船舶电气设备及系统-大连海事大学第10章船舶舵机的电力拖动与控制.ppt

船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 第10章 船舶舵机的电力拖动与控制 10.1 舵机电力拖动与控制的基本要求 10.2 操舵方式及基本工作原理 10.3 自动舵的基本类型及其调节规律 10.4 自动操舵系统基本要求和工作原理 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 内容简介 本章主要讨论船舶舵机电力 拖动与控制的基本类型和控 制原理。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用舾 装设备。如果船没有舵，或舵失灵，在大海里任凭 风浪摆布。无主动航向的船不仅不能保证航行的安 全，而且是不能到达目的港的。 舵是驾驶人员用来保持或改变船舶在水中运动 方向的专用设备。 舵有两大功能： 一是保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性 ； 二是改变船舶运动方向的能力，称回转性。 通常把二者统称为船舶的操纵性。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 F-F1 转船力矩,T - 横向推力,R - 阻力 在船舶重心上加一对大小等于F，方向相反的力F1、F2 FL -升力 FD -阻力 F -水作用力 机翼理论 转舵效应: (1)转向：Ms (2)制动：R (3)漂移：T (4)纵倾、横倾。 水流动压力P对船舶的影响 ： 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 最大舵角： 随着舵角的增大，转舵 力矩和转船力矩逐渐增 大，但转船力矩在某一 舵角时达到最大值Msmax 。对应最大转船力矩 Msmax的舵角称为最大舵 角max。 Ms max Msmax 拖动舵的设备称为舵机 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 按规定要求，电动机堵转时间应能持续1分钟 以上，仍不致将电动机烧毁。要求电动机具有软 的机械特性和足够大的过载能力。 1. 供电要可靠 从主配电盘到舵机应当用两路（左右舷）分离较 远的馈电线对舵机电动机供电。其中之一还应该 与应急配电盘相连。 2. 电动机的运行要可靠 10.1 舵机电力拖动与控制的基本要求 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 舵机操纵系统应装有自动操纵系统、随动操纵 系统和应急操纵系统三种操纵装置。 3. 控制系统要可靠 舵机电力拖动装置至少有两个控制站，驾驶台和 舵机舱(房)各一，控制站之间要有转换开关，以防 同时操作。 根据规范规定，当采用自动操舵装置时，应 设有航向超过允许偏差的偏航自动报警装置。 4. 舵叶偏转限位保护和失压报警装置 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 电动机械舵机装置 1-电动机、2-蜗杆、3-蜗轮、4-齿轮、 5-舵扇、6-缓冲弹簧、7-舵柄、8-舵杆头 电动舵机多用于内 燃机船。由于电动舵 机需要具备较大的起 动力矩和过载能力， 因此一般多采用直流 电动机为驱动电机。 10.2 操舵方式及基本工作原理 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 缓冲弹簧既可带动舵偏转，又可吸收 浪流对舵的冲击力，起缓冲作用以保护舵 设备。 电动舵机结构简单、占据空间小、运 转平稳。但在大型交流电源船上，需配大 功率的变流机组，故逐渐被电动液压舵机 所代替。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 液压舵机传动机构 舵柱 舵柄 撞杆油缸 电动液压舵机装置 (1)控制系统(操纵系统)。驾驶室遥控系统、舵机室 机旁控制系统。驾驶室操舵仪舵机室接收器。 (2)动力装置。液压泵、液压元件等。 (3)转舵机构。油缸、撞杆、舵柄等。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 无论是电动还是液压舵机，其操舵方式一般分为 单动操舵，随动操舵和自动操舵三种。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 单动操舵也就是通 过转换开关进行的 应急操舵。 G为差复励发电机,M 为执行电动机,J是 发电机G的励磁机 ,K1和K2为操舵手柄 或按钮控制的触点 ,ZD1和ZD2为舵机限 位开关。 10.2.1 单动操舵工作原理 单动舵原理图 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 G-M (F-D)系统的工作原理 励磁机 电动机 差复励 发电机 执行 电动机 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 单动操舵方框图 单动操舵的操作方法可以归纳为：手板舵动，复零 舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳 。 这种操舵方式仅适用于内河小型船舶和作为海船 的应急操舵方式。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 10.2.1随动操舵的工作原理 随动操舵是按偏差原则 进行调节的操舵自动跟 踪系统，被调对象是舵 ，被调节量是舵角。它 具有使舵叶角度与操舵 手轮位置自动同步的特 点，即操舵手轮转至某 一所需角度时，舵叶相 应地偏转到同一角度后 自行停止。 随动操舵原理图（电桥式） 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 船舶左偏航操右舵，舵轮操右舵x0，舵叶右偏，并 自动停在右舵x0上。为了减少形航迹的振幅，船舶 在返回正航向过程中，必须回舵。 随动操舵的方法 ： 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 三.自动操舵工作原理 ：=0，=0 自动舵校正航向的工作过程 偏航角 偏舵角 罗经 舵机 ：船右偏滚轮左偏J1有电舵 左转导电环左转很小(转船力矩小 )，偏航，同时舵角 偏航 转舵 ：使(=max),船停止偏转(d/ dt = 0).导电环追上滚轮，使绝缘块与滚 轮接触，电动机停，舵叶停转=max 。 最大舵角 ：在左舵的作用下，船开始回转 （），使滚轮右转，与导电环接3 触，使J2有电，电动机反转，回舵 （）。导电环右转追随滚轮运动 。 回转 ：船舶回到给定航向K， =0，=0。 回航 船舶的航迹曲线 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 反馈机构：航向接受器和舵角反馈机构。 电罗经是检测元件，也是比较环节。 比较(元件)：由两个导电半圆环和滚轮所构成的部件。 放大器：直流发电机 执行机构：他励直流电动机M。 舵角 偏差 航向 偏差 要求 舵角 发送器油泵转舵油缸舵船 舵角反馈 航向反馈陀螺仪 设定 航向 实际舵角实际舵角 实际航向实际航向 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 10.3 自动舵的基本类型及其调节规律 船舶应用的自动舵类型众多，究其调节规律 ，有三种基本类型：以船舶偏航角的大小和 方向进行调节的比例舵，以船舶偏航角和偏 航角速度的大小和方向调节的比例一微分舵 和以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角积分 的大小和方向来调节的比例一微分一积分舵 。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 1比例舵 以船舶偏航角的大小按比例 给偏舵角，即 K1(KP)为比例系数，负号表 示偏舵的方向是消除偏航 K1过小，不能产生足够的转 船力矩，回转性能不好。 K1过大，使船回转过头，稳 定性变坏，还会降低航速。 与B随时间变化的曲线 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 2比例微分舵 以船舶偏航角和偏航角速度d / d t按比例给出偏舵角,即 K2(KD)是微分系数 。 加入微分环节后使得系统具有“超前”的校正控制作用。 提高系统的灵敏度。 通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角等均指微分舵作用。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 比例微分舵角及其合成曲线 比例作用 微分作用 共同作用 偏航角 偏航角微分 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 比例系数K1与微分系数K2选择不当，也将影响航行质量。 当载荷增加而船速减 慢时，相对于K1把K2 的值调得过小(大比例 小微分)，则比例舵的 效果就比微分舵的效 果大，所以船舶以正 航向为中心，左右摇 摆，逐渐衰减，最后 停止在正船向上，如 图所示。 偏航 比例一微分舵对偏航角的影响 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 反过来，相对K1把K2调得 过大(小比例大微分) ，则 微分舵的效果更明显，因 而航向不发生摇摆，航迹 呈现过阻尼现象，船舶长 时间不能恢复正航向。如 图所示。 在不同的航行工况下，如何适当选择K1和K2数值 ，需通过实践，常常是靠经验来调整K1和K2。 比例一微分舵对偏航角的影响 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 3比例微分积分舵 其调节规律是以船舶偏航角 、偏航角速度d / d t和偏航 角的积分d t按比例给出偏舵角，即 K3(KI)是积分系数 。 积分环节的作用在于消除船舶由于船型不对称、螺旋浆不 对称或船舶单侧风、水流的影响使偏航角在不灵敏区所引 起的横向移动距离。（不灵敏区是在较小时，自动舵 是不调节的） 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 如果由于某种原因引起船舶的瞬时偏 航，后来立即消失，因为作用时间短 ，不影响整个航向，所以对其平均航 向没有偏移，无需发出校正动舵信号 ，如图(a)所示。 有时候在船舶给定的航向两侧均匀摇 摆，经过比较长的时间后，其平均航 向仍在正航向上，因此也无需使舵动 作，如图(b)所示。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不 均匀，平均航向如图(c)所示偏离正航 向一侧，且又持续了很长一段时间， 于是偏航积分环节发出信号，予以校 正。 图(d)所示为平均航向发生偏移，积分 校正器工作后，船舶返回正航向的情 况。 自动舵虽能纠偏使船舶返回正航 向，但对船舶的横向漂移却无能 为力。可利用GPS定位系统来实 现航线控制。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 “比例微分积分”调节系统是比较完善的自动舵 ，但系统构造较复杂。有的自动舵以“压舵”环节了 替代上述的积分环节，从而使控制系统得到简化， 所谓“压舵”，指的是船舶航行受到持续的单侧横向 力的干扰（如风浪、推进器、船舶装载不对称等） ，使船舶形成向某一侧的小偏航。估计这种情况可 能发生，则在自动舵放大环节的输入端加入某一极 性的固定信号，这样产生一个相应的固定偏舵角， 对船舶形成一个固定的转船力矩，用以平衡单侧横 向干扰力。这一固定大小的舵角称之为压舵角。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 10.4 自动操舵系统基本要求和工作原理 10.4.1 自动操舵系统基本要求 自动操舵性能良好 具有必要的调节装置 灵敏度调节（俗称天气调节） 舵角比例调节 反舵角调节(微分) 压舵调节 航向调节 应设有随动、单动等操舵设备 自动舵还应设有双电源，双机组等换转装置 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 10.4.1 自动操舵系统的工作原理 以国产HQ-5型自动操舵仪为例介绍自动舵装置的结构功能 1) 系统的组成 HQ5型自动舵系统基本上由驾驶室主操舵台 ，舵机房简易操舵台，伺服机构，反馈装置和 电源箱等组成。它的单动（应急）操舵、随动 操舵和自动操舵三种操舵方式，可根据船舶航 行中的具体情况加以择用。自动操舵采用比例 一微分调节，并设有压舵环节。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 2) 信号发送电路 偏航信号发送器，随动信号发 送器和舵角反馈信号发送器都 是控制式自整角机。它们单机 使用，其定子的单相激磁绕组 接到110V的单相电源上，转 子的三相整步绕组只联接其中 的两相作出输出绕组，转轴分 别由罗经接收机（分罗经）， 操舵手轮或舵柱通过机械传动 装置带动。自整角机处于协调 位置时，无输出。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 3) 相敏整流电路 由偏航信号发送器 ，随动信号发送器 和舵角反馈信号发 送器输出的交流信 号电压分别送到相 敏整流电路中进行 整流检相。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 + + _ _ + _ + _ + _ + _ 27 28 29 D2 D5 D3 D4 下级输 入电阻 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 D5 D2 + _ + _ + _ 29 27 28 正半周 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 D2 D4 + _ + _ + _ 27 29 28 负半周 相敏电路的输出电压与参考电压无关，其输出电压的大小与输 入电压成正比 ，输出电压的极性取决于输入电压的相位，即船 舶偏离航向的方向。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 4) 信号比较、压舵环节和直流放大电路 信号比较电路、差分放大电路、灵敏度调节电路、压舵电路 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 5) 比例调节电路 比例舵调节是通过 改变舵角反馈电压 的大小来实现的。 自动操舵时，比较 电路中接入了电阻 R44，它和电阻R37 、R38、R39构成串 联分压电路。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 6) 微分调节电路 HQ5型自动操舵仪中，微分调节电路是通过在舵角反馈信 号电路中接入RC积分电路来实现主通道的微分调节的。 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学院电气及自动化教研室 7) 脉冲形成与晶闸管触发电路 船舶电气设备及系统 * 课 件 轮机学