基本信息
- 项目名称：
- 交流电弧发生装置
- 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：
- 电弧是一种气体放电现象，是电流通过某些绝缘介质（例如空气）所产生的瞬间火花。电弧所产生的危害严重，其温度高达数千摄氏度，轻则损坏设备，重则可以产生爆炸，酿成火灾，威胁生命和财产的安全。为便于研究电弧发生的机理及课程教学，我们发明了一种可稳定产生交流电弧并能近距离观察电弧发生过程的全自动测量电弧长度的装置，称之为交流电弧发生装置，该装置经济环保、安全可靠，很好的解决了电弧研究及教学的不便。
- 详细介绍：
- 该交流电弧发生装置由控制系统跟执行系统两部分组成。控制系统由微型断路器、交流接触器、电路主板、24V直流电源、微步驱动器及步进电机组成。其中电路主板上的核心组件是PIC芯片，将编写好的C语言控制程序写入该芯片后，电路可以控制微步驱动器给步进电机提供脉冲，步进电机运转。控制系统可实现步进电机正转、反转及停止，转速可调。执行系统由螺纹转轴、滑块、碳棒、限位开关、指针、刻度尺、观察屏及风扇组成。螺纹转轴跟步进电机相连，由步进电机驱动，螺纹转轴的转动可驱使滑块上下匀速运动，固定在滑块上的碳棒则跟着上下运行，由此跟固定在基座上的另一根碳棒发生接触与分离。通电时，两根碳棒从接触到分离过程中会产生电弧，当分离到一定距离时，电弧熄灭，此时主回路断电，继而电流传感器反馈信号使控制回路断开，步进电机停止工作。限位开关控制滑块在指定范围内上下滑行，指针与刻度尺检测出碳棒的运行距离，即电弧长度。 交流电弧发生装置硬件设计关键点 1.碳棒位置三个自由度精确可调 电极横截面积S(mm²)是决定电弧大小的很重要因素之一。在该交流电弧发生装置中，两根碳棒充当电极，碳棒是否对准直接影响着有效横截面积S的大小，进而影响实验数据的精确性。该交流电弧发生装置载有上下两根碳棒，上面的碳棒由碳棒夹固定在滑块上。碳棒夹由内六角沉头螺钉固定在滑块上，夹子的位置可左右移动。下面的碳棒由碳棒夹固定在可调式定位板上，碳棒夹可左右移动，定位板可前后移动。通过调整碳棒夹跟定位板的位置可实现碳棒位置三个自由度精确可调。 2.精确的电弧长度测量功能 电弧长度L(mm)是电弧发生实验所要获得的最终数据之一，是研究电弧特性、电弧影响参数等的重要实验依据，也是本交流电弧发生装置所要实现的实验测试结果。该交流电弧发生装置配置了指针、刻度尺，其分别被固定在滑块跟支架上，刻度尺位置上下可调，便于调零。 当两根碳棒处于接触状态时，指针指向初始刻度位置，读数为Lo (mm)。当滑块带着碳棒向上运行时，指针跟着向上移动；滑块停止运行时，指针也停止移动，此时指针所指示的刻度值为L'(mm)，则碳棒移动的距离为 △L=L'-Lo (式1) 由于碳棒移动的距离等同于发生电弧的长度L，即 L=△L=L'-Lo （式2） 当初始刻度为0刻度时，Lo=0(mm)，L=△L=L'-0=L'。因此，为便于读数，通常在实验前将刻度尺进行调零处理，以让指针的初始位置位于0刻度处，从而最终指针停止移动时的刻度值便为电弧长度值，结果更精确可靠。 3.超大钴玻璃观察屏 基于安全考虑，工业设备中的灭弧室是密封的，外界看不到内部现象，不便于实验者对电弧现象的观察与研究。该交流电弧发生装置为解决这个问题，在碳棒前方配置了观察屏，该观察屏由钴玻璃制成。 在制作玻璃的工艺过程中加入钴离子（一般为铝酸钴），成品玻璃会呈现特殊的蓝色，称为钴玻璃。它具有普通玻璃的大部分物理化学特性，其特色是（因为钴离子杂质的缘故）对特定波长的光谱吸收很强，可用作分光材料。最常见的用处是在化学实验中的焰色反应中进行遮光，从而观察到金属燃烧的真正火焰颜色。 正是为了让实验者观察到电弧发生过程中电弧的颜色、形状，作者采用钴玻璃作为观察屏。在试验中，透过该观察屏，作者可以很清楚的看到电弧的长度、形状、颜色及大小。本发明配置的钴玻璃观察屏尺寸高达9英寸，如图2.8所示，该观察屏不但方便了观察实验现象，而且能够很好的遮挡电弧引发的火花，便于实验者近距离查看实验现象。
作品图片
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
- 作品目的 为便于研究电弧发生的机理及课程教学，我们发明了一种可稳定产生交流电弧并能近距离观察电弧发生过程的全自动测量电弧长度的装置，称之为交流电弧发生装置，该装置经济环保、安全可靠，很好的解决了电弧研究及教学的不便。 作品思路 该交流电弧发生装置由控制系统跟执行系统两部分组成。 控制系统由控制箱、微步驱动器、步进电机组成。其中控制箱中的核心组件是PIC芯片，将编写好的C语言控制程序写入该芯片后，芯片将控制微步驱动器给步进电机提供脉冲，步进电机运转。控制系统可实现步进电机正转、反转及停止，转速可调。 技术关键 1.碳棒位置三个自由度精确可调 2.精确的电弧长度测量功能 3.超大钴玻璃观察屏 技术指标 1.能产生稳定的电弧； 2.输入电压0-250V可调； 3.电弧电流可达50A； 4.发生电弧长度可达150mm； 5.最低安全观察距离可至10cm。
科学性、先进性
- 先进性： 1.全自动发生、测量电弧长度的装置： 目前市场已有的电弧发生器绝大多数是为了解决这5个问题：a.电弧焊接;b.发生臭氧，增进汽车发动机内混合气的燃烧速度;c.用于制造纳米纳米管;d.配合风机用于仪器的强制散热;e.电弧仿真训练。该装置是用于真实发生电弧，并且能自动测量电弧长度，适用于对电弧的直接科研与教学，弥补了市场的空白。 2.可近距离观看大电流电弧发生现象 如上一点所述，目前市面上存在的电弧发生器、电弧发生装置均不是用于对电弧本身的研究，而是利用电弧能产生高温这一特性来达到焊接或者产生臭氧等的功能。我们发明的这一交流电弧发生装置不但能够发生大电流电弧（电弧电流可高达50A，市场上的其他电弧发生装置绝大多是在25A以下），而且可观性极强，通过装置配置的钴玻璃观察屏可以用肉眼观看电弧发生的整个过程，这是其他电弧发生装置所不具有的。
获奖情况及鉴定结果
- 无。
作品所处阶段
- 小量生产阶段
技术转让方式
- 合作或授权转让
作品可展示的形式
- 实物、产品/图纸/现场演示/图片/录像。
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
- 技术特点 1.PIC芯片控制微步驱动器为步进电机提供稳定脉。； 2.装置发生的最高电弧电流可高达50A； 3.在当电弧熄灭瞬间，反馈信号可触发控制回路的断开，电机停止运转，此时通过读取指针读数便可知电弧长度。 适用范围 该交流电弧发生装置可直接用于电弧产生、熄灭等的研究跟教学，适用于广大电气领域的作业者、研究员及教学者开展电弧研究工作。 产品优势 1.能产生稳定电弧； 2.能产生大电流电弧； 3.可近距离观察电弧发生过程； 4.经济实用，成本约在3千元人民币。 市场前景 1.市场上尚未有全自动电弧发生、测量装置，该发明的出现弥补了市场的空白； 2.该交流电弧发生装置可广泛用于科研、教学，可作教具跟实验设备，市场需求量大； 3.相对于其他电弧发生装置动辄上万、十万的价格来说，该装置成本非常之低廉，批量生产成本将更低，可供广大电弧爱好者购买； 4.随着科技的发展，高压、超高压产品层出不穷，电弧的研究将更加重要，这无疑可推动该装置的市场推广。
同类课题研究水平概述
- 电弧事故是一种不可预测的事故。每天都有成千上万的工作者暴露在电弧的危险之中。绝大多数欧洲国家每年对电弧事故都有记录，包括事故的次数、事故发生时的设备安装类型、事故设备电压等级等内容。例如1997年的瑞典，有48项电弧事故的报道。其中，大约1/3 的事故发生在配电网，几乎90 % 的事故都发生在不超过1000V的低电压下，超过1/2的事故发生在开关组件附近，包括电缆终端盒。最近2～3 年中，英国发生了许多由于地下导线穿透引起的严重烧伤事故。 国外对电弧的研究及灭弧的预防是非常重视的。在电气领域的龙头企业ABB跟施耐德其产品性能优良的很大一个原因便是基于其对电弧深入的研究，在其产品中应用了先进的灭弧技术而极大地提高了产品性能与寿命。 然而，国内对电弧的研究却相当有限，就目前来讲，国内研究电弧仅限于解决焊接、发生臭氧、光谱分析等方面的问题。目前尚没有权威机构有将电弧列为专项研究项目。 随着中国经济的腾飞，以特变电工、正泰、中电电气等为代表的民族电气品牌正在崛起，这将对他们的中高压、特高压产品的灭弧性能提出了更高的要求与期望。因此，研究电弧特性及开发新的灭弧方法迫在眉睫，毫无疑问，电弧将在未来相当长的一段时间里会成为国内电气领域研究的重大课题之一。
