Research to design and test card for controling auxiliary generator on d19e locomotive

 trở Rst 
để bảo vệ quá tải đầu ra thiết bị DKMF. 
Với mục tiêu làm việc được trong điều kiện của đầu máy và tương thích với các thiết bị 
đã có, trên cơ sở nghiên cứu về cấu trúc hệ thống điều khiển của đầu máy và MTĐM [2, 4, 5], 
card D19101 phải đáp ứng được các điều kiện làm việc và có tính năng sau: 
1. Tốc độ vòng quay MFDF thay đổi trong dải rộng từ 550 đến 2000 vòng phút 
2. Công suất tải của MFDF: thay đổi trong dải rộng từ 0 cho đến 100% công suất máy 
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc card DKMF và ghép nối với MFDF. 
Bảng 1. Thông số MFDF. 
Thông số Đơn vị Giá trị 
Dòng điện tối đa ở chế độ 
động cơ khởi động 
(ngắn hạn - kích từ nối tiếp) 
A 1200 
Dòng điện tối đa ở chế độ 
máy phát (dài hạn - kích từ 
độc lập) 
A 400 
Điện áp định mức V 110 
Dòng điện hạn chế A 30 
Điện áp kích từ tối đa V 110 
Điện trở cuộn dây kích từ Ôm 3,5 
Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue 3 (04/2020), 295-304 
299 
phát 
3. Khả năng đáp ứng nhanh và chính xác: Độ ổn định điện áp yêu cầu +/-1V trong điều 
kiện tải định mức 
4. Có khả năng hạn chế dòng nạp ắc quy - bảo vệ quá dòng máy phát. Cần nhấn mạnh 
bảo vệ quá áp và quá dòng rất quan trọng trong việc đảm bảo an toàn nhằm chống quá tải máy 
phát và tránh gây cháy các thiết bị điều khiển 
5. Tương thích với cấu trúc của MTĐM đã có 
6. Thiết kế và thử nghiệm đáp ứng các tiêu chuẩn về thiết bị điện tử trên đầu máy (TCVN 
12089:2017 [7] và EN 50155:2007 [304]) 
7. Làm việc được trong môi trường đầu máy: Nhiễu điện từ trường từ các máy điện công 
suất lớn, rung lắc, nhiệt độ cao. 
2.2. Phương án thiết kế 
Trên các đầu máy thế hệ cũ thường sử dụng các bộ DKMF kiểu tương tự. Trong đó sử 
dụng các linh kiện rời hoặc các IC chức năng dạng tương tự [2, 3]. Để nâng cao chất lượng 
điều khiển, mở rộng tính năng của thiết bị, đơn giản hóa cấu trúc, tăng độ bền và ứng dụng 
công nghệ tiên tiến, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương án thiết kế trên cơ sở hệ thống xử 
lý số tín hiệu với cấu trúc thể hiện trong hình 2. Trong đó, tín hiệu tương tự sẽ được số hóa và 
các luật điều khiển được thực hiện hoàn toàn thông qua các phép xử lý số. 
Trên đầu máy, điện áp MFDF thay đổi theo tốc độ quay, tải và điện áp kích từ. Để ổn định 
điện áp MFDF, sử dụng vòng phản hồi kín: Điện áp MFDF được đo và so sánh với điện áp 
chuẩn. Trên cơ sở đó, dòng kích từ được điều chỉnh phù hợp nhằm đảm bảo điện áp ra theo 
mong muốn. 
Điện áp và dòng điện của MFDF được thu thập và số hóa thông qua các bộ ghép nối đầu 
vào và biến đổi thành tín hiệu số thông qua các bộ biến đổi Tương tự - Số (ADC). Các số liệu 
này được đưa tới các bộ vi xử lý để tính toán giá trị điều chỉnh cần thiết thông qua các luật 
điều chỉnh. Số liệu đầu ra được đưa đến bộ điều chỉnh độ rộng xung (PWM), khâu cách ly, 
van đóng cắt MOSFET và cuộn kích từ của MFDF. Bộ điều chỉnh được thiết kế để thay đổi 
giá trị PWM sao cho điện áp ra của MFDF được giữ ổn định; Đồng thời thực hiện các chức 
năng điều khiển đã nêu. 
3. THIẾT KẾ CARD DKMF 
Trên cơ sở thông số thiết kế và phương án đề xuất, tiến hành thiết kế các mạch chức năng 
và bộ điều chỉnh của card DKMF. Tính toán chi tiết các khối quan trọng được trình bày ở các 
mục tiếp theo. 
Hình 2. Sơ đồ cấu trúc card D19101. 
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 295-304 
300 
3.1. Mạch thu thập tín hiệu đầu vào 
Bao gồm thu thập tín hiệu điện áp phản hồi máy phát, mạch thu thập tín hiệu dòng điện 
kích từ, mạch thu thập tín hiệu dòng điện nạp acquy, mạch lọc. 
Mạch đầu vào điện áp: Mạch có tác dụng tương thích giữa tín hiệu điện áp (85-150 V) 
cho phù hợp với mạch tiếp theo (bộ ADC của CPU: 1,024 V). Điện áp ra đưa tới CPU trực 
tiếp hoặc gián tiếp qua IC cách ly. Chọn hệ số chia của mạch chia áp đầu vào sao cho không 
bị tín hiệu không bị biến dổi sai do mạch bảo vệ quá áp đầu vào, đồng thời không quá nhỏ dẫn 
đến giảm độ chính xác của mạch đo. Do tần số cắt mạch lọc là khá cao và môi trường làm 
việc có nhiều nhiễu nên các xung nhiễu đầu vào có thể khá lớn, qua thử nghiệm trên thiết bị, 
lấy độ dự trữ dải tín hiệu vào kdt=130%, từ đó chọn hệ số chia áp Ku = 200≥ Uvao/Ura * kdt. 
Mạch lọc có tác dụng lọc bỏ các tín hiệu tần số cao và xung nhiễu để không ảnh hưởng tới 
các khâu xử lý số. Để đảm bảo tốc độ điều chỉnh, chọn thời gian phản ứng của khâu điều chỉnh T 
= 100 msec. Tính được tần số điều chỉnh và tín hiệu vào fth = 1/T = 10 Hz. 
Để đảm bảo mạch lọc không ảnh hưởng tới tín hiệu và thuận tiện cho thiết kế mạch lọc, 
tần số cắt của mạch lọc (fc) cần lớn hơn nhiều lần tần số tín hiệu cần xử lý: fc >> fth. Chọn fc 
= 1000 Hz. Do tần số cắt tương đối thấp nên sử dụng mạch lọc RC dạng . 
Mạch đầu vào dòng điện: Trên đầu máy hiện đang sử dụng điện trở shunt nối tiếp với 
cực dương của máy phát có Rs = 1,25 m, cung cấp tín hiệu cho mạch DKMF và đồng hồ đo 
trong dải từ 75 mV-125 mV ứng với dòng điện máy phát từ 60-100 A. 
Bố trí mạch khuếch đại bằng IC khuếch đại dòng chuyên dung LMP860x và ghép nối với vi 
xử lý thông qua mạch cách ly. 
3.2. Bộ xử lý trung tâm (CPU) 
Bộ xử lý là khâu tính toán giá trị điều 
khiển. Bộ xử lý cần có tốc độ đủ cao để kịp 
thời tính toán giá trị điều khiển theo giá trị 
vào. Để giảm bớt các IC phụ trợ bên ngoài, bộ 
xử lý nên chọn có tích hợp các chức năng như 
ADC PWM. Bộ xử lý cũng phải có khả năng 
hoạt động được trong môi trường trên đầu 
máy (nhiệt độ cao, nhiễu từ thiết bị động lực, 
chất lượng nguồn không tốt). 
Căn cứ các tiêu chí trên, chọn loại Vi điều 
khiển họ PsoC 4 dòng CY8C4245AXI với các 
thông số chính như bảng 2. 
3.3. Mạch công suất chính 
Theo tài liệu kỹ thuật đầu máy D19E [6] 
và các kết quả nghiên cứu về điều khiển kích 
từ MFDF [2, 3], xác định được điều kiện làm 
việc của mạch công suất như sau: dòng điện 
kích từ Ikt ≤10A, Ukt ≤110V [6]; xung điện áp 
và dòng điện lớn, tính chất tải kích từ là điện 
cảm và dải điều chỉnh rộng từ 0 đễn Iktmax. 
Bảng 3. Thông số cơ bản van 60N60. 
Thông số Ký hiệu Giá trị 
Điện áp chịu đựng Vdsmax 600V 
Dòng làm việc Idmax 60A 
Dòng đỉnh Idpk 120A 
Điện trở lúc dẫn Rds 38 m 
Bảng 2. Thông số kĩ thuật dòng vi xử lí 
CY8C4245 AXI. 
Chức năng Thông số kỹ thuật 
CPU 
32-bit MCU Sub-system, 48-
MHz, 32kB flash, 4 kB SRAM 
Programmable 
Analog 
8 x 12-bit ADC, 8x 10 bit 
DAC 
Programmable 
Digital 
4 khối logic (UDBs) x 8 
Macrocells. 
Điện áp hoạt động trong 
khoảng từ 1,71 đến 5,5V 
Timer 
Timer/counter có thể tùy chỉnh 
độ rộng xung 
Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue 3 (04/2020), 295-304 
301 
Do vậy, cần thiết phải chọn hệ số dự trữ dòng điện và điện áp lớn. Mặt khác, nên chọn 
các van công suất có điện trở dẫn Rds nhỏ để giảm tiêu hao năng lượng trên van và thuận lợi 
cho tản nhiệt. Từ các nhận xét trên, chọn van MOSFET loại 60N60 với các thông số cơ bản 
như bảng 2. 
Lựa chọn sơ đồ mạch kích có cách ly nhằm đảm bảo an toàn cho mạch điều khiển và tạo 
ra tín hiệu kích không nhiễu - là điều kiện cơ bản đề van làm việc tin cậy. Sử dụng IC driver 
kiểu opto, dòng điện 2A làm IC điều khiển cho MOSFET. 
Bố trí các mạch snubber để dập xung nhiễu và bảo vệ MOSFET. 
3.4. Mạch bảo vệ 
Trong tình huống mạch điều khiển chính có sự cố, điện áp hoặc dòng điện có thể tăng lên 
vượt quá mức ngưỡng, mạch bảo vệ sẽ cắt rơ le đầu ra kích từ để cắt hoàn toàn điện áp kích 
từ. Mạch bảo vệ hoạt động độc lập với mạch điều khiển và không tự phục hồi. Để khôi phục 
cần tắt nguồn điều khiển và máy phát. 
3. 5. Nguồn cấp 
Thiết bị phải làm việc được với 
điện áp đầu vào biến thiên trong dải 
rộng và chịu được xung nhiễu rất lớn 
từ mạch động lực của hệ thống truyền 
động điện. Vì vậy, lựa chọn mạch 
nguồn kiểu xung với IC chuyên dụng 
cho mạch nguồn điện áp cao TOP 256 
có Umax=700V, Imax=4A. 
3.6. Luật điều khiển 
 Luật điều khiển được xây dựng 
theo sơ đồ thuật toán trong hình 3. 
Card luôn được cấp nguồn từ ắc 
quy và ở chế độ chờ. Khi điện áp máy 
phát đạt trên giá trị ngưỡng, card 
chuyển sang chế độ khởi động với điện 
áp kích từ được đặt cố định. 
Điện áp máy phát sẽ tăng theo tốc 
độ quay và điện áp kích từ. Khi điện áp 
máy phát đạt xấp xỉ giá trị ổn định 
(95V) thì quá trình khởi động kết thúc. 
Mạch chuyển sang chế độ ổn định. 
Ở chế độ ổn định áp: Điện áp đầu 
vào được so sánh với điện áp đặt và điều 
chỉnh thông qua bộ điều khiển số với 
luật điều khiển tích phân (PI). 
Chế độ hạn chế dòng (ổn định 
dòng): Khi dòng điện đạt đến giá trị 
ngưỡng, bộ điều chỉnh chuyển sang chế 
Hình 3. Lưu đồ thuật toán điều khiển. 
U, I: Điện áp, dòng điện MFDF 
Ukdmin, Ukdmax: Điện áp bắt đầu, kết thúc khởi động 
In: Dòng điện chuyển chế độ dòng điện In = 90% Idm 
Idm: Dòng điện định mức của MFDF 
Ubv, Ibv: Điện áp, dòng điện ngưỡng bảo vệ MFDF 
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 295-304 
302 
độ hạn chế dòng: Dòng điện được duy trì không vượt quá dòng định mức. 
Kết hợp giữa hai chế độ làm việc tạo ra đặc tính máy phát có dạng hình chữ nhật [304]. 
4. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 
4.1. Chế thử 
Mạch nguyên lý và mạch in được thiết kế trên môi trường thiết kế mạch điện tử Altium 
2000 (hình 4). 
Thiết kế sử dụng linh kiện dán để tăng độ tin cậy và thuận lợi cho gia công hàng loạt trên 
máy. Sử dụng linh kiện có độ chính xác cao (0.1 đến 1% tùy theo vị trí sử dụng). Mạch in 2 
mặt được chế tạo trên máy. Mẫu thử được hoàn thiện theo thiết kế (hình 5). 
4.2. Hiệu chỉnh tại phòng thí nghiệm 
Thiết bị được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, kiểm tra tính năng và điều chỉnh điểm 
làm việc, giá trị ổn định điện áp, giới hạn dòng điện, ngưỡng bảo vệ dòng điện, bảo vệ điện áp 
đúng với thông số thiết kế. 
4.3. Thử nghiệm trên bàn thử MTĐM 
Hình 4. Thiết kế Mạch in. 
Hình 5. Card D19101. 
Hình 6. Điều chỉnh card điều khiển kích từ MFDF trên bàn thử MTĐM. 
Transport and Communications Science Journal, Vol 71, Issue 3 (04/2020), 295-304 
303 
Hình 7. Lắp đặt trên đầu máy và thử nghiệm trên bể thử công suất tại XN đầu máy Hà Nội. 
Bàn thử MTĐM là thiết bị kiểm tra chất lượng làm việc của từng card và toàn bộ MTĐM 
[4, 6] mô phỏng điều kiện làm việc thực tế. Card D19101 được đưa lên thử nghiệm trên bàn 
thử cho kết quả kiểm tra trong bảng 4 và đồ thị đáp ứng điều chỉnh hình 6. Kết quả cho thấy 
card đã làm việc đúng với tính năng thiết kế và đạt thông số yêu cầu. 
4.4. Thử nghiệm hiện trường và thử nghiệm dài hạn 
Tiến hành lắp đặt card D19101 trên đầu máy và thử nghiệm trong xưởng với bể thử công 
suất đầu máy D19E (thử nghiệm tĩnh) tại Xí nghiệp Đầu máy Hà nội (hình 7). Bể thử công 
suất là thiết bị gia tải, cho phép mô phỏng các trạng thái làm việc của đầu máy [6]. Cán bộ kỹ 
thuật của Xí nghiệp đã kiểm tra và xác nhận các tính năng phù hợp, thông số đạt yêu cầu làm 
việc. 
Card được thử nghiệm tĩnh và chạy thử trên đường với sự giám sát của cán bộ kỹ thuật 
trong dải thông số làm việc của card được liệt kê trong bảng 5. Cán bộ kỹ thuật xác nhận các 
thông số đạt yêu cầu. Card được phép lắp và thử nghiệm dài hạn trên đầu máy D19E 950 từ 
ngày 20 tháng 11 năm 2018 đến ngày 26 tháng 3 năm 2019 và tiếp tục sử dụng. Kết quả: Card 
Bảng 5. Điều kiện thử nghiệm card D19101 trên đầu máy. 
Thông số Ký hiệu Giá trị min Giá trị max 
Tốc độ vòng quay (vòng/ph) n 570 1800 
Dòng điện tải (A) IMFDF 0 30 
Điện áp ắc quy (V) Uaq 95 110 
Bảng 4. Kết quả thử nghiệm trên bàn thử. 
Thông số Ký hiệu Thông số thiết kế Giá trị đạt được* 
Điện áp ổn định (V) Udm 110 109.6 
Sai lệch điện áp (V)** U +/-1 +/-0.5 
Dòng điện định mức (A) Idm 30 30 
Dòng điện bảo vệ (A) Ibv 100 100 
Điện áp bảo vệ (V) Ubv 125 126.8 
Điện áp khởi động (V) Ukd <25 23.7 
* Điều kiện thử nghiệm tương đương điều kiện làm việc thực tế tại n=1000vg/ph,Utkt=37.5V, 
Ikt=10.7A, IMFDF=20A. 
** Thử nghiệm trong dải n=550-2000vòng/ph, IMFDF=0-30A. 
Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 71, Số 3 (04/2020), 295-304 
304 
hoạt động tốt, đầu máy đã vận hành được trên 100.000km không có sự cố. Vì vậy, hiện nay, 
các đơn vị sử dụng đầu máy D19E (các Xí nghiệp Đầu máy Hà Nội, Đầu máy Sài Gòn, Đầu 
máy Đà Nẵng) đã chấp nhận đưa vào vận hành và cho phép thay thế cho các card tương 
ứng của các MTĐM bị hư hỏng trong quá trình khai thác. 
5. KẾT LUẬN 
Trên cơ sở các nghiên cứu về cấu trúc và điều kiện làm việc của MTDM, nhóm nghiên 
cứu đã thiết kế, chế thử card DKMF cho MFDF đầu máy D19E. Thiết kế có tham chiếu tới 
TCVN 12089:2017 và EN 50155:2007 
Thiết bị đã được thử nghiệm qua các bước: Hiệu chỉnh trong phòng thí nghiệm, thử 
nghiệm trên bàn thử, thử nghiệm tĩnh với bệ thử công suất, chạy thử ngắn hạn và dài hạn. Các 
phép kiểm tra đều có kết quả đạt yêu cầu. 
Card hoạt động ổn định và được đơn vị sử dụng chấp nhận thay thế khi card hiện có trên 
đầu máy bị hư hỏng. 
Nghiên cứu có ý nghĩa trong việc từng bước thiết kế, nội địa hóa MTDM. 
Việc ứng dụng vi điều khiển và điện tử công suất cho phép mở rộng cho thiết kế các thiết 
bị tự động hóa khác trên đầu máy. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Nguyễn Văn Nghĩa, Đỗ Việt Dũng, Nghiên cứu thiết kế chế tạo card điều khiển động cơ diesel 
đầu máy D19E, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, 11 (2018) 187-196. 
[2]. Đỗ Việt Dũng, Nguyễn Văn Nghĩa, Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ điều chỉnh điện áp tự động cho 
đầu máy D10H, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, 31 (2010) 119-128. 
[3]. Đỗ Việt Dũng, Lại Ngọc Đường, Trương Duy Phúc, Truyền động và điều khiển đầu máy diesel, 
NXB Giao thông Vận tải, 1996 
[4]. Nguyễn Văn Nghĩa, Đỗ Việt Dũng, Hoàng Quang Vinh, Study on design and manufacture of 
tester equipment for D19E locomotive, in Conference Vietnam railway development and experiences 
of China, Ha noi, ISBN: 978-604-76-1572-8. p. 52-62, 2018. 
[5]. Hoàng Quang Vinh và nhóm nghiên cứu, Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bàn thử nghiệm để phát 
hiện sự cố, sửa chữa máy tính ZY 8000-1 trên đầu máy D19E, Đề tài cấp tổng Công ty Đường sắt Việt 
Nam, TP. Hồ Chí Minh, Tháng 12 (2017). 
[6]. Tổng công ty Đường sắt Việt Nam, Tài liệu kỹ thuật đầu máy D19E, 1990. 
[7]. TCVN 12089:2017, Ứng dụng Đường sắt – Thiết bị điện tử sử dụng trên phương tiện giao thông 
đường sắt, Bộ Khoa học & Công nghệ, 2017. https://thuvienphapluat.vn/TCVN/Giao-thong/TCVN-
12089-2017-EN-50155-2007-Ung-dung-duong-sat-Thiet-bi-dien-tu-917161.aspx 
[8]. TCVN 11854:2017, Ứng dụng Đường sắt – Phương tiện giao thông đường sắt – Thử nghiệm 
phương tiện giao thông đường sắt có kết cấu hoàn chỉnh và trước khi đưa vào sử dụng, Bộ Khoa học 
& Công nghệ, 2017. https://thuvienphapluat.vn/tcvn/giao-thong/TCVN-11854-2017-IEC-61133-2016-
Ung-dung-duong-sat-Thu-nghiem-phuong-tien-917119.aspx 
[9]. EN 50155:2007, Railway applications - Electronic equipment used on rolling stock, European 
Committee for Electrotechnical Standardization, 2007. https://www.assured-
systems.com/uploads/media/news//bs_en_50155-2007.pdf 
[10]. Bùi Đức Hùng, Triệu Việt Linh “Máy điện” NXB Giáo dục, 2008