第10章船舶舵机的电力拖动与控制

船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系第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§10.5船舶艏侧推装置船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系按《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2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系液压舵机传动机构电动—液压舵机装置电动—机械舵机装置舵柱舵柄撞杆油缸§10.2操舵方式及基本工作原理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2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系船舶左偏航操右舵，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2019/8/4课件轮机工程学院船电系三.自动操舵工作原理Ⅰ：φ=0，β=0自动舵校正航向的工作过程φ—偏航角β—偏舵角罗经舵机Ⅱ：船右偏→滚轮左偏→J1有电→舵左转→导电环左转β很小(转船力矩小)，偏航φ↑，同时舵角β↑偏航转舵Ⅲ：β↑使(φ=φmax),船停止偏转(dφ/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β=βmax。Ⅳ：在左舵的作用下，船开始回转（φ↓），使滚轮右转，与导电环接3触，使J2有电，电动机反转，回舵（β↓）。导电环右转追随滚轮运动。Ⅴ：船舶回到给定航向K，φ=0，β=0。船舶的航迹曲线船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系反馈机构：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。船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系§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2019/8/4课件轮机工程学院船电系1．比例舵以船舶偏航角φ的大小按比例给偏舵角β，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1kPk船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系2．比例——微分舵以船舶偏航角φ和偏航角速度dφ/dt按比例给出偏舵角β,即K2(KD)是微分系数。dtdkk21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。PDdkkdt船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系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12dkkdt船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系比例系数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12dkkdt船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系反过来，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12dkkdt船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系3．比例—微分—积分舵其调节规律是以船舶偏航角φ、偏航角速度dφ/dt和偏航角的积分∫φdt按比例给出偏舵角β，即K3(KI)是积分系数。dtkdtdKK321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△φ较小时，自动舵是不调节的）PDIdKKkdtdt船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系“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2019/8/4课件轮机工程学院船电系§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2019/8/4课件轮机工程学院船电系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HQ－5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2019/8/4课件轮机工程学院船电系船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系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2019/8/4课件轮机工程学院船电系uref++uref__+_+_+_+_us0uRRr272829RfD2D5D3D4rrr下级输入电阻船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系uref~~~D5urefuSD2+_+_+_2927281i2irr10()0refSfuuiriRR320refSuuiRir03()0fiRRiR1032iiiiR0uR3i0iRf03()fRRiiR02()refSfuuRRiir0010()()frefSfRRiuuRRiiiRr正半周0000000000000000()()()()0()()()0()22()0()()2()22()(2)2(frefSfrefSffrefSrefSfffSffffSffRRiuuRRiuuiriRRRrRRriuuiruuRRiiRRRRRriuiriRRRRRrirRRRrRRRuiriRRiRRrRRRRi000)2(2)2()2(2)2()fSffffSffRRRiurRRRRRRRuiRurRRRRR船舶电气设备及系统2019/8/4课件轮机工程学院船电系uref~~~D2urefuSD4+_+_+_2729281i2irrR0uR3i0iRf10()0refSfuuiriRR320refSuuiRir03()0fiRRiR1032iiii03()fRRiiR02()refSfuuRRiir0010()()frefSfRRiuuRRiiiRr负半周0000000000000000()()()()0()()()0()22()0()()2()22()(2)frefSfrefSffrefSrefSfffSffffSffRRiuuRRiuuiriRRRrRRriuuiruuRRiiRRRRRriuiriRRRRRrirRRRrRRRuiriRRiRRrRRi0002()2(2)2()2(2)2()fSffffSffRRRRRiurRRRRRRRuiRurRRRRRurefuS0