Precauzioni per la sicurezza elettrica e attrezzatura di base

La sezione procedurale "Precauzioni di sicurezza" copre le principali linee guida e precauzioni intese a ottenere un laboratorio e un ambiente operativo sicuri per le persone che eseguono esperimenti. Queste linee guida non sono affatto comprensive di tutte le precauzioni necessarie e dovrebbero essere seguite le norme e i regolamenti locali sulla sicurezza elettrica.

Gli esperimenti che coinvolgono macchine elettriche ed elettronica di potenza in genere utilizzano apparecchiature comuni per fornire energia e misurare quantità elettriche. Tuttavia, i circuiti e gli apparecchi in fase di test variano per diversi esperimenti. La sezione procedurale "Attrezzature di base" fornisce una panoramica delle principali apparecchiature utilizzate per la maggior parte delle macchine elettriche e degli esperimenti di elettronica di potenza. Apparecchiature, circuiti e apparecchiature specifici vengono introdotti in ogni esperimento secondo necessità.

Precauzioni di sicurezza

1. Energia elettrica e configurazione sperimentale

1. Evitare fili, cavi e connessioni allentati.
2. Supponiamo che qualsiasi metallo esposto sia in diretta con l'elettricità, se non diversamente verificato.
3. Familiarizzare con tutti i pulsanti ON / OFF su apparecchiature, interruttori automatici e interruttori di disconnessione di un banco.
4. Apportare modifiche alla configurazione sperimentale solo quando l'alimentazione del circuito è spenta e tutte le fonti di alimentazione leggono tensione zero e corrente zero, a partire dai casi.
5. Utilizzare fili di lunghezza adeguata per le loro applicazioni appropriate. Fili o connessioni lunghi possono causare disordine su un banco e fili o connessioni molto corti possono essere troppo stretti e possono essere facilmente scollegati.
6. Separare le apparecchiature e le connessioni di potenza superiore dalle apparecchiature di potenza inferiore, come i microcontrollori, per evitare interferenze e interconnessioni elettriche tra dispositivi elettronici sensibili e dispositivi di potenza superiore.
7. Assicurarsi che tutti gli alimentatori CC, le sorgenti CA e altre fonti di alimentazione parta da un'uscita a tensione zero e corrente zero o come indicato in un esperimento. Partire da una tensione diversa da zero è possibile in alcune applicazioni in cui una fonte di tensione dovrebbe avere una specifica condizione iniziale.
8. Spegnere tutte le apparecchiature prima di lasciare il laboratorio una volta concluso un esperimento.
9. Non consentire a un singolo utente di eseguire un esperimento da solo. Assicurarsi che almeno due utenti eseguano un esperimento quando si azionano più di 50 V CC e CA trifase.

2. Ambiente di lavoro

1. Familiarizzare con le uscite in laboratorio.
2. Evita un ambiente di lavoro disordinato.
3. Prepara e prepara una penna, una calcolatrice, un quaderno di laboratorio e una descrizione dell'esperimento.
4. Raffreddare in modo appropriato ed etichettare le apparecchiature calde (a causa della dissipazione del calore).

3. Abbigliamento e requisiti personali

1. Rimuovere gioielli, orologi in metallo o altri accessori metallici durante l'esecuzione di qualsiasi esperimento, in quanto possono essere pericolosi in prossimità di macchinari di rotazione e collegamenti elettrici.
2. Non indossare abiti larghi, pantaloncini o gonne corte, poiché espongono la pelle a collegamenti elettrici e macchinari di rotazione.
3. Non indossare collane appese, occhiali, cravatte e altri accessori, poiché gli utenti tendono ad avvicinarsi a macchinari rotanti e collegamenti elettrici. Inoltre, evitare di appendere gli occhiali intorno al collo, che possono essere facilmente afferrati da macchinari rotanti.
4. Legare i capelli lunghi alla parte posteriore della testa.
5. Indossare occhiali di sicurezza in ogni momento durante l'esperimento. Indossare altri dispositivi di protezione individuale (DPI) come richiesto dalle norme e dai regolamenti di sicurezza locali. Ad esempio, i DPI comuni includono cappotti ignifughi, guanti isolanti ad alta tensione (indossati quando si maneggiano fili o cavi vivi) e tappi per le orecchie (utilizzati quando si azionano macchinari rumorosi).

Attrezzature di base: dimostrazione e panoramica delle apparecchiature elettroniche e di misurazione

4. Generatore di funzioni

1. Accendere il generatore di funzioni (Fig. 1). I generatori di funzioni forniscono segnali AC periodici di diverse forme. Queste forme sono principalmente sinusoidali, triangolari, a dente di sega e quadrate.
2. Impostare il generatore di funzioni per produrre un'uscita sinusoidale di picco di 10 V a una frequenza di 400 Hz e zero offset DC.
3. Collegare un connettore BNC-alligatore con il BNC collegato alla porta di uscita del generatore di funzioni.
4. Regolare la frequenza e il picco, o da picco a picco, di questi segnali, se lo si desidera.
5. Sui segnali triangolari e a dente di sega, regolare la pendenza e la forma. Le forme d'onda quadrate hanno un ciclo di lavoro regolabile, che è definito come la proporzione del periodo durante il quale una forma d'onda quadra è positiva o "alta" rispetto a negativa, zero o "bassa".
6. Si noti che alcuni generatori di funzioni forniscono rumore non periodico e segnali casuali, ma questi non sono comunemente usati nell'elettronica di potenza e nelle applicazioni di macchine elettriche.

Figura 1: Primo piano dello schermo del generatore di funzioni e del pannello di controllo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

5. Alimentazione CC

1. Accendere l'alimentatore DC (Fig. 2). Gli alimentatori CC a bassa potenza funzionano in due modalità principali: sorgenti di tensione o fonti di corrente.
2. Osservare le letture di tensione e corrente.
3. Impostare la tensione di uscita dell'alimentatore CC su 10 V regolando la manopola della tensione di uscita. Funzionare come fonte di tensione è il più comune, dove l'alimentazione fornisce bassa tensione DC; in genere compreso tra 0 e 36 V. In un'operazione di sorgente di corrente, questi alimentatori sono "limitati di corrente" in cui la loro corrente massima è impostata sul valore desiderato e la loro tensione viene regolata automaticamente per fornire la corrente massima desiderata. I limiti di corrente e tensione forniscono quindi flessibilità operativa e margini di sicurezza quando si aziona un alimentatore CC.
4. Premere il pulsante "Corrente" per visualizzare il limite di corrente e regolare la manopola corrente per regolare il limite di corrente massimo. Impostare il limite corrente dell'alimentazione.
5. Si noti che la maggior parte degli alimentatori CC a uscita singola ha tre terminali etichettati come "+", "-" e terra. In molte applicazioni, "-" e terra sono legati per fornire un ambiente di rumore più stabile e ridotto quando si fornisce alimentazione a un circuito esterno. Tuttavia, alcuni casi richiedono che "-" galleggi da terra per isolare il circuito elettrico o l'apparecchiatura in prova dal terreno di alimentazione.

Figura 2: Alimentatore CC. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

6. Oscilloscopio

1. Accendere l'oscilloscopio (Fig. 3). Gli oscilloscopi, o telescopi, visualizzano le forme d'onda di tensione e corrente su uno schermo, che fornisce una vasta gamma di misurazioni essenziali.
2. Collegare una sonda normale (Fig. 4) al canale 1 e una sonda differenziale al canale 2. Le sonde dell'oscilloscopio si collegano ai connettori BNC sull'interfaccia dell'ambito e ogni canale visualizza una singola forma d'onda. Ogni ambito viene fornito con una varietà di canali. I più comuni sono gli ambiti a due e quattro canali, ma gli ambiti più recenti possono avere otto canali.
3. Rimuovere qualsiasi offset sul canale 2.
   1. Le sonde per oscilloscopio sono utilizzate più spesso con macchine elettriche ed esperimenti di elettronica di potenza. I principali tipi di sonde includono la sonda convenzionale con messa a terra, la sonda di tensione differenziale (Fig. 5) e la sonda di corrente (Fig. 6).
   2. Utilizzare sonde convenzionali con messa a terra quando si misura la tensione su due punti di un circuito o di un apparecchio, in cui uno dei punti è legato alla terra terra. In genere, la parte messa a terra dell'oscilloscopio è una clip a coccodrillo e l'altro cavo di prova è un gancio che si lega facilmente a circuiti e componenti elettrici.
      1. Non utilizzare mai queste sonde con connessioni senza messa a terra, poiché si verificherà un cortocircuito a terra, causando rischi per l'utente, scintille e danni alle sonde. Di solito, queste sonde sono classificate a diverse centinaia di volt.
   3. Utilizzare sonde di tensione differenziale per fornire isolamento tra la terra terra ed entrambi i punti di prova, attraverso i quali viene misurata la tensione. Queste sonde sono essenziali quando nessuno dei punti è messo a terra (ad esempio quando si misura su due delle tre fasi in una sorgente di tensione trifase). Tali sonde sono più costose e richiedono una regolazione manuale o automatica dell'offset prima di ogni utilizzo, come forma di calibrazione di base. Sono meno robusti al rumore a causa della mancanza di messa a terra sui cavi di prova della sonda. I loro valori nominali di tensione nei laboratori didattici raggiungono in genere i 1000 V.
4. Per misurare la corrente in un filo, posizionare il filo nella finestra della sonda corrente e assicurarsi che il filo sia bloccato all'interno del foro della sonda. Regolare il ridimensionamento della sonda (ad esempio 100 mV/A) sull'involucro della sonda e annotare la scala. Le misurazioni di corrente vengono visualizzate come misurazioni di tensione.
   1. Un filo che trasporta corrente CA o CC passa attraverso il nucleo, generando un campo magnetico, che induce tensione sull'avvolgimento del filo avvolto attorno al nucleo. Questo dà una misura di tensione proporzionale alla corrente nel filo e la corrente può essere misurata usando questa sonda. Questi sono in genere ancora più costosi delle sonde a tensione differenziale e possono variare fino a 100 A nei laboratori didattici. Molti educatori e ricercatori li sostituiscono con resistori di rilevamento che hanno una resistenza molto bassa ma accurata. I resistori di rilevamento passano corrente proporzionale alla tensione attraverso i loro terminali e, secondo la legge di Ohm, misurare la tensione conoscendo la resistenza accurata fornisce un'approssimazione accurata della corrente.
5. Collegare i normali terminali della sonda al lato alligatore dell'uscita del generatore di funzioni.
6. Accendere l'uscita del generatore di funzioni.
7. Regolare la scala dell'asse temporale utilizzando la manopola "sec/div" sull'oscilloscopio per ingrandire e ridurre la forma d'onda del canale 1 visualizzata. Ogni ambito può avere un approccio diverso per regolare la visualizzazione, ma tutti gli ambiti comuni hanno due divisioni principali da impostare. Sull'asse x (asse del tempo), le divisioni assomigliano a un certo periodo di tempo e possono variare da μs per divisione a diversi secondi per divisione.
8. Regolare l'asse y del canale 1 utilizzando la manopola del canale 1. Utilizzare la manopola "volt/div" per regolare quali divisioni sull'asse y mostrano le letture volt. Ogni forma d'onda ha una manopola di ridimensionamento dell'asse y unica.
9. Premere il pulsante della funzione "misura" sull'oscilloscopio per misurare la frequenza e il picco-picco della forma d'onda visualizzata sul canale 1. Questo può anche essere usato per trovare le misurazioni della media, del quadrato medio della radice (RMS) e del periodo di un segnale.
10. Premere "matematica" per utilizzare le funzioni matematiche; ad esempio addizione, sottrazione o funzioni più avanzate che utilizzano più di una forma d'onda visualizzata sull'ambito. Ad esempio, è utile mostrare il prodotto della tensione e della corrente istantanee per vedere la potenza istantanea.
11. Attiva manualmente regolando la manopola "trigger" o automaticamente premendo "Imposta livello su 50%". Selezionate il canale dell'ambito da cui vengono attivate tutte le visualizzazioni delle forme d'onda. Utilizzando il livello di trigger appropriato, il jitter nelle forme d'onda visualizzate viene eliminato; quindi tutte le forme d'onda sembrano stazionarie e pulite.
12. Premere "cursore" per misurare la distanza tra due punti sull'asse temporale o sull'asse y.
13. Premere i pulsanti "CH1", "CH2" o altri canali e selezionare il filtro digitale appropriato per eliminare il rumore dal display della forma d'onda. Le frequenze d'angolo del filtro passa-basso sono preimpostate e possono differire in ambiti diversi.
14. Regolare l'uscita del generatore di funzioni fino a raggiungere l'ampiezza e la frequenza desiderate.
15. Spegnere il generatore di funzioni e scollegare la sonda dell'oscilloscopio.
16. Spegnere l'oscilloscopio.

Figura 3: Unità oscilloscopio. Close up mostra lo schermo e il pannello di controllo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Una sonda convenzionale con messa a terra. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Sonda di tensione differenziale. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Vista laterale della sonda corrente.  Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

7. Multimetro

1. Accendere il multimetro (Fig. 7) e assicurarsi che le sue terminazioni siano nella posizione di connessione di misurazione della tensione. I multimetri, siano essi portatili o da banco, misurano il valore medio di una tensione o corrente CC o il valore RMS di una tensione o corrente CA. Rivedere attentamente le connessioni per misurare la tensione o la corrente prima di alimentare un circuito, poiché queste connessioni sono una fonte comune di errore durante l'esecuzione di un esperimento.
2. Accendere l'uscita dell'alimentatore CC senza fili a banana posizionati sulle porte di uscita.
3. Utilizzare il multimetro per misurare tra le due porte di uscita (+ rosso e - nero). Per migliorare la risoluzione di misurazione, regolare manualmente l'intervallo di segnale fino a 10 V o 1000 V.
   1. Il multimetro dovrebbe leggere 10 V.
   2. Si noti che i multimetri includono altre caratteristiche di misurazione, come la resistenza tra due punti e la direzione del flusso di corrente (simbolo del diodo), che è utile nel debug di diodi e transistor.
4. Utilizza i misuratori di potenza digitali per misurare la potenza media. I misuratori di potenza digitali sono simili ai multimetri, ma utilizzano misurazioni simultanee di tensione e corrente per misurare la potenza media. I misuratori avanzati possono misurare il fattore di potenza, la potenza reattiva e la potenza apparente.
5. Collegare due conduttori di tensione attraverso (in parallelo con) i due punti in cui la tensione deve essere misurata.
6. Collegare due conduttori di corrente in serie con il filo o il componente.
7. La potenza visualizzata è la media del prodotto istantaneo di tensione e corrente.

Figura 7: Multimetro. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

8. Alimentazione

1. Oltre all'alimentazione CC a bassa potenza utilizzata in questa procedura, ci sono altri tipi di alimentatori tra cui una presa trifase (Fig. 8), un autotrasformatore variabile trifase (Fig. 9) e un alimentatore CC di alimentazione superiore.
2. La presa trifase fornisce tensioni trifase, in genere a 208 V, 230 V o 408 V nella maggior parte dei laboratori di ingegneria elettrica. Queste tensioni sono uguali in frequenza e ampiezza e sono 120^° fuori fase l'una dall'altra. La gestione delle prese trifase richiede una formazione speciale e precauzioni di sicurezza.
   1. Negli Stati Uniti, 208 V, 230 V e 480 V sono livelli di tensione trifase comuni in un ambiente di laboratorio educativo che si occupa di elettronica di potenza e macchine elettriche.
3. L'auto-trasformatore variabile trifase (VARIAC) è un trasformatore isolato che fornisce una sorgente CA trifase variabile dall'uscita trifase.
4. Regolare la manopola sul VARIAC dove l'uscita VARIAC può variare tra lo 0% e il 100% della tensione di ingresso fornita.
5. Un alimentatore CC di alimentazione più elevata fornisce una tensione CC più elevata. La maggior parte degli alimentatori CC a bassa potenza può fornire fino a 36 V e meno di 10 A. Gli alimentatori CC ad alta potenza possono fornire centinaia di volt e amplificatori.
   1. In un ambiente di laboratorio educativo, un alimentatore CC ad alta potenza fornisce tensione CC in genere fino a 400 V. Sono comuni nelle applicazioni di elettronica di potenza perché emulano grandi pacchi batteria in veicoli elettrici e ibridi, tensione domestica rettificata e altri scenari. Sono anche comuni nelle applicazioni di macchine elettriche CC e nelle macchine CA basate su inverter.

Figura 8: Uscita trifase. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9: Vista dall'alto di un trasformatore variabile trifase (VARIAC). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La sicurezza è la pratica più importante in un laboratorio di ingegneria elettrica. Le apparecchiature di misurazione elettrica e di potenza sono comuni in molte industrie pesanti (lavorazione dei metalli, cellulosa e carta, ecc.), Automobilistico, navale, aerospaziale, militare e altri. Varie marche e modelli di diverse attrezzature e strumenti descritti nel video possono avere etichette, pulsanti e manopole diversi, ma i concetti generali sono ancora applicabili.

In un ambiente di laboratorio educativo, i dettagli di sicurezza e le apparecchiature sopra descritti sono comunemente usati negli esperimenti relativi alla conversione di potenza AC / DC, DC / AC, DC / DC e AC / AC, trasformatori, motori elettrici e generatori e azionamenti di motori elettrici di base.