船舶电气设备及系统船舶舵机的电力拖动与控制概要.pptx

船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室内容简介内容简介本章主要讨论船舶舵机电力本章主要讨论船舶舵机电力拖动与控制的基本类型和控拖动与控制的基本类型和控制原理。制原理。第第1页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室按按规定规定要求，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分钟以上，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。够大的过载能力。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电线对舵机电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配电盘相连。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舵机电力拖动与控制的基本要求第第2页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室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。急操纵系统三种操纵装置。3.控制系统要可靠控制系统要可靠舵机电力拖动装置至少有两个控制站，驾驶台和舵机舱舵机电力拖动装置至少有两个控制站，驾驶台和舵机舱各一，控制站之间要有转换开关，以防同时操作。各一，控制站之间要有转换开关，以防同时操作。根据根据规范规范规定，当采用自动操舵装置时，应设有航规定，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。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舵叶偏转限位保护和失压报警装置 第第3页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室液压舵机传动机构电动电动液压舵机装置液压舵机装置电动电动机械舵机装置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操舵方式及基本工作原理 无论是电动还是液压无论是电动还是液压舵机，其操舵方式一舵机，其操舵方式一般分为单动操舵，随般分为单动操舵，随动操舵和自动操舵三动操舵和自动操舵三种。种。第第4页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室单单动动操操舵舵也也就就是是通通过过转转换换开开关关进进行行的的应急操舵。应急操舵。G G为为差差复复励励发发电电机机,M,M为为执执行行电电动动机机,J,J是是发发电电机机G G的的励励磁磁机机,K,K1 1和和K K2 2为为操操舵舵手手柄柄或或按按钮钮控控制制的的触触点点,ZD,ZD1 1和和ZDZD2 2为舵机限位开关。为舵机限位开关。单动操舵工作原理单动操舵工作原理单动舵原理图单动舵原理图 第第5页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室G-M(F-D)系统的工作原理系统的工作原理第第6页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室单动操舵方框图单动操舵方框图 单动操舵的操作方法可以归纳为：手板舵动，复零舵停；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。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。操舵方式。第第7页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室随动操舵的工作原理随动操舵的工作原理 随动操舵是按偏差原则随动操舵是按偏差原则进行调节的操舵自动跟进行调节的操舵自动跟踪系统，被调对象是舵，踪系统，被调对象是舵，被调节量是舵角。它具被调节量是舵角。它具有使舵叶角度与操舵手有使舵叶角度与操舵手轮位置自动同步的特点，轮位置自动同步的特点，即操舵手轮转至某一所即操舵手轮转至某一所需角度时，舵叶相应地需角度时，舵叶相应地偏转到同一角度后自行偏转到同一角度后自行停止。停止。随动操舵原理图（电桥式）随动操舵原理图（电桥式）第第8页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室船船舶舶左左偏偏航航操操右右舵舵，舵舵轮轮操操右右舵舵x 0，舵舵叶叶右右偏偏，并并自自动动停停在在右右舵舵x 0上上。为为了了减减少少形形航航迹迹的的振振幅幅，船舶在返回正航向过程中，必须回舵。船舶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：第第9页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室三三.自动操舵工作原理自动操舵工作原理第第10页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室自动舵校正航向的工作过程自动舵校正航向的工作过程偏航角偏航角偏舵角偏舵角第第11页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室：=0，=0第第12页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室：船右偏：船右偏滚轮左偏滚轮左偏J1有电有电舵左转舵左转导电环左转导电环左转很小，使很小，使，同时，同时第第13页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室：使使(=max),船停止偏转船停止偏转(d/dt=0).导电环追上滚导电环追上滚轮，使绝缘块与滚轮接触，电动机停，舵叶停转轮，使绝缘块与滚轮接触，电动机停，舵叶停转=max。第第14页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室：在左舵的作用下，船开始回转（：在左舵的作用下，船开始回转（），使滚轮右转，），使滚轮右转，与导电环接与导电环接3触，使触，使J2有电，电动机反转，回舵（有电，电动机反转，回舵（）。导）。导电环右转追随滚轮运动。电环右转追随滚轮运动。第第15页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室：船舶回到给定航向：船舶回到给定航向K，=0，=0。第第16页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室船舶的航迹曲线船舶的航迹曲线第第17页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室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。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。电罗经是检测元件，也是比较环节。比较比较(元件元件)：由两个导电半圆环和滚轮所构成的部件。：由两个导电半圆环和滚轮所构成的部件。放大器：直流发电机放大器：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。第第18页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室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种基本类型：以船舶偏航角的大小和方向进行调节的的比例舵比例舵，以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方，以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向调节的向调节的比例一微分舵比例一微分舵和以船舶偏航角、偏航角速和以船舶偏航角、偏航角速度及偏航角积分的大小和方向来调节的度及偏航角积分的大小和方向来调节的比例一微分比例一微分一积分舵一积分舵。第第19页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室1比例舵比例舵以船舶偏航角以船舶偏航角的大小按比例的大小按比例给偏舵角给偏舵角，即，即K1为比例系数，负号表示偏为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏舵的方向是消除偏K1过小，不能产生足够的转过小，不能产生足够的转船力矩，回转性能不好。船力矩，回转性能不好。K1过大，使船回转过头，稳过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低航速。定性变坏，还会降低航速。与与B随时间变化的曲线随时间变化的曲线 第第20页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室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按比例给出偏舵角按比例给出偏舵角，即即K2是微分系数。是微分系数。加加入入微微分分环环节节后后使使得得系系统统具具有有“超超前前”的的校校正正控控制制作作用用。提高系统的灵敏度。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。通常所说的纠偏舵、稳舵角或反舵角等均指微分舵作用。第第21页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室比例系数比例系数K1与微分系数与微分系数K2选择不当，也将影响航行质量。选择不当，也将影响航行质量。比例微分舵角及其合成曲线比例微分舵角及其合成曲线 当载荷增加而船速减当载荷增加而船速减慢时，相对于慢时，相对于K1把把K2的值调得过小，则比的值调得过小，则比例舵的效果就比微分例舵的效果就比微分舵的效果大，所以船舵的效果大，所以船舶以正航向为中心，舶以正航向为中心，左右摇摆，逐渐衰减，左右摇摆，逐渐衰减，最后停止在正船向上，最后停止在正船向上，如图所示。如图所示。第第22页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室比例一微分舵对偏航角的影响比例一微分舵对偏航角的影响 反过来，相对反过来，相对K1把把K2调得过大，则微分舵的调得过大，则微分舵的效果更明显，因而航向效果更明显，因而航向不发生摇摆，航迹呈现不发生摇摆，航迹呈现过阻尼现象，船舶长时过阻尼现象，船舶长时间不能恢复正航向。如间不能恢复正航向。如图所示。图所示。在不同的航行工况下，在不同的航行工况下，如何适当选择如何适当选择K1和和K2数值，需通过实践，数值，需通过实践，常常是靠经验来调整常常是靠经验来调整K1和和K2。第第23页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室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、偏航角速度、偏航角速度d/d t和偏航和偏航角的积分角的积分d t按比例给出偏舵角按比例给出偏舵角，即，即K3是积分系数。是积分系数。积积分分环环节节的的作作用用在在于于消消除除船船舶舶由由于于船船型型不不对对称称、螺螺旋旋浆浆不不对对称称或或船船舶舶单单侧侧风风、水水流流的的影影响响使使偏偏航航角角在在不不灵灵敏敏区区所所引引起起的的横横向向移移动动距距离离。（不不灵灵敏敏区区是是在在较较小小时时，自自动动舵舵是不调节的）是不调节的）第第24页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室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，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，没有偏移，无需发出校正动舵信号，如图如图(a)所示。所示。有时候在船舶给定的航向两侧均匀摇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，因此也无需使舵动向仍在正航向上，因此也无需使舵动作，如图作，如图(b)所示。所示。第第25页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室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只有当船舶在偏航死区内左右摇摆不均匀，平均航向如图均匀，平均航向如图(c)所示偏离正航所示偏离正航向一侧，且又持续了很长一段时间，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，予以校于是偏航积分环节发出信号，予以校正。正。图图(d)所示为平均航向发生偏移，积分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校正器工作后，船舶返回正航向的情况。况。第第26页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室“比例微分积分比例微分积分”调节系统是比较完善的自动舵，调节系统是比较完善的自动舵，但系统构造较复杂。但系统构造较复杂。有的自动舵以有的自动舵以“压舵压舵”环节了替环节了替代上述的积分环节，从而使控制系统得到简化，所谓代上述的积分环节，从而使控制系统得到简化，所谓“压舵压舵”，指的是船舶航行受到持续的单侧横向力的，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舶形成向某一侧的小偏航。估计这种情况可能发生，。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固定大小的舵角称之为压舵角压舵角。第第27页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室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自动操舵系统基本要求和工作原理 自动操舵系统基本要求自动操舵系统基本要求 自动操舵性能良好自动操舵性能良好具有必要的调节装置具有必要的调节装置灵敏度调节（俗称天气调节）灵敏度调节（俗称天气调节）舵角比例调节舵角比例调节反舵角调节反舵角调节压舵调节压舵调节航向调节航向调节应设有随动、单动等操舵设备应设有随动、单动等操舵设备自动舵还应设有双电源，双机组等换转装置自动舵还应设有双电源，双机组等换转装置第第28页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室自动操舵系统的工作原理自动操舵系统的工作原理 以国产以国产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)系统的组成系统的组成 HQ5型自动舵系统基本上由驾驶室主操舵台，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。微分调节，并设有压舵环节。第第29页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室第第30页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室2)信号发送电路信号发送电路 偏航信号发送器，随动信号发偏航信号发送器，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。它们单机是控制式自整角机。它们单机使用，其定子的单相激磁绕组使用，其定子的单相激磁绕组接到接到110V的单相电源上，转的单相电源上，转子的三相整步绕组只联接其中子的三相整步绕组只联接其中的两相作出输出绕组，转轴分的两相作出输出绕组，转轴分别由罗经接收机（分罗经），别由罗经接收机（分罗经），操舵手轮或舵柱通过机械传动操舵手轮或舵柱通过机械传动装置带动。自整角机处于协调装置带动。自整角机处于协调位置时，无输出。位置时，无输出。第第31页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室3)相敏整流电路相敏整流电路 由偏航信号发送器，由偏航信号发送器，随动信号发送器和随动信号发送器和舵角反馈信号发送舵角反馈信号发送器输出的交流信号器输出的交流信号电压分别送到相敏电压分别送到相敏整流电路中进行整整流电路中进行整流检相。流检相。第第32页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室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、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、压舵电路信号比较电路、差分放大电路、灵敏度调节电路、压舵电路 第第33页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室5)比例调节电路比例调节电路 比例舵调节是通过比例舵调节是通过改变舵角反馈电压改变舵角反馈电压的大小来实现的。的大小来实现的。自动操舵时，比较自动操舵时，比较电路中接入了电阻电路中接入了电阻R44，它和电阻，它和电阻R37、R38、R39构成串构成串联分压电路。联分压电路。第第34页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室6)微分调节电路微分调节电路 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号电路中接入RC积分电路来实现主通道的微分调节的。积分电路来实现主通道的微分调节的。第第35页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室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脉冲形成与晶闸管触发电路 第第36页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室8)晶闸管主电路与应急操舵电路晶闸管主电路与应急操舵电路 第第37页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室9)偏航报警与操舵系统失压报警电路偏航报警与操舵系统失压报警电路 第第38页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室第第39页页/共共40页页船舶电气设备及系统 2023/2/18课 件轮机学院电气及自动化教研室轮机学院电气及自动化教研室感谢您的观看。感谢您的观看。第第40页页/共共40页页