XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỀU CHỈNH
TỰ ĐỘNG CÔNG SUẤT CHO ĐẦU MÁY D12E
SỬ DỤNG KỸ THUẬT VI ĐIỀU KHIỂN
KS. NGUYỄN VĂN HẢI
Bộ môn Kỹ thuật điện
Khoa Điện - Điện tử
Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Bộ điều chỉnh công suất kiểu Cơ khí - Thủy lực - Điện sử dụng trên đầu máy
D12E hiện nay đang gặp nhiều khó khăn trong việc thay thế và sửa chữa. Vì vậy, bài báo đặt
cơ sở quan trọng cho việc nghiên cứu chế tạo bộ tự động điều chỉnh công suất sử dụng kỹ
thuật vi điều khiển để thay thế cho bộ điều chỉnh công suất này.
Summary: The type of a mechanical - hydraulic- electronical powered regulator used for
D12E locomotives is now facing difficulties in replacing and overhauling. Therefore, this
paper lays an important basis for reseaching, designing automatic regulators with use of
microprocessor for easier replacement.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
ĐT
Bộ tự động điều chỉnh công suất trên đầu máy D12E là một hệ thống cơ khí - thủy lực -
điện tử kết hợp với nhau. Bài báo chủ yếu nghiên cứu thay thế nhiệm vụ của S15 đảm nhiệm,
như điều chỉnh tốc độ, ngừng máy khi nhiệt độ và áp lực dầu bôi trơn, nhiệt độ nước làm mát
vượt quá giới hạn cho phép bằng kỹ thuật Vi điều khiển. Còn những phần liên quan đến điều
khiển bằng điện tử của bộ điều khiển trung tâm CR như điều chỉnh dòng, áp và dòng kích từ để
sao cho Uf x If = const, đảm bảo cho đầu máy làm việc với hiệu suất cao nhất, để chống hiện
tượng quay trượt bánh xe (hiện tượng dãy máy)… chưa đề cập đến, vì đó là nội dung của một số
bài báo tiếp theo.
II. VAI TRÒ CỦA BỘ ĐIỀU TỐC S15 TRONG HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH
CÔNG SUẤT (TĐĐCCS)
Các thiết bị chính của hệ thống TĐĐCCS gồm ba phần chính [8]: Các thiết bị điều chỉnh
công suất Máy phát điện kéo (MFĐK) gồm (Máy phát kích từ (B), các mảng mạch điều chỉnh
sức kéo); Các thiết bị điều chỉnh công suất Động cơ diezel (ĐCĐE) (Bộ S15 và các cơ cấu liên
quan); Các thiết bị trung gian chuyển đổi tín hiệu (các cảm báo điện tử, cảm báo vòng quay,
cảm báo áp suất và nhiệt độ).
Bộ S15 có nhiệm vụ chính [8]: tự động điều chỉnh công suất ĐCĐE thông qua việc điều
chỉnh lượng cấp nhiên liệu cho động cơ ứng với phụ tải thay đổi của nó, sao cho tốc độ quay
của ĐCĐE trên trục cơ luôn là hằng số ứng với mỗi cấp tay ga yêu cầu. Ngoài ra bộ S15 còn có
tác dụng điều chỉnh liên hợp (cùng với bộ điều khiển trung tâm CR) công suất của MFĐK từ
nấc tay ga số 4 đến số 9. Khi động cơ không đảm bảo công suất yêu cầu của nấc tay ga vì bất cứ
lý do gì (cắt bớt số xylanh công tác, quá trình cháy ở các xylanh không được tốt do ảnh hưởng
của cơ cấu phối khí, chất lượng nạp không khí, chất lượng công tác của bơm cao áp, vòi
phun…) hoặc trong quá trình gia tốc của đoàn tàu- do quán tính cơ lớn nên động cơ chưa thể
đưa tốc độ quay đạt đến tốc độ tương ứng với vị trí tay ga yêu cầu, biến trở KR có tác dụng
giảm tải cho ĐCĐE (giảm kích từ cho MFĐK từ đó giảm công suất MFĐK) khi gia tốc, tạo điều
kiện để ổn định vòng quay và tránh quá tải cho ĐCĐE.
ĐT
Hình 1. Bộ điều tốc S15
1. thân dưới; 2. thân trên; 3. chi tiết trung gian (3); 4. bánh răng ăn khớp với bánh răng dẫn động trên
trục động cơ, truyền động từ động cơ sang trục bộ điều chỉnh; 6. mô tơ điện khớp nối; 7. hộp phân phối
các tiếp điểm điện chuyển vòng quay; 8. nam châm tắt máy; 9. biến trở điều chỉnh
Quá trình tự động điều chỉnh công suất trên đầu máy D12E [8] là sự kết hợp liên hoàn giữa
các thiết bị cơ giới, điện, điện tử và thủy lực (hệ thống dẫn và cấp dầu công tác cho bộ điều tốc
S15) theo một trình tự thống nhất và phụ thuộc lẫn nhau. Vì thế một trong các thiết bị của hệ
thống có hư hỏng không hoàn thành chức năng nhiệm vụ của mình, tùy từng vị trí và mức độ
quan trọng sẽ làm hệ thống mất hiệu lực hay suy giảm không phát huy được công suất và tính
hiệu quả trong khi khai thác. Việc điều chỉnh chỉ thực hiện sau khi tài xế lựa chọn công suất
(thông qua vị trí tay ga tương ứng) và đưa đầu máy vào trạng thái vận hành. Quá trình điều
chỉnh thực chất là điều chỉnh công suất ra của MFĐK phù hợp với công suất của ĐCĐE đã được
đặt bằng cách thay đổi dòng kích từ của MFĐK, thông qua việc thay đổi dòng kích từ ngoài của
Máy phát kích từ (MFKT), từ đó làm thay đổi Uf, If của MFĐK theo quan hệ Uf*If = const. Điều
khiển dòng kích từ ngoài của máy kích từ do bộ điều khiển trung tâm CR đảm nhiệm, trên cơ sở
các số liệu đầu vào bao gồm:
IBG: Tín hiệu logic công tắc tơ kích từ BG
IZK: Tín hiệu tương tự (0÷7,5V), yêu cầu dòng điện phụ thuộc vào vị trí của tay ga.
IZV: Là tín hiệu tương tự (0÷12V) giá trị yêu cầu dòng điện phụ thuộc vào công suất của
ĐCĐE.
ns: Tín hiệu tương tự (5÷115V) số vòng quay thực tế của ĐCĐE.
ID: tín hiệu tương tự từ (0÷1,5V) tín hiệu chuẩn đoán dòng điện.
I5 : Tín hiệu tương tự (0÷1mA) tín hiệuvào của bộ điều khiển hạn chế dòng điện.
I1 : Tín hiệu tương tự (0÷4,5V) tín hiệu dòng điện của ĐCĐK.
ĐT
Hình 2. Sơ đồ khối của bộ điều khiển trung tâm CR
Từ đó các khối chức năng của bộ điêu khiển so sánh lựa chọn giá trị dòng kích từ ứng với
mỗi vị trí tay ga sao cho phù hợp nhất đảm bảo trên tất cả các vị trí tay máy đều sử dụng hết
công suất của ĐCĐE trong cả dải tốc độ làm việc của đầu máy. Ứng với các vị trí tay ga khác
nhau có giá trị kích từ tương ứng tạo nên một loạt đặc tính ngoài của MFĐK như đồ thị dưới
[8]:
Hình 3. Đặc tính ngoài của MFĐK TE805T trên đầu máy D12E
Nhận xét chung[9]:
• Ưu điểm:
Bộ điều tốc S15 sử dụng trên đầu máy D12E, có kết cấu gọn, nhẹ, độ an toàn và tin cậy
trong vận dụng cao so với bộ Woodward lắp trên đầu máy D13E và D18E:
- Kết cấu đơn giản do không bố trí đường dầu cung cấp riêng, bơm dầu, hệ thống dẫn... áp
lực dầu làm việc thấp Pmin = 2,5KG/cm2, đường dẫn đơn giản từ cụm khuyếch đại thủy lực sang
cụm điều hòa giao động.
- Không sử dụng gió ép trong bộ điều chỉnh.
- Van trượt điều chỉnh chính chỉ chuyển động tịnh tiến với biên độ và tần số nhỏ trong môi
trường dầu bôi trơn (khác với van trượt bộ Woodward vừa tham gia chuyển động quay tỉ lệ với
số vòng quay ĐCĐE vừa tịnh tiến để đóng mở đường dầu nên khả năng mài mòn lớn) nên hầu
như không bị mài mòn sau một kỳ đại tu đầu máy.
- Các ma sát bị trượt được chuyển hầu hết thành các ma sát lăn dùng ổ bi (từ kết cấu Piston
- xylanh) làm giảm thiểu sự mài mòn do ma sát, hơn nữa toàn bộ các mắt ma sát làm việc trong
điều kiện ma sát ướt (trừ cam nhiên liệu và cam xác định vị trí tỳ với ổ lăn nằm ở phần thân trên
là ma sát nửa ướt).
• Nhược điểm của S15:
- Chính tính đơn giản của S15 buộc phải đưa dầu công tác vào bộ điều tốc chính là dầu bôi
trơn động cơ. Mặc dù được bố trí thêm một tầng lọc lưới kim loại, song không tránh khỏi tạp
chất cháy và mạt kim loại nhỏ bị mài mòn trong quá trình làm việc của ĐCĐE được dầu bôi
trơn đưa vào bộ điều tốc làm tăng khả năng mài mòn và làm giảm tính linh hoạt (do dầu bẩn
không thay kịp thời) của bộ S15 trong quá trình làm việc. Vì vậy việc bảo dưỡng theo các kỳ,
các cấp lớn là cần thiết.
- Sau một thời gian làm việc bị mài mòn, việc phục hồi trạng thái làm việc của bộ S15 do
các phương tiện gia công cơ khí chính xác tại các Xí nghiệp đầu máy bị hạn chế, phụ tùng thay
thế không có, mà nếu thay toàn bộ bộ S15 thì giá thành lại rất cao, nhất là các phần tử trong hệ
thống thuỷ lực. Việc sửa chữa bộ S15 hiện tại chỉ mang tính chọn lắp cho nên ảnh hưởng đến
chất lượng làm việc, tốc độ quay không ổn định, không đảm bảo các yêu cầu điều chỉnh…
Do vậy việc "Thiết kế hệ thống tự động dùng Vi điều khiển thay thế các bộ phận cơ khí -
thủy lực trên bộ TĐĐCCS của đầu máy D12E" là việc làm cần thiết.
ĐT
III. THIẾT KẾ BỘ TĐĐCCS SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN.
3.1. Nhiệm vụ thiết kế
Theo [4] ở một cấp tốc độ ứng với hệ S15 ta có hai pha điều chỉnh tốc độ.
- Pha thứ nhất: Điều chỉnh vị trí thanh răng nhiên liệu phù hợp với vị trí tay ga, ứng với
ĐT
việc cấp nhiên liệu lớn nhất cho mỗi cấp tốc độ. Còn nếu tải nhỏ so với việc cấp nhiên liệu, tốc
độ ĐCĐE sẽ lớn quá mức qui định, lúc đó vị trí thanh răng nhiên liệu được điều chỉnh thông
qua vị trí của cam nhiên liệu tương ứng với tốc độ quay của quả văng ly tâm.
- Pha thứ hai: Ở trên ta đã trình bày điều chỉnh tốc độ ứng với mỗi vị trí tay ga. Còn trong
trường hợp điều chỉnh kích từ thông qua điều chỉnh điện trở KR thì ta phải có tín hiệu điều
khiển phát ra từ bộ vi điều khiển sau khi xét bất đẳng thức nsn < nsn-1 < nch nếu thỏa mãn thì
chương trình cài đặt trong bộ vi điều khiển phải đưa ra tín hiệu điều khiển để giảm điện trở KR
(có 20 cấp) để giảm dòng kích từ cho máy phát kích từ, tức là giảm điện áp dẫn đến giảm công
suất của máy phát điện kéo làm cho tốc độ của ĐCĐE tăng lên cho đến khi đạt được nch ± Δn thì
dừng lại. Để thực hiện điều đó ta phải thiết kế phần cứng phù hợp để nhận được tín hiệu từ bộ vi
điều khiển .
Theo [4] ta có thiết kế xơ bộ bộ TĐĐCCS như sau:
Hình 4. Sơ đồ khối bộ TĐĐCCS
123456
A
B
C
D
6
54321
D
C
B
A
Title
Number RevisionSize
B
Date: 13-Dec-2007 Sheet of
File: C:\Documents and Settings\..\MACH2IC-1.schDrawn By:
IN-0
26 msb2-1 21
2-2 20
IN-1
27 2-3 19
2-4 18
IN-2
28 2-5 8
2-6 15
IN-3
12-7 14
lsb2-8 17
IN-4
2
EOC 7
IN-5
3
ADD-A 25
IN-6
4ADD-B 24
ADD-C 23
IN-7
5
ALE 22
ref(-)
16 ENABLE 9
START 6
ref(+)
12 CLOCK 10
U2ADC0809
22P
11.0592Mhz
D0
34
D1
33
D2
32
D3
31
D4
30
D5
29
D6
28
D7
27
PA0 4
PA1 3
PA2 2
PA3 1
PA4 40
PA5 39
PA6 38
PA7 37
PB0 18
PB1 19
PB2 20
PB3 21
PB4 22
PB5 23
PB6 24
PB7 25
PC0 14
PC1 15
PC2 16
PC3 17
PC4 13
PC5 12
PC6 11
PC7 10
RD
5
WR
36
A0
9
A1
8
RESET
35
CS
6
P1
8255
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
U4
16-PIN LCD
EA/VP
31
X1
19
X2
18
RESET
9
RD
17
WR
16
INT0
12 IN
13 T1
T0
14 T1
15
P10
1
P11
2
P12
3
P13
4
P14
5
P15
6
P16
7
P17
8
P00 39
P01 38
P02 37
P03 36
P04 35
P05 34
P06 33
P07 32
P20 21
P21 22
P22 23
P23 24
P24 25
P25 26
P26 27
P27 28
PSEN 29
ALE/P 30
TXD 11
RXD
U5 89C52
10
C1
22p
C4
2
10uF R8 10K
U6
RESET
1
2
3
4
5
6
7
8
U9 ANALOG_INP UT
10K
R9
10K
R10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
RB2
R bang
1 2
U11A
4069
3 4
U11B
4069
5 6
U11C
4069
9 8
U11D
4069
11 10
U11E
4069
1
2
3
4
5
6
7
8
U12
CHON SO
U13
IRF540
U14
IRF540
U15
IRF540
U16
IRF540
1
2
3
4
5
6
7
8
U17
Stepper motor
4.7K
R1
4.7K
R2
4.7K
R3
4.7K
R4
VCC
D1
DIODE
D2
DIODE
D3
DIODE
D4
DIODE
T1
T2
T3
T4
T1
T2
T3
T4
VCC
U15
MOSFET-IRF640
D5
DIODE
1
2
3
4
U25
115V
+5
R5
4.7K
DKKT
Start
Stop
SELEC1
SELEC2
SELEC3
SELEC4
SELEC5
SELEC6
SELEC7
SELEC8
TRIG 2
Q
3R4
CVolt 5
THR
6
DIS
7
VCC
8GND 1
U30
LM555
+5
+5
+5
+5
+5
+5
R6
10K
R7
1.7K
U33
CAP
U34
CAP
+5
Stop
Start
EA/VP
31
X1
19
X2
18
RESET
9
RD
17
WR
16
INT0
12 IN
13 T1
T0
14 T1
15
P10/T
1
P11/T
2
P12
3
P13
4
P14
5
P15
6
P16
7
P17
8
P00 39
P01 38
P02 37
P03 36
P04 35
P05 34
P06 33
P07 32
P20 21
P21 22
P22 23
P23 24
P24 25
P25 26
P26 27
P27 28
PSEN 29
ALE/P 30
TXD 11
RXD
U16
89C52
10
11.0592MHZ
CRYSTAL
U10
22P
U11
22P
truyen
nhan
nhan
truyen
+5
SELEC1
SELEC2
SELEC3
SELEC4
SELEC5
SELEC6
SELEC7
SELEC8
DKKT
U?
OPTOISO1
R19
1K
L1
CUON KICH TU
R20
200K
Hình 5. Thiết kế mạch nguyên lý mô hình bộ TĐĐCCS sử dụng vi điều khiển
3.2. Thiết kế mô hình
Tác giả đã chế tạo thành công mô hình bộ TĐĐCCS sử dụng vi điều khiển AT89C52.