚴(yán)重，其溫度高達(dá)數(shù)千攝氏度，輕則損壞設(shè)備，重則可以產(chǎn)生爆炸，釀成火災(zāi)，威脅生命和財(cái)產(chǎn)的安全。為便于研究電弧發(fā)生的機(jī)理及課程教學(xué)，我們發(fā)明了一種可穩(wěn)定產(chǎn)生交流電弧并能近距離觀察電弧發(fā)生過(guò)程的全自動(dòng)測(cè)量電弧長(zhǎng)度的裝置，稱之為交流電弧發(fā)生裝置，該裝置經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全可靠，很好的解決了電弧研究及教學(xué)的不便。
- 詳細(xì)介紹：
- 該交流電弧發(fā)生裝置由控制系統(tǒng)跟執(zhí)行系統(tǒng)兩部分組成?？刂葡到y(tǒng)由微型斷路器、交流接觸器、電路主板、24V直流電源、微步驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)組成。其中電路主板上的核心組件是PIC芯片，將編寫好的C語(yǔ)言控制程序?qū)懭朐撔酒?，電路可以控制微步?qū)動(dòng)器給步進(jìn)電機(jī)提供脈沖，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止，轉(zhuǎn)速可調(diào)。執(zhí)行系統(tǒng)由螺紋轉(zhuǎn)軸、滑塊、碳棒、限位開(kāi)關(guān)、指針、刻度尺、觀察屏及風(fēng)扇組成。螺紋轉(zhuǎn)軸跟步進(jìn)電機(jī)相連，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，螺紋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)可驅(qū)使滑塊上下勻速運(yùn)動(dòng)，固定在滑塊上的碳棒則跟著上下運(yùn)行，由此跟固定在基座上的另一根碳棒發(fā)生接觸與分離。通電時(shí)，兩根碳棒從接觸到分離過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電弧，當(dāng)分離到一定距離時(shí)，電弧熄滅，此時(shí)主回路斷電，繼而電流傳感器反饋信號(hào)使控制回路斷開(kāi)，步進(jìn)電機(jī)停止工作。限位開(kāi)關(guān)控制滑塊在指定范圍內(nèi)上下滑行，指針與刻度尺檢測(cè)出碳棒的運(yùn)行距離，即電弧長(zhǎng)度。 交流電弧發(fā)生裝置硬件設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn) 1.碳棒位置三個(gè)自由度精確可調(diào) 電極橫截面積S(mm2)是決定電弧大小的很重要因素之一。在該交流電弧發(fā)生裝置中，兩根碳棒充當(dāng)電極，碳棒是否對(duì)準(zhǔn)直接影響著有效橫截面積S的大小，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確性。該交流電弧發(fā)生裝置載有上下兩根碳棒，上面的碳棒由碳棒夾固定在滑塊上。碳棒夾由內(nèi)六角沉頭螺釘固定在滑塊上，夾子的位置可左右移動(dòng)。下面的碳棒由碳棒夾固定在可調(diào)式定位板上，碳棒夾可左右移動(dòng)，定位板可前后移動(dòng)。通過(guò)調(diào)整碳棒夾跟定位板的位置可實(shí)現(xiàn)碳棒位置三個(gè)自由度精確可調(diào)。 2.精確的電弧長(zhǎng)度測(cè)量功能 電弧長(zhǎng)度L(mm)是電弧發(fā)生實(shí)驗(yàn)所要獲得的最終數(shù)據(jù)之一，是研究電弧特性、電弧影響參數(shù)等的重要實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也是本交流電弧發(fā)生裝置所要實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果。該交流電弧發(fā)生裝置配置了指針、刻度尺，其分別被固定在滑塊跟支架上，刻度尺位置上下可調(diào)，便于調(diào)零。 當(dāng)兩根碳棒處于接觸狀態(tài)時(shí)，指針指向初始刻度位置，讀數(shù)為L(zhǎng)o (mm)。當(dāng)滑塊帶著碳棒向上運(yùn)行時(shí)，指針跟著向上移動(dòng)；滑塊停止運(yùn)行時(shí)，指針也停止移動(dòng)，此時(shí)指針?biāo)甘镜目潭戎禐長(zhǎng)'(mm)，則碳棒移動(dòng)的距離為 △L=L'-Lo (式1) 由于碳棒移動(dòng)的距離等同于發(fā)生電弧的長(zhǎng)度L，即 L=△L=L'-Lo （式2） 當(dāng)初始刻度為0刻度時(shí)，Lo=0(mm)，L=△L=L'-0=L'。因此，為便于讀數(shù)，通常在實(shí)驗(yàn)前將刻度尺進(jìn)行調(diào)零處理，以讓指針的初始位置位于0刻度處，從而最終指針停止移動(dòng)時(shí)的刻度值便為電弧長(zhǎng)度值，結(jié)果更精確可靠。 3.超大鈷玻璃觀察屏 基于安全考慮，工業(yè)設(shè)備中的滅弧室是密封的，外界看不到內(nèi)部現(xiàn)象，不便于實(shí)驗(yàn)者對(duì)電弧現(xiàn)象的觀察與研究。該交流電弧發(fā)生裝置為解決這個(gè)問(wèn)題，在碳棒前方配置了觀察屏，該觀察屏由鈷玻璃制成。 在制作玻璃的工藝過(guò)程中加入鈷離子（一般為鋁酸鈷），成品玻璃會(huì)呈現(xiàn)特殊的藍(lán)色，稱為鈷玻璃。它具有普通玻璃的大部分物理化學(xué)特性，其特色是（因?yàn)殁掚x子雜質(zhì)的緣故）對(duì)特定波長(zhǎng)的光譜吸收很強(qiáng)，可用作分光材料。最常見(jiàn)的用處是在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的焰色反應(yīng)中進(jìn)行遮光，從而觀察到金屬燃燒的真正火焰顏色。 正是為了讓實(shí)驗(yàn)者觀察到電弧發(fā)生過(guò)程中電弧的顏色、形狀，作者采用鈷玻璃作為觀察屏。在試驗(yàn)中，透過(guò)該觀察屏，作者可以很清楚的看到電弧的長(zhǎng)度、形狀、顏色及大小。本發(fā)明配置的鈷玻璃觀察屏尺寸高達(dá)9英寸，如圖2.8所示，該觀察屏不但方便了觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且能夠很好的遮擋電弧引發(fā)的火花，便于實(shí)驗(yàn)者近距離查看實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 作品目的 為便于研究電弧發(fā)生的機(jī)理及課程教學(xué)，我們發(fā)明了一種可穩(wěn)定產(chǎn)生交流電弧并能近距離觀察電弧發(fā)生過(guò)程的全自動(dòng)測(cè)量電弧長(zhǎng)度的裝置，稱之為交流電弧發(fā)生裝置，該裝置經(jīng)濟(jì)環(huán)保、安全可靠，很好的解決了電弧研究及教學(xué)的不便。 作品思路 該交流電弧發(fā)生裝置由控制系統(tǒng)跟執(zhí)行系統(tǒng)兩部分組成。 控制系統(tǒng)由控制箱、微步驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)組成。其中控制箱中的核心組件是PIC芯片，將編寫好的C語(yǔ)言控制程序?qū)懭朐撔酒?，芯片將控制微步?qū)動(dòng)器給步進(jìn)電機(jī)提供脈沖，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止，轉(zhuǎn)速可調(diào)。 技術(shù)關(guān)鍵 1.碳棒位置三個(gè)自由度精確可調(diào) 2.精確的電弧長(zhǎng)度測(cè)量功能 3.超大鈷玻璃觀察屏 技術(shù)指標(biāo) 1.能產(chǎn)生穩(wěn)定的電??； 2.輸入電壓0-250V可調(diào)； 3.電弧電流可達(dá)50A； 4.發(fā)生電弧長(zhǎng)度可達(dá)150mm； 5.最低安全觀察距離可至10cm。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 先進(jìn)性： 1.全自動(dòng)發(fā)生、測(cè)量電弧長(zhǎng)度的裝置： 目前市場(chǎng)已有的電弧發(fā)生器絕大多數(shù)是為了解決這5個(gè)問(wèn)題：a.電弧焊接;b.發(fā)生臭氧，增進(jìn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)混合氣的燃燒速度;c.用于制造納米納米管;d.配合風(fēng)機(jī)用于儀器的強(qiáng)制散熱;e.電弧仿真訓(xùn)練。該裝置是用于真實(shí)發(fā)生電弧，并且能自動(dòng)測(cè)量電弧長(zhǎng)度，適用于對(duì)電弧的直接科研與教學(xué)，彌補(bǔ)了市場(chǎng)的空白。 2.可近距離觀看大電流電弧發(fā)生現(xiàn)象 如上一點(diǎn)所述，目前市面上存在的電弧發(fā)生器、電弧發(fā)生裝置均不是用于對(duì)電弧本身的研究，而是利用電弧能產(chǎn)生高溫這一特性來(lái)達(dá)到焊接或者產(chǎn)生臭氧等的功能。我們發(fā)明的這一交流電弧發(fā)生裝置不但能夠發(fā)生大電流電弧（電弧電流可高達(dá)50A，市場(chǎng)上的其他電弧發(fā)生裝置絕大多是在25A以下），而且可觀性極強(qiáng)，通過(guò)裝置配置的鈷玻璃觀察屏可以用肉眼觀看電弧發(fā)生的整個(gè)過(guò)程，這是其他電弧發(fā)生裝置所不具有的。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)。
作品所處階段
- 小量生產(chǎn)階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作或授權(quán)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品/圖紙/現(xiàn)場(chǎng)演示/圖片/錄像。
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn) 1.PIC芯片控制微步驅(qū)動(dòng)器為步進(jìn)電機(jī)提供穩(wěn)定脈。； 2.裝置發(fā)生的最高電弧電流可高達(dá)50A； 3.在當(dāng)電弧熄滅瞬間，反饋信號(hào)可觸發(fā)控制回路的斷開(kāi)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)通過(guò)讀取指針讀數(shù)便可知電弧長(zhǎng)度。 適用范圍 該交流電弧發(fā)生裝置可直接用于電弧產(chǎn)生、熄滅等的研究跟教學(xué)，適用于廣大電氣領(lǐng)域的作業(yè)者、研究員及教學(xué)者開(kāi)展電弧研究工作。 產(chǎn)品優(yōu)勢(shì) 1.能產(chǎn)生穩(wěn)定電弧； 2.能產(chǎn)生大電流電??； 3.可近距離觀察電弧發(fā)生過(guò)程； 4.經(jīng)濟(jì)實(shí)用，成本約在3千元人民幣。 市場(chǎng)前景 1.市場(chǎng)上尚未有全自動(dòng)電弧發(fā)生、測(cè)量裝置，該發(fā)明的出現(xiàn)彌補(bǔ)了市場(chǎng)的空白； 2.該交流電弧發(fā)生裝置可廣泛用于科研、教學(xué)，可作教具跟實(shí)驗(yàn)設(shè)備，市場(chǎng)需求量大； 3.相對(duì)于其他電弧發(fā)生裝置動(dòng)輒上萬(wàn)、十萬(wàn)的價(jià)格來(lái)說(shuō)，該裝置成本非常之低廉，批量生產(chǎn)成本將更低，可供廣大電弧愛(ài)好者購(gòu)買； 4.隨著科技的發(fā)展，高壓、超高壓產(chǎn)品層出不窮，電弧的研究將更加重要，這無(wú)疑可推動(dòng)該裝置的市場(chǎng)推廣。
同類課題研究水平概述
- 電弧事故是一種不可預(yù)測(cè)的事故。每天都有成千上萬(wàn)的工作者暴露在電弧的危險(xiǎn)之中。絕大多數(shù)歐洲國(guó)家每年對(duì)電弧事故都有記錄，包括事故的次數(shù)、事故發(fā)生時(shí)的設(shè)備安裝類型、事故設(shè)備電壓等級(jí)等內(nèi)容。例如1997年的瑞典，有48項(xiàng)電弧事故的報(bào)道。其中，大約1/3 的事故發(fā)生在配電網(wǎng)，幾乎90 % 的事故都發(fā)生在不超過(guò)1000V的低電壓下，超過(guò)1/2的事故發(fā)生在開(kāi)關(guān)組件附近，包括電纜終端盒。最近2～3 年中，英國(guó)發(fā)生了許多由于地下導(dǎo)線穿透引起的嚴(yán)重?zé)齻鹿省? 國(guó)外對(duì)電弧的研究及滅弧的預(yù)防是非常重視的。在電氣領(lǐng)域的龍頭企業(yè)ABB跟施耐德其產(chǎn)品性能優(yōu)良的很大一個(gè)原因便是基于其對(duì)電弧深入的研究，在其產(chǎn)品中應(yīng)用了先進(jìn)的滅弧技術(shù)而極大地提高了產(chǎn)品性能與壽命。 然而，國(guó)內(nèi)對(duì)電弧的研究卻相當(dāng)有限，就目前來(lái)講，國(guó)內(nèi)研究電弧僅限于解決焊接、發(fā)生臭氧、光譜分析等方面的問(wèn)題。目前尚沒(méi)有權(quán)威機(jī)構(gòu)有將電弧列為專項(xiàng)研究項(xiàng)目。 隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，以特變電工、正泰、中電電氣等為代表的民族電氣品牌正在崛起，這將對(duì)他們的中高壓、特高壓產(chǎn)品的滅弧性能提出了更高的要求與期望。因此，研究電弧特性及開(kāi)發(fā)新的滅弧方法迫在眉睫，毫無(wú)疑問(wèn)，電弧將在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里會(huì)成為國(guó)內(nèi)電氣領(lǐng)域研究的重大課題之一。
