船舶電氣設(shè)備及系統(tǒng)-大連海事大學(xué)+第10章+船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制.ppt

第10章船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制 10 1舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求 10 2操舵方式及基本工作原理 10 3自動(dòng)舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律 10 4自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理 內(nèi)容簡(jiǎn)介 本章主要討論船舶舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本類型和控制原理 舵是船舶的一種十分重要和不可缺少的專用舾裝設(shè)備 如果船沒有舵 或舵失靈 在大海里任憑風(fēng)浪擺布 無主動(dòng)航向的船不僅不能保證航行的安全 而且是不能到達(dá)目的港的 舵是駕駛?cè)藛T用來保持或改變船舶在水中運(yùn)動(dòng)方向的專用設(shè)備 舵有兩大功能 一是保持船舶預(yù)定航向的能力 稱為航向穩(wěn)定性 二是改變船舶運(yùn)動(dòng)方向的能力 稱回轉(zhuǎn)性 通常把二者統(tǒng)稱為船舶的操縱性 F F1轉(zhuǎn)船力矩 T 橫向推力 R 阻力 在船舶重心上加一對(duì)大小等于F 方向相反的力F1 F2 FL 升力FD 阻力 F 水作用力 機(jī)翼理論 轉(zhuǎn)舵效應(yīng) 1 轉(zhuǎn)向 Ms 2 制動(dòng) R 3 漂移 T 4 縱傾 橫傾 水流動(dòng)壓力P對(duì)船舶的影響 最大舵角 隨著舵角的增大 轉(zhuǎn)舵力矩和轉(zhuǎn)船力矩逐漸增大 但轉(zhuǎn)船力矩在某一舵角時(shí)達(dá)到最大值Msmax 對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)船力矩Msmax的舵角稱為最大舵角 max Ms max Msmax 拖動(dòng)舵的設(shè)備稱為舵機(jī) 按 規(guī)定 要求 電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)間應(yīng)能持續(xù)1分鐘以上 仍不致將電動(dòng)機(jī)燒毀 要求電動(dòng)機(jī)具有軟的機(jī)械特性和足夠大的過載能力 1 供電要可靠 從主配電盤到舵機(jī)應(yīng)當(dāng)用兩路 左右舷 分離較遠(yuǎn)的饋電線對(duì)舵機(jī)電動(dòng)機(jī)供電 其中之一還應(yīng)該與應(yīng)急配電盤相連 2 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行要可靠 10 1舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求 舵機(jī)操縱系統(tǒng)應(yīng)裝有自動(dòng)操縱系統(tǒng) 隨動(dòng)操縱系統(tǒng)和應(yīng)急操縱系統(tǒng)三種操縱裝置 3 控制系統(tǒng)要可靠 舵機(jī)電力拖動(dòng)裝置至少有兩個(gè)控制站 駕駛臺(tái)和舵機(jī)艙 房 各一 控制站之間要有轉(zhuǎn)換開關(guān) 以防同時(shí)操作 根據(jù) 規(guī)范 規(guī)定 當(dāng)采用自動(dòng)操舵裝置時(shí) 應(yīng)設(shè)有航向超過允許偏差的偏航自動(dòng)報(bào)警裝置 4 舵葉偏轉(zhuǎn)限位保護(hù)和失壓報(bào)警裝置 電動(dòng) 機(jī)械舵機(jī)裝置 1 電動(dòng)機(jī) 2 蝸桿 3 蝸輪 4 齒輪 5 舵扇 6 緩沖彈簧 7 舵柄 8 舵桿頭 電動(dòng)舵機(jī)多用于內(nèi)燃機(jī)船 由于電動(dòng)舵機(jī)需要具備較大的起動(dòng)力矩和過載能力 因此一般多采用直流電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī) 10 2操舵方式及基本工作原理 緩沖彈簧既可帶動(dòng)舵偏轉(zhuǎn) 又可吸收浪流對(duì)舵的沖擊力 起緩沖作用以保護(hù)舵設(shè)備 電動(dòng)舵機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 占據(jù)空間小 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 但在大型交流電源船上 需配大功率的變流機(jī)組 故逐漸被電動(dòng)液壓舵機(jī)所代替 電動(dòng) 液壓舵機(jī)裝置 1 控制系統(tǒng) 操縱系統(tǒng) 駕駛室遙控系統(tǒng) 舵機(jī)室機(jī)旁控制系統(tǒng) 駕駛室操舵儀 舵機(jī)室接收器 2 動(dòng)力裝置 液壓泵 液壓元件等 3 轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) 油缸 撞桿 舵柄等 無論是電動(dòng)還是液壓舵機(jī) 其操舵方式一般分為單動(dòng)操舵 隨動(dòng)操舵和自動(dòng)操舵三種 單動(dòng)操舵也就是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行的應(yīng)急操舵 G為差復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī) M為執(zhí)行電動(dòng)機(jī) J是發(fā)電機(jī)G的勵(lì)磁機(jī) K1和K2為操舵手柄或按鈕控制的觸點(diǎn) ZD1和ZD2為舵機(jī)限位開關(guān) 10 2 1單動(dòng)操舵工作原理 單動(dòng)舵原理圖 G M F D 系統(tǒng)的工作原理 勵(lì)磁機(jī) 電動(dòng)機(jī) 差復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī) 執(zhí)行電動(dòng)機(jī) 單動(dòng)操舵方框圖 單動(dòng)操舵的操作方法可以歸納為 手板舵動(dòng) 復(fù)零舵停 左舵左扳 回舵右扳 右舵右扳 回舵左扳 這種操舵方式僅適用于內(nèi)河小型船舶和作為海船的應(yīng)急操舵方式 10 2 1隨動(dòng)操舵的工作原理 隨動(dòng)操舵是按偏差原則進(jìn)行調(diào)節(jié)的操舵自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 被調(diào)對(duì)象是舵 被調(diào)節(jié)量是舵角 它具有使舵葉角度與操舵手輪位置自動(dòng)同步的特點(diǎn) 即操舵手輪轉(zhuǎn)至某一所需角度時(shí) 舵葉相應(yīng)地偏轉(zhuǎn)到同一角度后自行停止 隨動(dòng)操舵原理圖 電橋式 船舶左偏航操右舵 舵輪操右舵x0 舵葉右偏 并自動(dòng)停在右舵x0上 為了減少形航跡的振幅 船舶在返回正航向過程中 必須回舵 隨動(dòng)操舵的方法 三 自動(dòng)操舵工作原理 0 0 自動(dòng)舵校正航向的工作過程 偏航角 偏舵角 羅經(jīng) 舵機(jī) 船右偏 滾輪左偏 J1有電 舵左轉(zhuǎn) 導(dǎo)電環(huán)左轉(zhuǎn) 很小 轉(zhuǎn)船力矩小 偏航 同時(shí)舵角 偏航 轉(zhuǎn)舵 使 max 船停止偏轉(zhuǎn) d dt 0 導(dǎo)電環(huán)追上滾輪 使絕緣塊與滾輪接觸 電動(dòng)機(jī)停 舵葉停轉(zhuǎn) max 最大舵角 在左舵的作用下 船開始回轉(zhuǎn) 使?jié)L輪右轉(zhuǎn) 與導(dǎo)電環(huán)接3觸 使J2有電 電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn) 回舵 導(dǎo)電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨滾輪運(yùn)動(dòng) 回轉(zhuǎn) 船舶回到給定航向K 0 0 回航 船舶的航跡曲線 反饋機(jī)構(gòu) 航向接受器和舵角反饋機(jī)構(gòu) 電羅經(jīng)是檢測(cè)元件 也是比較環(huán)節(jié) 比較 元件 由兩個(gè)導(dǎo)電半圓環(huán)和滾輪所構(gòu)成的部件 放大器 直流發(fā)電機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)M 10 3自動(dòng)舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律 船舶應(yīng)用的自動(dòng)舵類型眾多 究其調(diào)節(jié)規(guī)律 有三種基本類型 以船舶偏航角的大小和方向進(jìn)行調(diào)節(jié)的比例舵 以船舶偏航角和偏航角速度的大小和方向調(diào)節(jié)的比例一微分舵和以船舶偏航角 偏航角速度及偏航角積分的大小和方向來調(diào)節(jié)的比例一微分一積分舵 1 比例舵 以船舶偏航角 的大小按比例給偏舵角 即 K1 KP 為比例系數(shù) 負(fù)號(hào)表示偏舵的方向是消除偏航 K1過小 不能產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)船力矩 回轉(zhuǎn)性能不好 K1過大 使船回轉(zhuǎn)過頭 穩(wěn)定性變壞 還會(huì)降低航速 與B隨時(shí)間變化的曲線 2 比例 微分舵 以船舶偏航角 和偏航角速度d dt按比例給出偏舵角 即 K2 KD 是微分系數(shù) 加入微分環(huán)節(jié)后使得系統(tǒng)具有 超前 的校正控制作用 提高系統(tǒng)的靈敏度 通常所說的糾偏舵 穩(wěn)舵角或反舵角等均指微分舵作用 比例微分舵角及其合成曲線 比例作用 微分作用 共同作用 偏航角 偏航角微分 比例系數(shù)K1與微分系數(shù)K2選擇不當(dāng) 也將影響航行質(zhì)量 當(dāng)載荷增加而船速減慢時(shí) 相對(duì)于K1把K2的值調(diào)得過小 大比例小微分 則比例舵的效果就比微分舵的效果大 所以船舶以正航向?yàn)橹行?左右搖擺 逐漸衰減 最后停止在正船向上 如圖所示 偏航 比例一微分舵對(duì)偏航角的影響 反過來 相對(duì)K1把K2調(diào)得過大 小比例大微分 則微分舵的效果更明顯 因而航向不發(fā)生搖擺 航跡呈現(xiàn)過阻尼現(xiàn)象 船舶長(zhǎng)時(shí)間不能恢復(fù)正航向 如圖所示 在不同的航行工況下 如何適當(dāng)選擇K1和K2數(shù)值 需通過實(shí)踐 常常是靠經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整K1和K2 比例一微分舵對(duì)偏航角的影響 3 比例 微分 積分舵 其調(diào)節(jié)規(guī)律是以船舶偏航角 偏航角速度d dt和偏航角的積分 dt按比例給出偏舵角 即 K3 KI 是積分系數(shù) 積分環(huán)節(jié)的作用在于消除船舶由于船型不對(duì)稱 螺旋漿不對(duì)稱或船舶單側(cè)風(fēng) 水流的影響使偏航角在不靈敏區(qū)所引起的橫向移動(dòng)距離 不靈敏區(qū)是在 較小時(shí) 自動(dòng)舵是不調(diào)節(jié)的 如果由于某種原因引起船舶的瞬時(shí)偏航 后來立即消失 因?yàn)樽饔脮r(shí)間短 不影響整個(gè)航向 所以對(duì)其平均航向沒有偏移 無需發(fā)出校正動(dòng)舵信號(hào) 如圖 a 所示 有時(shí)候在船舶給定的航向兩側(cè)均勻搖擺 經(jīng)過比較長(zhǎng)的時(shí)間后 其平均航向仍在正航向上 因此也無需使舵動(dòng)作 如圖 b 所示 只有當(dāng)船舶在偏航死區(qū)內(nèi)左右搖擺不均勻 平均航向如圖 c 所示偏離正航向一側(cè) 且又持續(xù)了很長(zhǎng)一段時(shí)間 于是偏航積分環(huán)節(jié)發(fā)出信號(hào) 予以校正 圖 d 所示為平均航向發(fā)生偏移 積分校正器工作后 船舶返回正航向的情況 自動(dòng)舵雖能糾偏使船舶返回正航向 但對(duì)船舶的橫向漂移卻無能為力 可利用GPS定位系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)航線控制 比例 微分 積分 調(diào)節(jié)系統(tǒng)是比較完善的自動(dòng)舵 但系統(tǒng)構(gòu)造較復(fù)雜 有的自動(dòng)舵以 壓舵 環(huán)節(jié)了替代上述的積分環(huán)節(jié) 從而使控制系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化 所謂 壓舵 指的是船舶航行受到持續(xù)的單側(cè)橫向力的干擾 如風(fēng)浪 推進(jìn)器 船舶裝載不對(duì)稱等 使船舶形成向某一側(cè)的小偏航 估計(jì)這種情況可能發(fā)生 則在自動(dòng)舵放大環(huán)節(jié)的輸入端加入某一極性的固定信號(hào) 這樣產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的固定偏舵角 對(duì)船舶形成一個(gè)固定的轉(zhuǎn)船力矩 用以平衡單側(cè)橫向干擾力 這一固定大小的舵角稱之為壓舵角 10 4自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理 10 4 1自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求 自動(dòng)操舵性能良好具有必要的調(diào)節(jié)裝置靈敏度調(diào)節(jié) 俗稱天氣調(diào)節(jié) 舵角比例調(diào)節(jié)反舵角調(diào)節(jié) 微分 壓舵調(diào)節(jié)航向調(diào)節(jié)應(yīng)設(shè)有隨動(dòng) 單動(dòng)等操舵設(shè)備自動(dòng)舵還應(yīng)設(shè)有雙電源 雙機(jī)組等換轉(zhuǎn)裝置 10 4 1自動(dòng)操舵系統(tǒng)的工作原理 以國(guó)產(chǎn)HQ 5型自動(dòng)操舵儀為例介紹自動(dòng)舵裝置的結(jié)構(gòu)功能 1 系統(tǒng)的組成 HQ 5型自動(dòng)舵系統(tǒng)基本上由駕駛室主操舵臺(tái) 舵機(jī)房簡(jiǎn)易操舵臺(tái) 伺服機(jī)構(gòu) 反饋裝置和電源箱等組成 它的單動(dòng) 應(yīng)急 操舵 隨動(dòng)操舵和自動(dòng)操舵三種操舵方式 可根據(jù)船舶航行中的具體情況加以擇用 自動(dòng)操舵采用比例一微分調(diào)節(jié) 并設(shè)有壓舵環(huán)節(jié) 2 信號(hào)發(fā)送電路 偏航信號(hào)發(fā)送器 隨動(dòng)信號(hào)發(fā)送器和舵角反饋信號(hào)發(fā)送器都是控制式自整角機(jī) 它們單機(jī)使用 其定子的單相激磁繞組接到110V的單相電源上 轉(zhuǎn)子的三相整步繞組只聯(lián)接其中的兩相作出輸出繞組 轉(zhuǎn)軸分別由羅經(jīng)接收機(jī) 分羅經(jīng) 操舵手輪或舵柱通過機(jī)械傳動(dòng)裝置帶動(dòng) 自整角機(jī)處于協(xié)調(diào)位置時(shí) 無輸出 3 相敏整流電路 由偏航信號(hào)發(fā)送器 隨動(dòng)信號(hào)發(fā)送器和舵角反饋信號(hào)發(fā)送器輸出的交流信號(hào)電壓分別送到相敏整流電路中進(jìn)行整流檢相 27 28 29 D2 D5 D3 D4 下級(jí)輸入電阻 D5 D2 29 27 28 正半周 D2 D4 27 29 28 負(fù)半周 相敏電路的輸出電壓與參考電壓無關(guān) 其輸出電壓的大小與輸入電壓成正比 輸出電壓的極性取決于輸入電壓的相位 即船舶偏離航向的方向 4 信號(hào)比較 壓舵環(huán)節(jié)和直流放大電路 信號(hào)比較電路 差分放大電路 靈敏度調(diào)節(jié)電路 壓舵電路 5 比例調(diào)節(jié)電路 比例舵調(diào)節(jié)是通過改變舵角反饋電壓的大小來實(shí)現(xiàn)的 自動(dòng)操舵時(shí) 比較電路中接入了電阻R44 它和電阻R37 R38 R39構(gòu)成串聯(lián)分壓電路 6 微分調(diào)節(jié)電路 HQ 5型自動(dòng)操舵儀中 微分調(diào)節(jié)電路是通過在舵角反饋信號(hào)電路中接入RC積分電路來實(shí)現(xiàn)主通道的微分調(diào)節(jié)的 7 脈沖形成與晶閘管觸發(fā)電路 8 晶閘管主電路與應(yīng)急操舵電路 9 偏航報(bào)警與操舵系統(tǒng)失壓報(bào)警電路 船舶艏側(cè)推 有些特種船還安裝艉側(cè)推器 是一種橫向推進(jìn)裝置 被安裝在船艏的側(cè)面 利用推進(jìn)裝置推動(dòng)水產(chǎn)生的作用力使船舶獲得一個(gè)側(cè)向力的作用 這樣有助于船舶離開或橫靠碼頭 也有助于改善船舶在低速或高速在狹水道行使時(shí)的機(jī)動(dòng)性 目前 新造船舶大多安艏側(cè)推器 艏側(cè)推裝置由驅(qū)動(dòng)