第十章船舶舵机的电力拖动与控制

船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系第十章船舶舵机的电力拖动与控制本章概述舵机设备主要由下列几个部分组成：1．主操舵装置2．辅助操舵装置3．舵机装置动力设备4．动力转舵系统：5．转舵机构6．操舵装置控制系统目前，远洋船舶上装备的都是远距离控制自动操舵仪，简称自动舵，几乎全部是电动液压舵机。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系第十章船舶舵机的电力拖动与控制本章主要讲解内容第一节舵机电力拖动与控制的基本要求第二节单动舵第三节随动舵第四节自动舵第五节船舶艏侧推装置船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系第一节舵机电力拖动与控制的基本要求我国《钢质海船入级与建造规范》根据《国际海上人命安全公约》（SOLAS公约）的规定，对于从事于国际航行的大于500总吨的货船或仅从事于非国际沿海航行的大于1600总吨的货船的舵机提出了明确的要求，基本技术要求如下：1．每艘船舶均应设置1套主操舵装置和1套辅助操舵装置。主操舵装置和辅助操舵装置的布置，应满足当其中一套发生故障时不致引起另一套也失效；如主操舵装置具有2台或2台以上相同的动力设备则在下列条件下可不设置辅助操舵装置：返回船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系①对于客船，当任一台动力设备不工作时，主操舵装置仍能按本规定进行操舵；②对于货船，当所有动力设备都工作时，主操舵装置能按本规定进行操舵；③主操舵装置应布置成当其管系或一台动力设备发生单项故障时此缺陷能被隔离，使操舵能力能够保持或迅速恢复。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系2．主操舵装置和舵杆：具有足够的强度并能在船舶最大航海吃水和最大营运前进航速时进行操舵，使舵自任一舷的35°，转至另一舷的35°，且于相同条件下自一舷的35°转至另一舷的300所需时间不超过28s。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系3．辅助操舵装置：①具有足够的强度和足以在可驾驶的航速下操纵船舶，并能在应急情况下迅速投入工作；②应能在船舶最大航海吃水和以最大营运前进航速的一半但不小于7kn时进行操舵，使舵自一舷15°，转至另一舷的15°，且所需时间不超过60s。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系4．主、辅操舵装置动力设备：①当动力源发生故障失效后又恢复输送时能自动再起动；②能从驾驶室控制使其投入工作；③任一台操舵装置动力设备的动力源发生故障时，应在驾驶室发出声、光警报；④驾驶室与舵机室之间，应设有通信设施；⑤操舵装置应设有有效的舵角限位器。以动力转舵的操舵装置，应装设限位开关或类似设备，使舵在到达舵角限位器前停住。装设的限位开关或类似设备，应该与转舵机构本身同步而不应与舵机的控制相同步；⑥舵装置应有保持舵位不动的制动装置。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系第二节单动舵单动舵也叫应急舵或非随动舵。它是在自动舵及随动操舵都不能用的情况下，作为应急操舵。单动舵控制线路比较简单。图10-1为DS1型应急舵装置简图。单动操舵控制可用图10-2所示的方框图来表示。在操舵控制信号较弱时，不足以直接推动执行机构工作，或即使能推动工作，但其灵敏度太低，故必须加放大环节。返回船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系返回图10-1DSI型应急操舵装置简图船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系图10-2单动操舵方框图返回船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系第三节随动舵随动舵控制系统只要操作人员给出某一操舵指令，系统就能自动地按指令把舵叶转到所要求的舵角上，并且自动使舵叶停转。图10-3为随动舵系统方框图。它是按偏差原则进行调节的。图10-4为DD2型电子式随动操舵仪系统简图。返回船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系回舵ΦK舵轮人力放大器执行机构传动机构舵叶舵角反馈Φ分罗经(指示航向)舵角指示器(指示偏舵角)电源U0U1-+n返回图10-3随动操舵系统方框图船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系返回船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系第四节自动舵自动舵是根据电罗经送来的船舶实际航向与给定航向信号的偏差进行控制的。在舵机投入自动工作时，如果船舶偏离了航向，不用人的干预，自动舵就能自动投入运行，转动舵叶，使船舶回到给定航向上来。返回船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系一、自动舵的基本类型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。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系1．比例舵比例舵调节中偏舵角B与偏航角Φ成比例关系变化，即B=-K1Ψ式中，K1为比例系数；负号“－”表示偏舵的方向是消除偏航。船舶因风浪等影响引起偏航时，采用比例舵操舵有纠正偏航的能力。但是它使船舶周而复始地围绕正航向左右摇摆，船舶的航迹呈“S”形振荡，衰减很慢。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系2．比例一微分舵按比例操舵的偏舵角仅考虑了偏航角的大小，没有考虑偏航角速度。其实，偏航速度高时，应当加大偏舵角，以有效地抑制船舶继续偏航；另外，该船舶回到正航向后，虽然偏航角等于零，但由于惯性，船舶仍然有一个偏航角速度，使船舶又继续朝另一侧偏航。因此比例操舵会造成船舶沿航向作S形航行。比例一微分舵就是为解决这个问题而产生的。它的调节规律符合关系式：dtdkk21船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系3．比例一微分一积分舵为提此以提高航向调节的精度，减少、甚至消除静态误差，在比例一微分舵的基础上，设置积分调节，亦即比例一微分一积分舵。它满足下面的关系式。dtkdtdKK321船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系二、自动操舵系统基本要求1．自动操舵性能良好2．具有必要的调节装置（l）灵敏度调节（俗称天气调节）（2）舵角比例调节（3）反舵角调节（4）压舵调节（5）航向调节3．应设有随动、单动等操舵设备此外，自动舵还应设有双电源，双机组等换转装置。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系三、自动舵的工作原理1．电动—机械自动舵图10-5为电动—机械自动操舵系统的原理简图。下面分5个阶段（其实是连续的）说明船舶因外界干扰而偏转离正航向K后是如何通过自动舵的作用又重返正航向的。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系返回图10-5G-M系统自动操舵的原理图船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系第一阶段（Ⅰ）：船舶沿正航向K航行，滚轮1恰好与绝缘块4接触，电动机不转动，舵叶在艏艉线上，艏艉线与正航向重合，偏航角φ、偏舵角β都为零。第二阶段（Ⅱ）：假设由于受到风、流等外界影响，船舶向右偏航，首先航向发送器使自动操舵仪上的航向接受器（即罗经复示器）同步转动某一角度，并带动滚轮1向左偏转，与左边导电半圆环2接触，电动机转动，舵叶向左弦偏转，通过舵角反馈同步传递结构，使两个导电环以相同的方向向左作追随滚轮的运动。这一阶段由于外界干扰的持续存在，开始偏舵时偏舵角很小，舵效不明显，所以船舶继续向右偏航（φ增加），导电环继续作追随滚轮的运动。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系第三阶段（Ⅲ）：由于较强的舵效，使船舶偏航到某一最大偏航角而停止偏航，导电环追上滚轮，绝缘块与滚轮接触，电动机停转，偏舵角也达到最大值。第四阶段（Ⅳ）：船舶在左舵作用下，向正航向K回转，偏航角从逐渐减小，又通过航向发送器作用，使滚轮开始与右边导电环3接触，电动机向右转，舵叶朝着艏艉方向偏转（β减小），导电环向右作追随滚轮的运动。第五阶段（Ⅴ）：船舶回到正航向K上，导电环正好追上滚轮，使滚轮处于绝缘块上，电动机停转，舵叶位于艏艉线上。maxmaxmax船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系上述连续的5个阶段船舶偏离正航向又重返正航向的航迹如图10-6所示。可见采用这一系统进行操舵，能够使船舶在偏航后有自动恢复正航向的能力。这就是电动—机械自动操舵系统的基本原理。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系返回图10-6自动舵校正航向的工作过程船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系2．电动—液压式自动舵国产“HD—5L型自动舵应用半导体无触点控制的比例-微分-积分控制系统。驾驶室具有自动、随动及应急操作三种操舵方式。两套参数相同的放大器互为备用，通过转换开关选择其中一套为自动、随动操舵时使用。应急操舵为随动控制方式，单独使用一套放大器。该型自动舵有A、B、C、D四种型式。A型为电液伺服阀变量泵系统；B型为电磁换向阀、伺服油缸、变量泵系统；C型为伺服马达变量系统；D型为地磁功率阀定量泵系统，它们的电气系统基本上是一致的。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系HD-5LBD型自动舵系统的组成见图10-7。主要包括：（1）信号的检测与发送，包括航向受讯器、偏航信号发送器、舵角反馈信号发送器、随动信号发送器（2）相敏整流电路（3）运算放大器和比例微分、积分调节装置（4）积分装置（5）左、右舵控制继电器（6）执行装置（7）天气调节装置船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系返回图10-7HD-5LBD型自动舵系统方框图船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系HD-5LBD型自动舵原理见图10-8。将操纵部位选择开关K9放在“操纵台位置”，机组选择开关K8置于选定的工作机组位置，再将操纵方式选择开关K1放在“自动”位置，系统便进入自动工作状态。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系返回船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系3．PR-4系列自动舵1）PR-4系列自动舵简介2）PR-4系列自动舵的工作原理见图10-9PR-4系列自动舵原理框图。3）PR-4系列自动舵的操作（1）速率调节器调节方法（2）舵角调节器调节方法（3）天气调节器调节方法（4）舵机偏差警报调节器（5）舵角限位调节器船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系返回船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系（1）速率调节器调节方法：安装时的设定值是由厂方的随船工程师根据船舶的装载情况（满载、半载或空载）而设定的。速率调节：设定值为4天气调节：设定值为0以此为参考，根据下述的程序可以获得一个最好的设定：在下述每一种情况下船舶直线航行30分钟，比较航线记录仪的记录并选择最好的设定作为新的设定值。①根据当时的货载情况设定调节值（该调节值是由厂方的随船工程师推荐的）。②在上述的基础上增加这个值。③在上述的基础上减小这个值。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系（2）舵角调节器调节方法：在大多数情况下，舵角调节器可以设定在4的位置，如果反映良好则不需要再作进一步的调整，即：舵角调节器：设定值为4天气调节器：设定值为0在下述每一种情况下船舶直线航行30分钟，比较航线记录仪的记录可以选择最好的设定作为新的设定值。①设定值：4②设定值：3③设定值：2如果变化不大，应设定为4。船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系（3）天气调节器调节方法：①手动天气调节器在良好天气条件下，设定为0位置，高设定的目的是希望获得最少的不必要的动舵；低设定的目的是希望保持航向的精确。对特殊的海况最好的设定是：指针的设定值是等于自然偏航角的数值。②自动天气调节器转动天气调节器旋钮到自动位置.船舶电气设备与系统课件2019/8/4轮机工程学院船电系（4）舵机偏差警报调节器舵机偏差警报调节器控制旋钮设定的目的