电气安全注意事项与基本设备

安全注意事项

1. 电功率与实验装置

1. 避免使用松散的电线、电缆和连接。
2. 除非已确认无电，否则应假设所有暴露的金属部件均带电。
3. 熟悉设备上所有的开关按钮、断路器以及实验台上的断开开关位置。
4. 仅在电路电源关闭且所有电源的电压和电流读数均为零（如适用）时，方可对实验装置进行更改。
5. 根据实际应用选择合适长度的导线。过长的导线或连接可能导致实验台杂乱，而过短的导线或连接可能过于紧绷，容易松脱。
6. 将高功率设备及其连接与低功率设备（如微控制器）分开，以避免敏感电子器件与高功率设备之间产生干扰或意外电气连接。
7. 确保所有直流电源、交流电源及其他电源在启动时输出电压和电流为零，或按照实验要求进行设置。在某些应用中，若电源需要特定初始状态，则允许从非零电压开始。
8. 实验结束后，在离开实验室前应关闭所有设备。
9. 禁止单人独自进行实验。当操作超过 50 V 直流电或三相交流电时，必须确保至少有两名人员共同参与实验；涉及更高风险时，应至少有三名人员在场。

2. 工作环境

1. 熟悉实验室的出口位置。
2. 避免工作环境杂乱。
3. 准备好笔、计算器、实验记录本和实验说明。
4. 对因散热而发热的设备进行适当冷却并贴上标签。

3. 着装与个人要求

1. 进行任何实验时，请取下珠宝、金属手表或其他金属饰品，因为这些物品在旋转机械和电气连接附近可能带来危险。
2. 请勿穿着宽松衣物、短裤或短裙，以免皮肤暴露于电气连接和旋转机械中。
3. 请勿佩戴悬挂式项链、眼镜、领带及其他悬挂式饰品，因为操作人员往往会靠近旋转机械和电气连接。同时，避免将眼镜挂在脖子上，以防被旋转机械卷入。
4. 将长发扎起并固定于脑后。
5. 实验过程中必须始终佩戴护目镜。根据当地安全法规要求佩戴其他个人防护装备（PPE）。例如，常见的PPE包括阻燃外套、高压绝缘手套（在接触带电导线或电缆时佩戴）以及耳塞（在操作高噪声机械时使用）。

基础设备：电子与测量设备的演示与概述

4. 函数发生器

1. 打开函数发生器（图 1）。函数发生器可提供不同波形的周期性交流信号。这些波形主要包括正弦波、三角波、锯齿波和方波。
2. 设置函数发生器，使其输出频率为 400 Hz、峰值为 10 V、直流偏移为零的正弦波信号。
3. 将 BNC 转鳄鱼夹连接线的 BNC 端连接至函数发生器的输出端口。
4. 根据需要调节这些信号的频率以及峰值或峰峰值。
5. 对于三角波和锯齿波信号，可调节其斜率和波形形状。方波信号具有可调的占空比，占空比定义为方波处于正电平或“高”电平的时间占整个周期的比例，相对于负电平、零电平或“低”电平的时间。
6. 请注意，某些函数发生器可提供非周期性的噪声和随机信号，但这些信号在电力电子和电机应用中并不常用。

图1：函数发生器屏幕与控制面板的特写。请点击此处查看此图的放大版本。

5. 直流电源

1. 打开直流电源（图 2）。低功率直流电源主要有两种工作模式——电压源模式或电流源模式。
2. 观察电压和电流读数。
3. 调节输出电压旋钮，将直流电源的输出电压设为 10 V。作为电压源运行是最常见的模式，此时电源提供低电压直流电，通常范围在 0 至 36 V 之间。在电流源模式下，这些电源具有“限流”功能，即设定其最大输出电流至所需值，电源会自动调节电压以维持设定的最大电流。因此，电流和电压限制功能在使用直流电源时既提供了操作灵活性，也确保了安全裕度。
4. 按下“Current”按钮以显示电流限值，并调节电流旋钮以设定最大电流限值。设置电源的电流限制。
5. 请注意，大多数单路输出直流电源具有三个标有“+”、“-”和接地的端子。在许多应用中，“-”端子与接地相连，以便在为外部电路供电时提供更稳定且噪声更低的工作环境。然而，在某些情况下，需要将“-”端子与接地隔离（浮地），以实现被测电路或装置与电源接地之间的电气隔离。

图 2：直流电源装置。 请点击此处查看此图的放大版本。

6. 示波器

1. 打开示波器（图 3）。示波器（或简称“scope”）在屏幕上显示电压和电流波形，从而提供一系列基本的测量功能。
2. 将普通探头（图 4）连接至通道 1，将差分探头连接至通道 2。示波器探头连接到示波器接口上的 BNC 接口，每个通道显示一个独立的波形。每台示波器都配有多种通道，最常见的是双通道和四通道示波器，但新型示波器可具备八个通道。
3. 移除通道 2 的任何偏移。
   1. 示波器探头最常用于电机和电力电子实验中。主要探头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）。
   2. 当测量电路或设备中两点之间的电压，且其中一点连接到大地时，使用常规接地探头。通常，示波器的接地部分为一个鳄鱼夹，另一测试引线为钩状，便于连接到电路和电气元件。
      1. 切勿将此类探头用于未接地的连接，否则会导致对地短路，可能危及用户安全、产生火花并损坏探头。此类探头通常额定电压为数百伏。
   3. 使用差分电压探头可在大地与两个测试点之间提供隔离，以测量两点间的电压。当两个测试点均未接地时（例如在三相电压源中测量其中两相之间的电压），此类探头至关重要。这类探头价格较高，且每次使用前需进行手动或自动偏移调整，作为基本校准的一种形式。由于探头测试引线未接地，其抗噪声能力较弱。在教学实验室中，此类探头的电压额定值通常可达 1000 V。
4. 测量导线中的电流时，将导线穿过电流探头的窗口，并确保导线已锁定在探头孔内。调整探头外壳上的探头比例（例如 100 mV/A），并记录该比例。电流测量以电压测量形式显示。
   1. 携带交流或直流电流的导线穿过探头磁芯，产生磁场，进而在缠绕于磁芯上的线圈中感应出电压。该电压与导线中的电流成正比，因此可通过此探头测量电流。此类探头通常比差分电压探头更昂贵，在教学实验室中测量范围可达 100 A。许多教育工作者和研究人员使用阻值极低但精度很高的传感电阻替代此类探头。传感电阻通过的电流与两端电压成正比，根据欧姆定律，在已知精确电阻值的情况下测量电压，即可准确估算电流。
5. 将普通探头的端子连接至函数发生器输出端的鳄鱼夹侧。
6. 打开函数发生器的输出。
7. 使用示波器上的“秒/格”（sec/div）旋钮调整时间轴刻度，以放大或缩小通道 1 显示的波形。不同示波器的显示调节方式可能不同，但所有常见示波器均需设置两个主要部分。在 x 轴（时间轴）上，每格代表一定时间，可从每格微秒（µs）到每格数秒不等。
8. 使用通道 1 的旋钮调整通道 1 的 y 轴。使用“伏/格”（volts/div）旋钮设置 y 轴上每格所代表的电压值。每个波形均有独立的 y 轴刻度调节旋钮。
9. 按下示波器上的“测量”（measure）功能按钮，测量通道 1 显示波形的频率和峰峰值。该功能也可用于获取信号的平均值、均方根值（RMS）和周期等参数。
10. 按下“数学”（math）按钮以使用数学函数，例如加法、减法，或对示波器上显示的多个波形进行更高级的运算。例如，显示瞬时电压与瞬时电流的乘积，可用于观察瞬时功率。
11. 通过调节“触发”（trigger）旋钮进行手动触发，或按下“设电平为 50%”（Set level to 50%）进行自动触发。选择作为所有波形显示触发源的示波器通道。通过设置合适的触发电平，可消除显示波形的抖动，使所有波形呈现稳定清晰的状态。
12. 按下“光标”（cursor）按钮，测量时间轴或 y 轴上两点之间的距离。
13. 按下“CH1”、“CH2”或其他通道按钮，并选择适当的数字滤波器，以消除波形显示中的噪声。低通滤波器的截止频率已预设，不同示波器可能有所不同。
14. 调节函数发生器的输出，直至达到所需的幅值和频率。
15. 关闭函数发生器并断开示波器探头。
16. 关闭示波器。

图3：示波器装置。放大图显示屏幕和控制面板。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4：一种传统的接地探头。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5：差分电压探头。请点击此处查看此图的放大版本。

图6：电流探头的侧面视图。请点击此处查看此图的放大版本。

7. 万用表

1. 打开万用表（图7），并确保其接线端处于电压测量连接位置。无论是手持式还是台式万用表，均可测量直流电压或电流的平均值，或交流电压或电流的有效值（RMS）。在为电路通电前，请仔细检查用于测量电压或电流的连接方式，因为这些连接错误是实验过程中常见的故障来源。
2. 在电源输出端未接入香蕉插头线的情况下，开启直流电源输出。
3. 使用万用表测量两个输出端口之间（+红色和-黑色）的电压。为提高测量分辨率，可手动将信号量程调整至10 V或1000 V。
   1. 万用表读数应为10 V。
   2. 请注意，万用表还具备其他测量功能，例如两点之间的电阻以及电流流向（二极管符号），这些功能在调试二极管和晶体管时非常有用。
4. 使用数字功率计测量平均功率。数字功率计类似于万用表，但通过同时测量电压和电流来计算平均功率。高级功率计还可测量功率因数、无功功率和视在功率。
5. 将两根电压测试线跨接（并联）在需要测量电压的两点之间。
6. 将两根电流测试线与导线或元件串联连接。
7. 显示的功率值是电压与电流瞬时值乘积的平均值。

图 7：万用表。 请点击此处查看此图的放大版本。

8. 电源

1. 除了本实验中使用的低功率直流电源外，还有其他类型的电源，包括三相插座（图8）、三相可调自耦变压器（图9）以及高功率直流电源。
2. 三相插座提供三相电压，在大多数电气工程实验室中通常为208 V、230 V或408 V。这些电压的频率和幅值相等，相位互差120^°。操作三相插座需要专门的培训和安全防护措施。
   1. 在美国，208 V、230 V和480 V是电力电子与电机教学实验室环境中常见的三相电压等级。
3. 三相可调自耦变压器（VARIAC）是一种隔离变压器，可从三相插座获取输入，提供可调节的三相交流电源。
4. 调节VARIAC上的旋钮，可使其输出电压在输入电压的0%至100%范围内连续变化。
5. 高功率直流电源可提供更高的直流电压。大多数低功率直流电源的输出电压不超过36 V，电流低于10 A；而高功率直流电源可输出数百伏电压和数百安电流。
   1. 在教学实验室环境中，高功率直流电源通常可提供高达400 V的直流电压。这类电源在电力电子应用中十分常见，因其可模拟电动汽车和混合动力汽车中的大型电池组、整流后的市电电压以及其他类似场景。它们也广泛应用于直流电机以及基于逆变器的交流电机系统中。

图 8：三相插座。 请点击此处查看此图的放大版本。

图9：三相可变变压器（VARIAC）的顶视图。 请点击此处查看此图的放大版本。