Overview
资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。
电机和电力电子实验涉及的电流, 电压, 功率和能源数量, 应处理的极端勤奋和照顾。这些可能包括三相交流电压 (208 伏, 230 伏, 或480伏), 高达250伏直流电压, 和电流, 可以达到 10 a. 触电发生时, 通过身体非常低的电流, 可以破坏重要器官的电子路径建立, 如一个人的心脏, 并可能导致立即死亡。所有的实验都必须在有训练有素的人员在场的情况下进行。在紧急情况下, 通过任何出口撤离实验室, 拨打911。
Principles
"安全预防措施" 程序部分包括主要的指引和预防措施, 目的是为进行实验的人提供一个安全的实验室和操作环境。这些准则绝不包括所有必要的预防措施, 并应遵守当地的电气安全规则和条例。
涉及电机和电力电子的实验通常使用普通设备来供电和测量电量。然而, 测试的电路和仪器因不同的实验而有所不同。"基本设备" 程序部分概述了大多数电机和电力电子实验所用的主要设备。根据需要, 在每个实验中介绍了具体的设备、电路和仪器。
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Procedure
安全措施
1. 电力和实验装置
- 避免松散的电线、电缆和连接。
- 假设任何暴露的金属都是带电的, 除非另有验证。
- 熟悉设备、断路器和工作台断开开关的所有开/关按钮。
- 仅当电路电源关闭且所有电源读取零电压和零电流时, 才对实验设置进行更改 (如适用)。
- 使用适当长度的导线适合其应用。长电线或连接可能会造成板凳上的杂波, 非常短的电线或连接可能太紧, 很容易断开。
- 从低功耗设备 (如微控制器) 中分离出更高的电源设备和连接, 以避免敏感电子设备和更高功率设备之间的干扰和电气互联。
- 确保所有的直流电源、交流电源和其他动力源都从零电压和零电流输出开始, 或按实验指示。从非零电压开始是可能的在某些应用中, 电压源应该有一个特定的初始条件。
- 实验结束后, 关闭所有设备, 然后离开实验室。
- 不允许单个用户单独执行实验。确保至少有两个用户在操作超过 50 V DC 和三相 AC 时进行实验。
2. 工作环境
- 熟悉实验室的出口。
- 避免杂乱的工作环境。
- 有笔, 计算器, 实验室的笔记本, 和实验说明准备和准备就绪。
- 适当冷却和标签温暖 (由于散热) 设备。
3. 服装和个人要求
- 在进行任何试验时, 取下首饰、金属手表或其他金属配件, 因为这些都可能在旋转机械和电气连接附近是危险的。
- 不要穿宽松的衣服, 短裤, 或短裙, 因为他们暴露皮肤的电气连接和旋转机械。
- 不要佩戴悬挂项链、眼镜、领带等配件, 因为用户往往会接近旋转机械和电气连接。此外, 避免挂在脖子上的眼镜, 这可以很容易被旋转机械抓取。
- 把长发扎到后脑勺。
- 在实验过程中始终佩戴安全护目镜。根据当地安全规章制度的要求, 佩戴其他个人防护用品。例如, 常见的 PPE 包括防火涂层、高压绝缘手套 (在处理带电电线或电缆时佩戴) 和耳塞 (在操作大声机械时使用)。
基本设备: 电子和测量设备的演示和概述
4. 函数发生器
- 打开函数发生器 (图 1)。函数发生器提供不同形状的周期流信号。这些形状主要是正弦、三角形、锯齿和正方形。
- 设置函数发生器, 产生10伏峰值的正弦输出, 频率为400赫兹, 零直流偏置。
- 将 bnc 与鳄鱼连接器连接到与函数生成器输出端口相连的 bnc。
- 如果需要, 调整这些信号的频率和峰值, 或峰值至峰值。
- 在三角形和锯齿信号上, 调整斜率和形状。方形波形具有可调的占空比, 它被定义为一个正方形波形为正或 "高" 与负、零或 "低" 的周期的比例。
- 请注意, 某些函数生成器提供非周期性的噪声和随机信号, 但它们通常不用于电力电子设备和电机应用中。
图 1: 功能生成器屏幕和控制面板的关闭.请单击此处查看此图的较大版本.
5. 直流稳压电源
- 打开直流电源 (图 2)。低功耗直流电源在两种主要模式下运行, 即电压源或电流源。
- 观察电压和电流读数。
- 通过调节输出电压旋钮将直流电源输出电压设置为10伏。作为电压源的工作是最常见的, 其中电源提供低压直流;通常范围在0和36之间五。在当前的源操作中, 这些供应是 "电流限制", 其中最大电流被设置为所需的值, 并且它们的电压会自动调整以提供所需的最大电流。因此, 电流和电压限制在操作直流电源时提供了操作灵活性和安全裕度。
- 按 "当前" 按钮以显示当前限制并调整当前旋钮以调整最大电流限制。设置电源的当前限制。
- 请注意, 大多数单输出直流电源有三终端, 标为 "+"、"-" 和 "接地"。在许多应用中, "-" 和地面被捆绑, 提供一个更稳定和减少的噪音环境时, 提供一个外部电路的权力。然而, 某些情况下, 需要 "-" 从地面漂浮, 以隔离的电气电路或测试设备从供应地。
图 2: 直流电源设备.请单击此处查看此图的较大版本.
6. 示波器
- 打开示波器 (图 3)。示波器, 在屏幕上显示电压和电流波形, 它提供了广泛的基本测量。
- 将常规探头 (图 4) 连接到通道1和差分探头到通道2。示波器探头连接到范围接口上的 BNC 连接器, 每个通道都显示一个波形。每个范围都有各种不同的渠道。最常见的是两个和四通道的范围, 但较新的范围可以有八通道。
- 删除通道2上的任何偏移量。
- 示波器探头最常用于电机和电力电子实验。探头的主要类型包括常规接地探头、差分电压探头 (图 5) 和电流探头 (图 6)。
- 当测量电路或设备中两点的电压时, 使用常规的接地探头, 其中一个点被连接到地球地面。通常, 该范围的接地部分是一个鳄鱼夹子, 和其他测试铅是一个钩, 容易联系电路和电气元件。
- 切勿将这些探头与不接地的连接一起使用, 因为接地的短路将会发生, 对探头造成用户、火花和损坏的风险。通常, 这些探头的额定电压为几百伏。
- 使用差分电压探头可在接地和两个测试点之间进行隔离, 从而测量电压。当两个点都没有接地时, 这些探针是必不可少的 (例如, 在三相电压源中, 在三相的测量中)。此类探头成本更高, 在每次使用前都需要手动或自动偏移调整, 作为基本校准的一种形式。由于探针测试导线缺乏接地, 它们对噪音的鲁棒性较差。他们的额定电压在教育实验室通常达到 1000 v。
- 要测量导线中的电流, 请将导线放在当前探头的窗口中, 并确保导线锁定在探头孔内。调整探头外壳上的探针缩放 (如 100 mV/A), 并注意刻度。电流测量显示为电压测量。
- 一根载有 AC 或直流电流的导线通过芯, 产生一个磁场, 感应线圈缠绕在芯线上的电压。这使电压测量成正比的电流在导线, 和电流可以测量使用这个探头。这些通常比差分电压探头更昂贵, 并且在教育实验室中可以范围高达 100 A。许多教育家和研究人员用具有非常低但准确的电阻的传感电阻来代替他们。感应电阻器通过电流成正比的电压在其终端, 并通过欧姆定律, 测量电压, 而知道准确的电阻给出一个准确的电流近似。
- 将常规探头端子连接到功能发生器输出的鳄鱼侧。
- 打开函数生成器输出。
- 使用示波器上的 "sec/div" 旋钮调整时间轴刻度, 以放大和缩小显示的通道1波形。每个范围可能有不同的方法来调整显示, 但所有的通用作用域都有两个主要的划分。在 x 轴 (时间轴) 上, 除法类似于一定的时间段, 并且可以从µs 每分裂到几秒不等。
- 使用通道1旋钮调整通道1的 y 轴。使用 "伏/div" 旋钮来调整 y 轴上的刻度显示电压读数。每个波形都有一个独特的 y 轴缩放旋钮。
- 按范围上的 "测量" 功能按钮来测量频道1上显示的波形的频率和峰值。这也可以用来找到测量的平均值, 根均方根 (RMS) 和周期的信号。
- 按 "数学" 来使用数学函数;如加法、减法或更高级的函数, 使用作用域上显示的多个波形。例如, 显示瞬时电压和电流的乘积以查看瞬时功率是很有用的。
- 通过调整 "触发器" 旋钮手动触发, 或通过按 "设置级别为 50%" 自动启动。选择触发所有波形显示的作用域通道。通过使用适当的触发电平, 消除了显示波形中的抖动;因此, 所有波形看起来静止和清洁。
- 按 "游标" 来测量时间轴或 y 轴上两点之间的距离。
- 按下 "CH1"、"CH2" 或其他通道按钮, 并选择适当的数字滤波器来消除波形显示的噪音。低通滤波器角频率是预设的, 在不同的范围内可能有所不同。
- 调整函数发生器输出, 直到达到期望的振幅和频率。
- 关闭函数生成器并断开作用域探测器。
- 关闭示波器。
图 3: 示波器单元。关闭显示屏幕和控制面板。请单击此处查看此图的较大版本.
图 4: 常规接地探头.请单击此处查看此图的较大版本.
图 5: 差分电压探头.请单击此处查看此图的较大版本.
图 6: 当前探头的侧面视图。 请单击此处查看此图的较大版本.
7. 万用表
- 打开万用表 (图 7), 并确保其终端在电压测量连接位置。万用表, 无论是手持式的还是台式的, 测量直流电压或电流的平均值, 或者交流电压或电流的 RMS 值。在为电路供电之前, 仔细修改连接以测量电压或电流, 因为这些连接在执行实验时是常见的错误源。
- 打开直流电源输出, 在输出端口上不放置香蕉线。
- 使用万用表测量两个输出端口 (+ 红色和-黑色)。要提高测量分辨率, 请手动调整信号范围, 最多为10伏或 1000 v。
- 万用表应该读10五。
- 注意, 万用表包括其他测量特征, 例如两点之间的电阻和电流流的方向 (二极管符号), 这在二极管和晶体管的调试中很有用。
- 使用数字功率计测量平均功率。数字功率计与万用表相似, 但使用并行电压和电流测量来测量平均功率。先进的仪表可以测量功率因数, 无功功率和视功率。
- 连接两个电压导线 (并联) 的两个点的电压应该被测量。
- 将两个电流引线与导线或元件串联在一起。
- 显示功率是电压和电流瞬时乘积的平均值。
图 7: 万用表请单击此处查看此图的较大版本.
8. 电源
- 除了本程序中使用的低功耗直流电源外, 还有其他类型的电源, 包括三相插座 (图 8)、三相变耦 (图 9) 和更高的电源直流电源。
- 在大多数电气工程实验室中, 三相插座提供三相电压, 通常在208伏、230伏或408伏。这些电压在频率和振幅上是相等的, 并且是 120°彼此相脱离。处理三阶段的插座需要特殊的培训和安全防范措施。
- 在美国, 208 伏, 230 伏, 和 480 v 是共同的三相电压水平在教育实验室环境中处理电力电子和电机。
- 三相变自动变压器 (调压器) 是一个独立的变压器, 提供了一个可变的三相交流源从三相插座。
- 调整调压器上的旋钮, 调压器输出可以在所提供的输入电压的0% 和100% 之间变化。
- 大功率直流电源提供更高的直流电压。大多数低功率直流电源可提供多达36伏特和少于 10 a a 高功率直流电源可以提供数百伏特和安培。
- 在教育实验室环境中, 大功率直流电源提供的直流电压通常高达 400 v。它们在电力电子应用中很常见, 因为它们在电动和混合动力汽车中模拟大型电池组、校正家庭电压和其他情况。他们也普遍在直流电机应用和逆变器为基础的交流电机。
图 8: 三相插座.请单击此处查看此图的较大版本.
图 9: 三相变电变压器 (调压器) 的顶部视图.请单击此处查看此图的较大版本.
电力的机器, 工具, 和其他实验设备的电源必须小心和注意处理。与高压和电流的身体接触会导致肌肉痉挛, 灼伤, 心跳骤停, 甚至死亡。即使是少量的电流通过身体也会导致触电。10毫安能诱发肌肉收缩, 肌肉控制丧失, 不能放手。10安通过心脏可以引起心室颤动。实验室实验通常使用符合国际安全标准的设备。例如, 承销商实验室 UL 标签证明, 设备符合这些标准, 防止某些类型的危险暴露。然而, 电气输入和输出, 或定制设备仍然构成危险。该视频将提供电气安全预防措施, 并介绍在许多类型的实验室实验中使用的通用电气设备。
使用电气设备时, 要穿长裤、双脚鞋和适当的个人防护用品。避免松散的衣物, 并删除任何悬挂或金属配件, 可以意外接触电力。在美国, 墙上插座的单相交流电源是120伏。三相交流电源插座可提供多达480伏和超过10安培。因此, 必须以尊重的方式处理能源。干净的实验室环境对于减轻危害非常重要。避免电线、电缆和连接松动或磨损。知道如何关闭所有设备、电源和断路器。确保至少有两个人在一个具有可访问直流电源大于50伏的实验上工作。使用相同的预防措施, 单相或三相交流电源。假设任何暴露的金属携带带电的电, 除非经过验证。在更改安装程序之前, 请关闭或拔出实验中使用的电源。适当的设备接地确保机箱处于接地电位, 从而防止触电。始终将设备插入交流插座, 并将电源线用于它。比预期更热的设备既是危险, 也是应该解决的问题的征兆。最后, 在实验结束后关闭所有设备, 离开实验室前关闭未使用的设备。现在, 基本的安全措施已经提出, 一些常见的电气设备的操作将在实验室中演示。
函数发生器为需要励磁或驱动电压的其它设备生成信号。最常见的周期性输出是正弦、三角形、锯齿和方波, 可在振幅、频率和直流偏移中进行调整。函数发生器的输出与使用电缆的电路或设备相连。通常在一端使用 BNC 连接器, 而另一端的鳄鱼夹则易于连接到电路。直流电源为操作其他电气设备提供电压或电流。典型低压实验室电源的可调输出范围介于0和36伏之间。大多数单输出直流电源有三端子: 加号、减号和地线。加号端子连接到下游设备的较高电压输入。减号端子连接到较低的电压输入。输出是正负端子之间的电压或电流, 它们与地面电隔离。接地端子为零伏的固定接地基准。其他常见的电源包括标准墙上插座的单相交流电源, 或三相交流电源。单相电源有一条热线和一条中性线, 用于传输电流并提供120伏。三相功率通过三热线提供更高的电压, 在每条线路上的交流电压在频率和幅度上相等, 并且120度从彼此相移。其结果可以提供208、230和480伏, 相应地更大的功率。处理三阶段电源需要特殊的培训和安全预防措施。接下来, 一个变量耦, 也被称为调压器, 是用来要么加强或降低交流电压。这在需要非标准电压或电压必须变化的场合非常有用。旋钮的输出电压在零和其最大值的100% 之间变化。注意, 调压器不提供电气隔离, 因此避免在任何设置下接触输出。示波器显示时变信号的电压, 用于研究电路的行为。示波器可能有多个通道, 每个频道都显示单个波形。该仪器采用的两种主要探头是常规接地探头和差分探头。这里一个规则被接地的探针连接到渠道一。接地探头通常被评定为耐受几百伏, 测量探针尖端与地面引线之间的电压。地面铅被绑在示波器底盘的地面上。这是很重要的连接地面的铅只到一个点的电路, 也接地。接触地面导致任何其他点将导致短路接地。现在将示波器中的一台连接到函数发生器的输出, 然后打开它。调整示波器的时间尺度, 每个除法旋钮的秒数, 并调整电压刻度与每个除法旋钮的伏特。触发电平是信号交叉导致示波器同步的电压。适当的触发可将显示器中的噪音降至最低。调整触发旋钮以手动设置触发器级别, 或按设置级别50% 将其自动设置。最后, 万用表是一种万能的手持式或台式仪器, 用于测量电压、电流、电阻和其他电气量。要测量电压, 请将红色探针插入到标有 V 欧姆的触点中, 并将联系人标记为 "COM" 中的黑色探针。打开直流电源并将其设置为输出20伏。通过将红色探头触摸到加号端子和黑色探头到减号端子来测量两个输出端子。万用表读数20伏。
许多实验都需要测量电量, 并使用基本的仪器来提供这些数据。极性介质液桥的研究要求在两个烧杯的流体之间有一个高强度的电场。烧杯最初是在接触, 然后慢慢地被拉扯分开形成桥梁。在这个应用中, 高压直流电源产生1500伏, 这需要非常小心的安全处理。为了开发控制神经干细胞移植治疗的方法, 研究人员在电场的作用下研究其运动。实验室使用直流电源来产生所需的受控电场。安培计测量电流和万用表测量的电压横跨测试室, 这是用来计算电场强度。
你刚刚看了朱庇特的电气安全和基本电子设备的介绍。您现在应该了解如何安全地工作与电力和如何使用一些基本的电气测试设备。谢谢收看!
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Applications and Summary
安全是电气工程实验室最重要的实践。电力测量和电力设备在许多重工业 (金属加工、纸浆和造纸等)、汽车、海运、航空航天、军事等领域都很常见。在视频中描述的各种不同的设备和工具的品牌和型号可能有不同的标签、按钮和旋钮, 但一般的概念仍然适用。
在教育实验室环境中, 上述的安全细节和设备通常用于交流/直流、直流/交流、直流/直流、交流/交流电源转换、变压器、电动机和发电机以及基本电机的实验。驱动器.
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