Nội dung bài viết trình bày nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị kiểm tra dòng điện rò ra vỏ thiết bị điện cầm tay dùng điện một pha. Mời các bạn tham khảo!
Trang 1Tóm tắt:
Tình hình tai nạn lao
động (TNLĐ) điện
ngày một tăng cao mà
nguyên nhân chính là do sự rò
rỉ điện ra bên ngoài của các
thiết bị điện không được kiểm
tra trước khi đưa vào sử dụng
Đề tài 212/03/VBH đã tiến hành
nghiên cứu, thiết kế và chế tạo
thử nghiệm thiết bị kiểm tra
nhanh dòng điện rò của các
thiết bị điện cầm tay trước khi
đưa vào sử dụng nhằm đảm
bảo an toàn cho NLĐ khi làm
việc Đề tài đã sử dụng các
phần mềm chuyên dụng để tiến
hành thiết kế các mạch điện tử
và lập trình điều khiển nhằm
làm cho sản phẩm được hoạt
động một cách ổn định và có độ
tin cậy cao Sản phẩm của đề
tài là thiết bị kiểm tra nhanh
dòng điện rò từ 10mA trở lên
I MỞ ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển
thúc đẩy các ngành xây dựng
phát triển theo, tai nạn lao động
cũng ngày càng gia tăng do
nhiều nguyên nhân, trong đó
nguyên nhân do điện chiếm
trên 70% (theo các thống kê về
TNLĐ) Qua quá trình khảo sát
và đánh giá, chúng tôi nhận
thấy một trong những nguyên nhân gây ra tai nạn điện là vấn
đề rò rỉ điện trên các dụng cụ cầm tay đang được sử dụng trên công trường và chưa có
sự quản lý kiểm tra hiệu quả dẫn đến tai nạn khi sử dụng
Do đó việc trang bị các phương tiện kiểm tra độ an toàn của thiết bị điện trước khi đưa vào
sử dụng là điều cần thiết
II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Vibc nghiên cqu đRnc ti^n hành dta vào nguyên lý sau:
Nguyên lý phát hiện dòng rò khi dụng cụ điện cầm tay không hoạt động trong đó nguồn cấp
hạ áp: 240V-260V Theo TCVN
7996 – 1: 2009
Khi cấp nguồn hạ áp vào dụng cụ điện nếu Rcđcủa dụng
cụ bị đánh thủng thì sẽ có dòng điện rò ra vỏ của dụng cụ điện này, để xác định được dòng điện rò thì phải thiết lập một thiết bị đo được gắn như hình
vẽ với nguyên lý hoạt động như sau: Một đầu đo đặt lên 1 cực bất kỳ của nguồn còn đầu kia đặt lên các bộ phận kim loại chạm tới được nối với lá kim loại có S < 200cm2tiếp xúc các
bề mặt chạm tới được của vật liệu cách điện với phần mang điện của dụng cụ điện sử dụng Sau khi đặt điện áp thử nghiệm, dòng điện rò đo được trong vòng 5s được tính bằng công thức thể hiện ở hình 1
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ KIỂM TRA DÒNG ĐIỆN RÒ RA VỎ
THIẾT BỊ ĐIỆN CẦM TAY DÙNG
ÐIỆN MỘT PHA
CN Võ Thành Nhân Phân vibn BUo hj lao đjng và BVMT mi_n Nam
Hình 1 SQ đh thi^t k^ và công thqc tính
Dụng cụ điện
Nguồn hở áp
Trang 2Ch^ tSo đánh giá thr nghibm
thi^t bd:
Việc chế tạo thiết bị đo dựa
vào tiêu chuẩn TCVN 7996 – 1:
2009 và quy chuẩn kỹ thuật
quốc gia về an toàn lao động
đối với dụng cụ điện cầm tay
truyền động bằng động cơ với
các đặc tính kỹ thuật dễ sử
dụng và đáp ứng được mục
tiêu của đề tài
Có nhiều phương pháp để
tiến hành thiết kế nhưng qua
quá trình nghiên cứu nhóm tác
giả đã chọn phương pháp thiết
kế thiết bị đo dựa vào mô hình
sử dụng một cảm biến như sau
(xem hình 2)
Nguyên lý hoạt động của mô
hình như sau: Dụng cụ điện
được cấp nguồn 220V để hoạt
động và chúng ta làm một
miếng ốp dẫn điện tốt để ốp vào vỏ kim loại của dụng cụ điện cần kiểm tra, đầu còn lại của miếng ốp được đưa vào
Hình 2 Mô hình thi^t k^ sr dong mjt cUm bi^n
cảm biến Nếu như dụng cụ điện không bị rò điện thì không
có dòng điện rò sinh ra nên ở ngoài vỏ của dụng cụ không tồn tại dòng điện và cảm biến
sẽ không nhận được tín hiệu Ngược lại, nếu như dụng cụ điện bị rò điện ra ngoài thì vỏ của dụng cụ điện sẽ có một điện thế và có dòng điện tương ứng được truyền vào cảm biến thông qua miếng ốp được ốp vào vỏ kim loại của dụng cụ Cảm biến nhận được tín hiệu điện này sẽ truyền về vi điều khiển để xử lý và đưa ra các lệnh điều khiển cần thiết Việc tiến hành thiết kế mạch, vẽ mạch, lập trình được thực hiện bằng các phần mềm chuyên dụng như: orcad, protues, avr studio…
Hình 3 SQ đh nguyên lý toàn bj mSch thi^t k^
Dụng cụ điện
Cảm biến
Vi điều khiển
Trang 3Instructions Set Computer -Máy tính có tập lệnh đơn giản hóa) với kiến trúc Harvard thuộc
họ AVR được sản xuất bởi Cty ATMEL với tính năng mạnh mẽ
Có 130 lệnh mạnh xử lý hầu hết trong một chu kỳ xung nhịp
- ADC giải mã MCP 3204:
Là một ADC 12 bit, có hiệu suất cao và năng lượng thấp được đóng gói nhỏ gọn, làm cho nó trở nên hoàn chỉnh trong các mạch ứng dụng điều khiển MCP 3204 được thiết kế theo tiêu chuẩn công nghiệp SPITM cho phép liên kết với bất kỳ vi điều khiển PIC nào
- LCD 16x2: (Liquid Crystal Display) được sử dụng trong rất nhiều các ứng dụng của VĐK LCD có rất nhiều ưu điểm so với các dạng hiển thị khác: Nó có khả năng hiển thị kí tự đa dạng, trực quan (chữ, số và kí tự đồ họa), dễ dàng đưa vào mạch ứng dụng theo nhiều giao thức giao tiếp khác nhau, tốn rất ít tài nguyên hệ thống…
- IC 7805 và các linh kiện phụ trợ khác như tụ điện, điện trở, led…
3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch thiết kế
Mạch thiết kế được thiết kế gồm có 2 phần chính: mạch nguồn và mạch điều khiển hiển thị với các chức năng và nhiệm
vụ khác nhau nhằm mục đích đảm bảo cho toàn bộ hệ thống điều khiển của thiết bị hoạt động bình thường, ổn định và đúng như mục đích thiết kế của tác giả
- Mạch nguồn có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện ổn định để nuôi toàn bộ mạch điều khiển, đảm bảo cung cấp đủ điện thế
để cho mạch điều khiển hoạt động ổn định Đồng thời khối
III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1 Các linh kiện sử dụng
- Cảm biến dòng ICS712: IC
cảm biến dòng tuyến tính dựa
vào hiệu ứng Hall, được tích
hợp đầy đủ với chất dẫn dòng
điện trở thấp và độ cách điện
2.1kV RMS Thiết bị bao gồm
mạch điện Hall tuyến tính, độ
lệch thấp và chính xác với
đường dây dẫn đồng được đặt
gần bề mặt của lớp vỏ Dòng điện được cung cấp đi qua phần dây đồng sẽ tạo ra một trường điện từ mà IC sẽ chuyển đổi thành điện áp tương ứng Thiết bị được tối ưu hóa một cách chính xác thông qua các tín hiệu từ rất gần đến
bộ biến đổi Hall
- Vi điều khiển Atmega 8: Là
bộ vi xử lý RISC (Reduced
Hình 4 SQ đh layout mSch đi_u khi`n
Hình 5 Mô hình hRkng dYn sr dong thi^t bd
Trang 4Hình 6 Mi^ng tay gp thi^t k^
Nguồn dòng (mA)
Giá trị trung bình mà sản phẩm đo được sau 30 lần
đo (mA)
Sai số
BUng 1 K^t quU đo b\ng phRQng pháp so sánh vki nguhn Sunking PSK 1501A
Hình 7 Nguhn dịng th^ Sunking PSK 1501A
mạch nguồn cịn cĩ một nhiệm
vụ nữa là lấy điện thế rị xoay
chiều từ thiết bị cần kiểm tra
thơng qua cổng CON1 được liên
kết với dụng cụ cần kiểm tra, và
biến điện thế xoay chiều thành
một chiều đưa vào cảm biến
dịng thơng qua cổng CON2
- Khối mạch điều khiển và
hiển thị cĩ nhiệm vụ là điều
khiển sự hoạt động của tồn bộ
thiết bị thơng qua các lệnh và
cấu trúc được lập trình sẵn nạp
vào vi điều khiển ATmega8 và
hiển thị các thơng số cần kiểm
tra qua hệ thống hiển thị đĩ là
các led màu và LCD hiển thị
3.2 Sơ đồ layout
Sau khi hồn thành thiết kế
sơ đồ nguyên lý thì vẽ layout
mạch bằng orcad layout plus,
sản phẩm sau khi layout mạch
nguồn và mạch điều khiển
được thể hiện như hình 4
3.3 Sản phẩm chế tạo và
cách sử dụng
Mơ hình sản phẩm được
chế tạo sau khi thiết kế như
hình 5,6
- Cắm nguồn cho thiết bị,
bật nút POWER cĩ 3 đèn 220V,
5V, và đèn xanh cháy sáng,
nếu trường hợp đèn xanh
khơng sáng mà đèn đỏ sáng thì
nhấn nút Offset, khi nhấn nút
Offset thì đèn vàng sáng
- Miếng tay ốp được ốp vào
vỏ kim loại của dụng cụ cầm
tay cần kiểm tra và cắm vào ổ
cắm số 1 trên hình 5
- Ổ cắm số 2 trên hình 5 là
nơi cung cấp nguồn để nuơi
dụng cụ điện cầm tay cần kiểm
tra Lưu ý bật nút ON/OFF trên
ổ cắm mới cĩ điện thế
Sau khi làm các bước trên
thì thiết bị sẽ tự động tiến hành
kiểm tra dụng cụ điện Nếu đèn
Trang 5Việc dùng phương pháp so sánh với thiết bị tạo dịng Sunking PSK 1501A được tiến hành như sau: Nguồn dịng được lấy từ đầu ra của thiết bị tạo dịng Sunking PSK 1501A được đưa vào sản phẩm đo dịng điện rị mà nhĩm tác giả đã tạo ra thơng qua miếng ốp và so sánh giá trị nhận được của sản phẩm thiết kế với giá trị dịng điện mà nguồn dịng đã tạo ra Kết quả đạt được khi thực hiện hiệu chuẩn bằng phương pháp so sánh với nguồn dịng Sunking PSK 1501A được thể hiện trong bảng 1
Phương pháp dùng hệ các điện trở chuẩn
Việc hiệu chuẩn bằng cách
sử dụng hệ các điện trở chuẩn được tiến hành như sau: Ta áp một điện thế xoay chiều 220V vào các điện trở cĩ các giá trị
đã chọn thì theo định luật Ohm
sẽ cĩ một dịng điện tương ứng được tạo ra và chúng ta tính được dịng điện này bằng cơng thức I = U/R Sau đĩ đưa dịng điện này vào sản phẩm và xem giá trị dịng điện mà sản phẩm
xanh vẫn sáng thì dụng cụ điện
khơng bị rị, nếu đèn đỏ sáng
thì dụng cụ điện bị rị và giá trị
dịng rị được hiển thị qua LCD
trên thiết bị kiểm tra
- Ổ cắm số 3 trên hình 5
được dùng để đo dịng tải của
các dụng cụ điện Chỉ cần cắm
dụng cụ điện cần đo dịng tải
vào ổ cắm này thì thiết bị sẽ tự
động hiển thị dịng tải của dụng
cụ cần kiểm tra qua LCD, đồng
thời đèn đỏ sẽ sáng nếu giá trị
dịng tải lớn hơn 10mA, đèn xanh sáng nếu giá trị dịng nhỏ hơn 10mA
3.4 Kết quả kiểm tra và hiệu chuẩn sản phẩm
Việc hiệu chuẩn thiết bị được thực hiện bằng 2 phương pháp: phương pháp so sánh với thiết bị tạo dịng và phương pháp dùng hệ các điện trở chuẩn trong phịng thí nghiệm
Phương pháp so sánh với thiết bị tạo dịng
Giá trị R Kết quả tính theo Định luật Ohm (mA) Giá trị TB mà sản phẩm đo được sau 30 lần đo (mA) Sai số
R = 6,8
R = 22
R = 10
R = 15
BUng 2 K^t quU đo b\ng phRQng pháp so sánh vki hb đibn trm chuXn
Hình 8 Hb các đibn trm
Trang 6đo được có phù hợp với giá trị
dòng điện mà chúng ta đã tính
dựa vào công thức định luật
Ohm không
Kết quả đạt được khi đo
bằng phương pháp so sánh với
hệ điện trở chuẩn được trình
bày trong bảng 2
Như vậy, thông qua hai
phương pháp hiệu chuẩn trên
cho thấy sản phẩm hoạt động
ổn định với độ chính xác cao
đảm bảo được mục tiêu mà đề
tài đã đề ra, đó là xác định được
dòng điện rò từ 10mA trở lên
Tuy nhiên, trong một vài trường
hợp cũng có sự sai số do đặc
tính của cảm biến sử dụng, do
mạng điện không được ổn định
và một số nguyên nhân khác
như sai số của linh kiện sử
dụng…Trong quá trình thử
nghiệm, nhóm nghiên cứu nhận
thấy rằng sản phẩm hoạt động
ổn định trong khi thiết bị rò có
giá trị từ vài chục mA trở lên
IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
4.1 Kết luận
Nghiên cứu tổng quan về
các thiết bị cầm tay: nhóm đã
tiến hành tập hợp các dữ liệu
về các thiết bị cầm tay đã và
đang được sử dụng trên thị
trường, đặc biệt là trong ngành
xây dựng, tìm hiểu các nguyên
nhân gây ra tai nạn của thiết bị
cầm tay, hồi cứu các dữ liệu đã
được các chuyên gia, các nhà
nghiên cứu trước đó tìm hiểu
và nghiên cứu làm cho đề tài
phong phú hơn
- Nghiên cứu tài liệu để thiết
kế và lập trình ứng dụng sản
phẩm: tìm hiểu về các phần
mềm vẽ mạch chuyên dụng,
các phần mềm lập trình điều
khiển để tiến hành thiết kế bản
vẽ, các sơ đồ mạch điều khiển
của sản phẩm theo đúng mục tiêu mà đề tài đã đề ra
- Tạo khuôn mẫu thiết bị:
Việc tạo khuôn mẫu được nhóm tìm hiểu nhiều sản phẩm khác nhau để tạo được mẫu thiết bị vừa đảm bảo mục đích của đề tài, vừa phù hợp với nhu cầu của người sử dụng
- Lắp ráp và kiểm tra hoạt động của sản phẩm
- Ứng dụng và hoàn thiện sản phẩm
Sản phẩm được thiết kế nhằm mục đích kiểm tra nhanh thiết bị điện khi đang hoạt động
có bị rò rỉ điện ra bên ngoài hay không và sản phẩm đã đáp ứng được mục tiêu của đề tài
Trong vòng 1 – 2s sản phẩm đã cho ra kết quả hiển thị dòng điện đang bị rò ra vỏ là bao nhiêu qua đèn báo và LCD
Tuy nhiên sản phẩm thiết kế cũng có một số tồn tại như sau:
- Chưa khắc phục triệt để được vấn đề nhiễu do từ trường, do đó độ chính xác của thiết bị sẽ bị ảnh hưởng khi thiết bị hoạt động trong môi trường có từ trường
- Cần công nghiệp hóa kiểu dáng của thiết bị
4.2 Kiến nghị
Để đáp ứng được nhu cầu
sử dụng thực tế lâu bền trong công nghiệp thì sản phẩm cần giải quyết được 2 vấn đề cơ bản sau:
- Khắc phục vấn đề nhiễu do
từ trường
- Cải tiến kiểu dáng cho phù hợp với nhu cầu sử dụng
Để khắc phục được vấn đề nhiễu do từ trường thì trong thời gian tới nhóm nghiên cứu
sẽ tìm hiểu thêm các loại linh
kiện có thể thay thế cho cảm biến dòng sử dụng hiệu ứng Hall mà vẫn đáp ứng được mục tiêu của đề tài đã đề ra
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Safe maintenance of portable tools in constructionEuropean Agency for Safety and Health at Work -http://osha.europa.eu [2] Hướng dẫn sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á –
www.energyeffi-ciencyasia.org [3] TS Nguyễn Thị Lan Hương,
Nhiễu điện từ và phương pháp chống nhiễu
[4] Qui chuẩn kỹ thuật quốc gia
về an toàn lao động đối với dụng
cụ điện cầm tay truyền động bằng động cơ (National technical
regulation on safe work of Hand-held motor-operated electric tools)
[5] Tiêu chuâtn IEC 60745-2:2006
[6] TCVN 7996-2:2009 [7] TCVN 7996 -1:2009 [8] Guideline on Managing Safety in the Use of Portable Electrical Equipment in the Workplace
[9] Safe maintenance of portable tools in construction
[10] Monitoring of leakage cur-rent for composite insulators and electrical devices Muhammad
Amin, Salman Amin and Muhammad Ali UET Taxila, Pakistan
[11] www.datasheetcatalog com [12] http://www.altera.com [13] www.bkit4u.com [14] http://www.alldatasheet.com
