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 U f x I f = 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 U f , I f của MFĐK theo quan hệ U f *I f = 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 P min = 2,5KG/cm 2 , 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 n sn < n sn-1 < n ch 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 n ch ± 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 1 2 3 4 56 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 1 2-7 14 lsb2-8 17 IN-4 2 EOC 7 IN-5 3 ADD-A 25 IN-6 4 ADD-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 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 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. Hình 6. Mô hình bộ TĐĐCCS sử dụng vi điều khiển AT89C52 3.3. Thuật toán điều khiển ĐT IV. KẾT LUẬN Bài báo là kết quả nghiên cứu phục vụ mục tiêu nâng cao chất lượng, hiệu quả khai thác và tiết kiệm năng lượng cho đầu máy D12E. Mặc dù chưa tính toán thiết kế cụ thể được các bộ phận cơ khí, lắp đặt và bố trí trên đầu máy. Nhưng tác giả đã bước đầu nghiên cứu tính toán thiết kế, lựa chọn phần quan trọng nhất của hệ thống là mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển AT89C52 và động cơ chấp hành. Trên cơ sở của quá trình tìm hiểu hệ thống S15 trên đầu máy D12E, tác giả đã có những tính toán về mặt lý thuyết. Từ đó xây dựng được một mô hình mô phỏng quá trình hoạt động của bộ TĐĐCCS, có đưa thêm những tín hiệu cảnh báo, bảo vệ sự cố. Mô hình này đã hoạt động tốt cho kết quả mô phỏng gần với hệ thống thực. Tác giả sẽ tiếp tục nghiên cứu chế tạo thử một hệ thống cụ thể nhằm mục đích thay thế được bộ S15 hiện đang sử dụng trên đầu máy D12E. Tài liệu tham khảo [1]. Đỗ Việt Dũng, Lại Ngọc Đường, Trương Duy Phúc. Truyền động điện đầu máy Diezel. NXB Trường Đại học GTVT 1996. [2]. Tống Văn On, Hoàng Đức Hải. Họ vi điều khiển 8051. NXB lao động xã hội Hà Nội 2001. [3]. Trương Tấn Hải. Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động điều chỉnh công suất sử dụng kỹ thuật vi điều khiển AT89C52 cho đầu máy Đ12E. Đề tài NCKH cấp Bộ năm 2005. [4]. Nguyễn Quang Hưng, Trần Ngọc Bền. Động Cơ Bước. NXB Khoa học kỹ thuật. [5]. Xí nghiệp Đầu máy Hà Nội. Đầu máy D12E, tổng thể và hướng dẫn sử dụng. Tài liệu kỹ thuật nội bộ (1990). [6]. Xí nghiệp Đầu máy Hà Nội. Bộ điều chỉnh trung tâm GC 28P. Tài liệu kỹ thuật nội bộ (1990). [7]. Tổng công ty ĐSVN. Quy trình sửa chữa tại xí nghiệp đầu máy Đầu máy D12E (2006)♦ ĐT . 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. 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. 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)