第十章船舶舵机的电力拖动与控制

1、船舶电机与电气控制系统船舶电机与电气控制系统机电系机电系 电气教研室电气教研室电力拖动电力拖动第第10章章 船舶舵机的电力拖动与控制船舶舵机的电力拖动与控制电力拖动电力拖动第第10章章 船舶舵机的电力拖动与控制船舶舵机的电力拖动与控制电力拖动电力拖动 主要内容主要内容： 舵机控制装置舵机控制装置主要掌握：主要掌握：舵机装置及分类舵机装置及分类 对舵机电力拖动的要求对舵机电力拖动的要求 主要掌握：主要掌握：对舵机电动机的要求对舵机电动机的要求 对舵机控制系统要求对舵机控制系统要求主要掌握：主要掌握：对舵机控制系统的要求对舵机控制系统的要求10.1 舵机电力拖动与控制的基本要求舵机电力拖动与控制的

2、基本要求电力拖动电力拖动 舵机舵机是船舶上最重要的机械设备之一，它可以是船舶上最重要的机械设备之一，它可以用来改变船舶的方向，保证船舶按预订航向航行、用来改变船舶的方向，保证船舶按预订航向航行、是船舶机动性和生命力的主要设备。舵机装置主要是船舶机动性和生命力的主要设备。舵机装置主要由由舵叶舵叶、舵机动力装置、传动机构和、舵机动力装置、传动机构和操舵控制装置操舵控制装置等组成。等组成。舵又称为舵叶，安装于推进螺旋桨后侧，承舵又称为舵叶，安装于推进螺旋桨后侧，承受水流作用而产生转船力矩。受水流作用而产生转船力矩。舵机提供转舵的动力，都配备驱动电动机，舵机提供转舵的动力，都配备驱动电动机，其直接经传

3、动机构或液压设备带动转舵机构，以转其直接经传动机构或液压设备带动转舵机构，以转动舵叶。动舵叶。传动机构将舵机发出的功率传递给舵柱的设传动机构将舵机发出的功率传递给舵柱的设备。备。10.1 舵机电力拖动与控制的基本要求舵机电力拖动与控制的基本要求电力拖动电力拖动航向舵叶偏转时作用于船舶上的力舵叶偏转时作用于船舶上的力aP1P2转向O水流方向P一、舵的作用原理一、舵的作用原理 在驾驶台设有操舵控制台，其上有操舵手轮，操舵方式转换开关、单动操舵用的手柄及自动舵设备。电力拖动电力拖动 舵叶处于舵叶处于船舶首尾线上时，水流方向与舵面一致，不产船舶首尾线上时，水流方向与舵面一致，不产生转船力矩，船舶保持直

4、线航行。当舵叶离开首尾线，向某一生转船力矩，船舶保持直线航行。当舵叶离开首尾线，向某一舷侧偏转一个舷侧偏转一个角时，因舵叶两面水流流速不同，两面的压力角时，因舵叶两面水流流速不同，两面的压力不平衡，在舵面上产生与其垂直的压力不平衡，在舵面上产生与其垂直的压力R。将。将R分解为相互垂直分解为相互垂直的两个分力的两个分力T和和P。其纵向分力。其纵向分力T对船舶的航行起制动作用，使对船舶的航行起制动作用，使船速减低船速减低，而横向分力，而横向分力P会产生一个使船舶转向的会产生一个使船舶转向的转船力矩转船力矩M。 转船力矩转船力矩在一定的舵角上出现最大值，这个在一定的舵角上出现最大值，这个舵角称为最大

5、舵角称为最大舵角舵角。在船舶上通常予以限定的角度。在船舶上通常予以限定的角度(例如例如350)作为舵机的最大作为舵机的最大转舵角。转舵角。 电力拖动电力拖动 按按规定规定要求，电动机堵转时间应能持续要求，电动机堵转时间应能持续1分分钟以上，仍不致将电动机烧毁。要求电动机具有软钟以上，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。故采用的机械特性和足够大的过载能力。故采用差复励的差复励的重复短时工作重复短时工作的直流电动机（的直流电动机（电动机械装置电动机械装置）以及）以及连续运行连续运行的交流电机（的交流电机（电动液压装置电动液压装置）。）。二、对电力拖动与控制的基本要求二

6、、对电力拖动与控制的基本要求1. 供电要可靠供电要可靠 从主配电盘到舵机应当用两路分离较远的馈从主配电盘到舵机应当用两路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。配电盘相连。2. 电动机的运行要可靠电动机的运行要可靠电力拖动电力拖动三、对舵机拖动控制系统的技术要求三、对舵机拖动控制系统的技术要求 1 1从主配电板到舵机舱应从主配电板到舵机舱应采用双线供电制采用双线供电制，并，并尽可能远离分开敷设尽可能远离分开敷设( (如左、右舷两路如左、右舷两路) )。在正常。在正常情况下应急配电板由主配电板供电时，情况下应急配电板由主配电板供

7、电时，其中一路其中一路可以经应急配电板供电可以经应急配电板供电。驾驶室与舵机舱的操舵。驾驶室与舵机舱的操舵装置应使用同一电源。装置应使用同一电源。 2 2舵机电动机应能满足舵机的技术要求，并能舵机电动机应能满足舵机的技术要求，并能保证堵转保证堵转1min1min的要求的要求。 3 3拖动电动机组应拖动电动机组应采取双机系统，采取双机系统，各机组可单各机组可单独运行（一机组为备用），也可同时运行。一机独运行（一机组为备用），也可同时运行。一机组故障时，另一机组应能自动投入工作。组故障时，另一机组应能自动投入工作。电力拖动电力拖动 4至少设有驾驶室和舵机舱至少设有驾驶室和舵机舱两个控制站两个控制站

8、，并设，并设有转换装置，有转换装置，防止两地同时操纵防止两地同时操纵。 5 5现代船舶驾驶室多装有操舵仪，一般现代船舶驾驶室多装有操舵仪，一般设有自动、设有自动、随动、应急三种操舵随动、应急三种操舵方式，也可只设两种。方式，也可只设两种。 6船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时，不仅能满足舵自一舷时，不仅能满足舵自一舷350转至另一舷转至另一舷350的最大舵的最大舵角要求，还应满足自任一舷角要求，还应满足自任一舷350转至另一舷转至另一舷300的时间的时间不超过不超过28s的转舵速度要求。的转舵速度要求。 电力拖动电力拖动 7 7舵角指示器指示舵角

9、的舵角指示器指示舵角的误差应不大于土误差应不大于土1 10 0。 8保护和报警装置：保护和报警装置：设有舵叶偏转限位开设有舵叶偏转限位开关，实现极限位置自动停舵；电源失压报警装置；关，实现极限位置自动停舵；电源失压报警装置；过载声光报警，但过载声光报警，但无过载保护装置无过载保护装置；采用自动操；采用自动操舵装置时，应设有航向超过允许偏差的自动报警舵装置时，应设有航向超过允许偏差的自动报警装置。装置。 电力拖动电力拖动三、舵机拖动控制系统的维护三、舵机拖动控制系统的维护开航备车时对舵开航备车时对舵对舵时应注意以下各项：对舵时应注意以下各项：（1 1）检查操舵检查操舵台上的控制开关、按钮、指示台

10、上的控制开关、按钮、指示灯及失压、过载报警、声光信号等装置是否完灯及失压、过载报警、声光信号等装置是否完整良好；整良好；（2）观察两舷供电观察两舷供电转换使用情况，并用应急转换使用情况，并用应急电源在驾驶室和舵机舱分别试操；电源在驾驶室和舵机舱分别试操； 电力拖动电力拖动（3）用各种操舵方式在各操作台进行操试用各种操舵方式在各操作台进行操试，检查应急舵操纵是否有效，观察两套机组工作是检查应急舵操纵是否有效，观察两套机组工作是否正常，自动切换是否可靠，控制系统工作是否否正常，自动切换是否可靠，控制系统工作是否正常，舵机的机械传动部分是否灵活可靠；正常，舵机的机械传动部分是否灵活可靠； （4）检查

11、操舵器、舵角指示器与舵叶实际位）检查操舵器、舵角指示器与舵叶实际位置的偏差，在正舵时，偏差应为零，在大舵角置的偏差，在正舵时，偏差应为零，在大舵角下，下，偏差应不大于偏差应不大于2； 电力拖动电力拖动 （5）复查舵从一舷复查舵从一舷35转至另一舷转至另一舷30所需所需时间是否符合规定时间是否符合规定。检查舵叶偏转速度是否均。检查舵叶偏转速度是否均匀，转舵时有无异常声音、异常现象等。匀，转舵时有无异常声音、异常现象等。 2 2航行期间的巡视检查航行期间的巡视检查 巡视检查应包括下列内容：巡视检查应包括下列内容：（1 1）查看机组的运行情况，电动机运转的声音、温升；）查看机组的运行情况，电动机运转

12、的声音、温升；（2 2）检查电磁阀、伺服马达、限位开关等动作是）检查电磁阀、伺服马达、限位开关等动作是否可靠；否可靠；（3 3）观察各仪表读数、机组运行指示、舵角指示）观察各仪表读数、机组运行指示、舵角指示等装置的工作是否正常；等装置的工作是否正常；电力拖动电力拖动10.2 操舵方式及其基本工作原理操舵方式及其基本工作原理 单动操舵也就是通过转换开关进行的应单动操舵也就是通过转换开关进行的应急操舵。急操舵。 一、单动操舵工作原理一、单动操舵工作原理手动操舵系统框图手动操舵系统框图手柄手柄放大器放大器执行机构执行机构传动装置传动装置舵叶舵叶人 单动操舵的操作方法可以归纳为：手板舵动，单动操舵的操

13、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，回复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。舵左扳。电力拖动电力拖动 进行单动操舵，操舵人员必须经常观察罗径上航向指示及舵角指示器，再根据操舵要求扳动操舵手柄，发出操舵信号。每转舵一次，扳动操舵手柄两次（一次发出信号使舵偏转，一次消除信号使舵停转）。因此，这种操舵系统虽简单，但操舵人员劳动强度大。 这种操舵方式仅适用于内河小型船舶和作为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。海船的应急操舵方式。电力拖动电力拖动二、随动操舵工作方式二、随动操舵工作方式 船舶左偏航操右舵，舵轮操右舵，舵叶右偏，船舶左偏航

14、操右舵，舵轮操右舵，舵叶右偏，并自动停在右舵上。为了减少航迹的振幅，船舶并自动停在右舵上。为了减少航迹的振幅，船舶在返回正航向过程中，必须回舵。在返回正航向过程中，必须回舵。随动操舵的方法：随动操舵的方法： 随动控制已经广泛应用于船舶舵机电力拖动中，随动控制已经广泛应用于船舶舵机电力拖动中，它可以简化操舵工作，操舵人员不必不断扳动操它可以简化操舵工作，操舵人员不必不断扳动操舵手柄并连续查看舵角指示器。随动是自动的基舵手柄并连续查看舵角指示器。随动是自动的基础。础。电力拖动电力拖动随动操舵随动操舵是舵叶转动的角度能自动跟踪手轮发出的操舵角是舵叶转动的角度能自动跟踪手轮发出的操舵角度，即舵角能自动

15、停止在指令角度上。随动操舵是典型的位置度，即舵角能自动停止在指令角度上。随动操舵是典型的位置(Position)随动系统，实质上也是自动调节舵叶角位移的反馈系统。随动系统，实质上也是自动调节舵叶角位移的反馈系统。舵叶的偏转角，模仿复制了操舵手轮的偏转角，按被调节量舵叶的偏转角，模仿复制了操舵手轮的偏转角，按被调节量(舵角舵角)与手轮给定值的偏差进行调节。系统中主要有检测和转换装置、比与手轮给定值的偏差进行调节。系统中主要有检测和转换装置、比较装置较装置(误差检测误差检测)、放大装置、放大装置(Magnify equipment)、执行机构及调、执行机构及调节对象节对象(舵叶舵叶)等五个部分。等

16、五个部分。手轮手轮放大器放大器执行机构执行机构测量机构测量机构舵舵人人舵角舵角随动操舵系统框图随动操舵系统框图电力拖动电力拖动三、自动操舵工作原理三、自动操舵工作原理当船舶沿给定航向航行当船舶沿给定航向航行(Navigate)(Navigate)，舵叶在艏艉线上，舵叶在艏艉线上，当受到风、流当受到风、流等外界干扰而向右或左偏转离开正航向某一个等外界干扰而向右或左偏转离开正航向某一个角度时，要使船舶保持给定航向，就必须经常操舵。自动操角度时，要使船舶保持给定航向，就必须经常操舵。自动操舵是用电罗经与自控装置代替人发出转舵信号，只要一次给舵是用电罗经与自控装置代替人发出转舵信号，只要一次给定航向，

17、再不需要人工经常转动舵轮就能使船舶自动保持在定航向，再不需要人工经常转动舵轮就能使船舶自动保持在给定航向上航行。给定航向上航行。自动舵使船舶航行的自动舵使船舶航行的S S型航迹幅度减小，从而提高实际型航迹幅度减小，从而提高实际航速，缩短了航行时间，加快航速，缩短了航行时间，加快船舶的运转周期。船舶的运转周期。电力拖动电力拖动反馈机构：航向反馈机构：航向反馈反馈和舵角反馈机构。和舵角反馈机构。电罗经是检测元件，也是比较环节。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。比较元件：由两个导电半圆环和滚轮所构成的部件。变换器：把角差信号变换为发电机的励磁电流。变换器：

18、把角差信号变换为发电机的励磁电流。放大环节：直流发电机放大环节：直流发电机执行机构：他励直流电动机执行机构：他励直流电动机M。图图11-2-7自动操舵系统框图自动操舵系统框图电罗经电罗经控制器控制器变换元件变换元件舵舵给定航向给定航向执行元件执行元件船船干扰干扰航向反馈航向反馈舵角反馈舵角反馈电力拖动电力拖动10.3 自动舵的基本类型及其调节规律自动舵的基本类型及其调节规律 K1过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低航速。过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低航速。一、自动舵的基本类型及其调节规律一、自动舵的基本类型及其调节规律基本闭环调节规律可分为三种基本闭环调节规律可分为三种1比例舵比

19、例舵以船舶偏航角以船舶偏航角的大小按比例给偏舵角的大小按比例给偏舵角，即，即= K1K1为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏K1过小，不能产生足够的转船力矩，回转性能不好。过小，不能产生足够的转船力矩，回转性能不好。电力拖动电力拖动 加入微分环节后使得系统具有加入微分环节后使得系统具有“超前超前”的校的校正控制作用。提高系统的灵敏度。正控制作用。提高系统的灵敏度。2比例比例微分舵微分舵 以船舶偏航角以船舶偏航角和偏航角速度和偏航角速度d/ d t按比例给按比例给出偏舵角出偏舵角，即，即= （K1+K2d/d t ）K2是微分系数。是微分系数。即偏航时提前

20、施以最大舵角，阻止船舶进一步偏航；回航时即偏航时提前施以最大舵角，阻止船舶进一步偏航；回航时提前施以反舵角，以防止船舶因惯性向反方向偏航。提前施以反舵角，以防止船舶因惯性向反方向偏航。电力拖动电力拖动 积分环节的积分环节的作用作用在于消除船舶由于船型不对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偏航角在不灵敏区所引起的横向移动距离横向移动距离。（不。（不灵敏区是在灵敏区是在较小时，自动舵是不调节的）较小时，自动舵是不调节的）3比例比例微分微分积分舵积分舵 其调节规律是以船舶偏航角其调节规律是以船舶偏航角、

21、偏航角速度、偏航角速度d/ d t和偏航角的积分和偏航角的积分d t按比例给出偏舵角按比例给出偏舵角，即，即= （K1+K2d/d t + K3d t）K3是积分系数。是积分系数。电力拖动电力拖动天气调节（灵敏度调节）天气调节（灵敏度调节）：能使自动舵开始动作的：能使自动舵开始动作的偏航角称为灵敏度，天气条件不同灵敏度要求不同。偏航角称为灵敏度，天气条件不同灵敏度要求不同。航向调节即小航角改变设定航向的调节航向调节即小航角改变设定航向的调节，目前的系，目前的系统已经可以做到随意改变航向。统已经可以做到随意改变航向。比例调节比例调节：根据船舶大小、船型、装载情况及航：根据船舶大小、船型、装载情况及航速来选择舵角比例系数。速来选择舵角比例系数。二、自动舵的基本要求二、自动舵的基本要求电力拖动电力拖动稳舵角调节（又称反舵角调节）稳舵角调节（又称反舵角调节）：船舶在舵的作用船舶在舵的作用下返回给定航向