船舶电气设备与系统第十章课件

1、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。第1页，共43页。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 船舶艏侧推装置第2页，共43页。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

2、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：返回第3页，共43页。 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； 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； 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。第4页，

3、共43页。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。第5页，共43页。3辅助操舵装置： 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； 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。第6页，共43页。4主、辅操舵装置动力设备： 当动力源发生故障失效后又恢复输送时能自动再起 动； 能从驾驶室控制使其投入工作； 任一台操舵

4、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； 驾驶室与舵机室之间，应设有通信设施； 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； 舵装置应有保持舵位不动的制动装置。 第7页，共43页。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

5、即使能推动工作，但其灵敏度太低，故必须加放大环节。返回第8页，共43页。返回图10-1 DSI型应急操舵装置简图第9页，共43页。图10-2单动操舵方框图返回第10页，共43页。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。返回第11页，共43页。回舵K舵轮人力放大器执行机构传动机构舵叶舵角反馈分罗经(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第12页，共43页。返回第

6、13页，共43页。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。返回第14页，共43页。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。 第15页，共43页。1比例舵 比例舵调节中偏舵角B与偏航角 成比例关系变化，即 B = - K1式中，K1

7、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。第16页，共43页。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：第17页，共43页。3比例一微分一

8、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。第18页，共43页。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。第19页，共43页。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

9、的作用又重返正 航向的。第20页，共43页。返回图10-5 G-M系统自动操舵的原理图第21页，共43页。第一阶段（）：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、偏舵角都为零。 第二阶段（）：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

10、偏航（增加），导电环继续作追随滚轮的运动。第22页，共43页。第三阶段（）：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（）：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（减小），导电环向右作追随滚轮的运动。 第五阶段（）：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。 第23页，共43页。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

11、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。第24页，共43页。返回图10-6 自动舵校正航向的工作过程第25页，共43页。2电动液压式自动舵 国产“HD5L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

12、统基本上是一致的。第26页，共43页。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）天气调节装置第27页，共43页。返回图10-7 HD-5LBD 型自动舵系统方框图第28页，共43页。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。第29

13、页，共43页。返回第30页，共43页。3PR-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10-9 PR-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 第31页，共43页。返回第32页，共43页。（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

14、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。 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）。 在上述的基础上增加这个值。 在上述的基础上减小这个值。 第33页，共43页。（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。 设定值：4 设定值：3 设定值：2 如果变化不大，应设定为4。第34页，共43页。（3）天气调节器调节方法：

15、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。 自动天气调节器 转动天气调节器旋钮到自动位置. 第35页，共43页。（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是为了设 定一个偏航角的极限报警，当由于故障使自动罗盘 或自动舵的读数大于设定航向的方位角度时（角度 可以任意的设定为 ），偏航警报报警。一般 情况下，偏航角度设定为 。（5）舵角限位调节器 舵角限位调节器设定的目的是为了设定一个在自动 舵操作时舵角移动位置的极限， 对于航向

16、的保持 和正常的改变航向是完全可以满足需要的，但如果 有大角度的航向改变就必须设定为 。第36页，共43页。第五节 船舶艏侧推装置船舶艏侧推（有些特种船还安装艉恻推器）是一种横向推进装置，被安装在船艏的侧面，利用推进装置推动水产生的作用力使船舶获得一个侧向力的作用，这样有助于船舶离开或横靠码头，也有助于改善船舶在低速或高速在狭水道行使时的机动性。目前，新造船舶大多安艏侧推器。 艏侧推装置由驱动部分（包括驱动电动机）、通用接头、推进器和推进器螺距控制装置组成。 艏侧推装置的主电动机软起动电路的系统原理简 图见图10-10所示。返回第37页，共43页。返回第38页，共43页。 船舶靠离码头时，G-

17、M系统单独向艏侧推装置的主电 动机供电，两块AVR板（RT01Y与RT02）共同投入 工作来控制发电机的输出电压及输出电流。其起动过 程如下： 1.G-M机组与船舶电力系统工作母线脱离，起动原动 机，发电机自励起压，输出端电压380V。在满足侧 推翼角在零位、液压系统油压已建立、主开关与船舶 电站工作母线分离等相关起动条件后，才允许进行侧 推系统的起动。第39页，共43页。2.当按下艏侧推起动按钮后，消磁接触器的触点E01闭合 （此时Q02常闭触点是接通的），使发电机的励磁电流 被短路掉，这时发电机的端电压降为剩磁所能产生的电 压。延时5秒钟后，开关Q02闭合，将发电机与电动机 相连接，同时E

18、05闭合将两块AVR板的输出管T1并联 在一起，另外E06打开使得电流互感器TIO5的二次侧 电流经TP01的变换后在R04上产生的电压降加到了 RT02的8、9号端子上；同时Q02的常闭辅助触点打 开，解除了发电机励磁线圈短路闭锁，发电机开始进入 起压过程。第40页，共43页。3.发电机在剩磁电压的作用下，开始自励发电，电动机进 入起动过程。随着发电机端电压的逐渐升高，电动机开 始转动，并且电流在不断增大，但由于在起动过程中发 电机端电压始终低于380V，所以RTO1板上的T1管是 处于截止状态。在起动电流小于1600A时，RT02板上 的输出管也是处于截止状态。第41页，共43页。 当电流增加到1600A时，RT02通过端子8、9采集到 的电流信号经运算后开始利用电流反馈信