船舶電氣設(shè)備與系統(tǒng)第十章課件

1、第十章 船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制 本章概述舵機(jī)設(shè)備主要由下列幾個(gè)部分組成： 1主操舵裝置 2輔助操舵裝置 3舵機(jī)裝置動(dòng)力設(shè)備 4動(dòng)力轉(zhuǎn)舵系統(tǒng)： 5轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu) 6操舵裝置控制系統(tǒng) 目前，遠(yuǎn)洋船舶上裝備的都是遠(yuǎn)距離控制自動(dòng)操舵儀，簡(jiǎn)稱自動(dòng)舵，幾乎全部是電動(dòng)液壓舵機(jī)。第1頁(yè)，共43頁(yè)。第十章 船舶舵機(jī)的電力拖動(dòng)與控制本章主要講解內(nèi)容第一節(jié) 舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求第二節(jié) 單動(dòng)舵第三節(jié) 隨動(dòng)舵第四節(jié) 自動(dòng)舵第五節(jié) 船舶艏側(cè)推裝置第2頁(yè)，共43頁(yè)。第一節(jié) 舵機(jī)電力拖動(dòng)與控制的基本要求 我國(guó)鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范根據(jù)國(guó)際海上人 命安全公約（SOLAS公約）的規(guī)定，對(duì)于從事于 國(guó)際航行的大于500 總噸的

2、貨船或僅從事于非國(guó)際 沿海航行的大于1600總噸的貨船的舵機(jī)提出了明確 的要求，基本技術(shù)要求如下： 1每艘船舶均應(yīng)設(shè)置1 套主操舵裝置和1 套輔助操 舵裝置。主操舵裝置和輔助操舵裝置的布置，應(yīng)滿足 當(dāng)其中一套發(fā)生故障時(shí)不致引起另一套也失效；如主 操舵裝置具有2臺(tái)或2臺(tái)以上相同的動(dòng)力設(shè)備則在下 列條件下可不設(shè)置輔助操舵裝置：返回第3頁(yè)，共43頁(yè)。 對(duì)于客船，當(dāng)任一臺(tái)動(dòng)力設(shè)備不工作時(shí)，主操舵裝置 仍能按本規(guī)定進(jìn)行操舵； 對(duì)于貨船，當(dāng)所有動(dòng)力設(shè)備都工作時(shí)，主操舵裝置能 按本規(guī)定進(jìn)行操舵； 主操舵裝置應(yīng)布置成當(dāng)其管系或一臺(tái)動(dòng)力設(shè)備發(fā)生單 項(xiàng)故障時(shí)此缺陷能被隔離，使操舵能力能夠保持或迅 速恢復(fù)。第4頁(yè)，

3、共43頁(yè)。2主操舵裝置和舵桿：具有足夠的強(qiáng)度并能在船舶最大 航海吃水和最大營(yíng)運(yùn)前進(jìn)航速時(shí)進(jìn)行操舵，使舵自任 一舷的35，轉(zhuǎn)至另一舷的35，且于相同條件下自 一舷的35轉(zhuǎn)至另一舷的300所需時(shí)間不超過(guò)28s。第5頁(yè)，共43頁(yè)。3輔助操舵裝置： 具有足夠的強(qiáng)度和足以在可駕駛的航速下操縱船 舶，并能在應(yīng)急情況下迅速投入工作； 應(yīng)能在船舶最大航海吃水和以最大營(yíng)運(yùn)前進(jìn)航速 的一半但不小于7kn 時(shí)進(jìn)行操舵，使舵自一舷 15，轉(zhuǎn)至另一舷的15，且所需時(shí)間不超過(guò) 60s。第6頁(yè)，共43頁(yè)。4主、輔操舵裝置動(dòng)力設(shè)備： 當(dāng)動(dòng)力源發(fā)生故障失效后又恢復(fù)輸送時(shí)能自動(dòng)再起 動(dòng)； 能從駕駛室控制使其投入工作； 任一臺(tái)操舵

4、裝置動(dòng)力設(shè)備的動(dòng)力源發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)在 駕駛室發(fā)出聲、光警報(bào)； 駕駛室與舵機(jī)室之間，應(yīng)設(shè)有通信設(shè)施； 操舵裝置應(yīng)設(shè)有有效的舵角限位器。以動(dòng)力轉(zhuǎn)舵的操 舵裝置，應(yīng)裝設(shè)限位開關(guān)或類似設(shè)備，使舵在到達(dá)舵 角限位器前停住。裝設(shè)的限位開關(guān)或類似設(shè)備，應(yīng)該 與轉(zhuǎn)舵機(jī)構(gòu)本身同步而不應(yīng)與舵機(jī)的控制相同步； 舵裝置應(yīng)有保持舵位不動(dòng)的制動(dòng)裝置。 第7頁(yè)，共43頁(yè)。第二節(jié) 單動(dòng)舵 單動(dòng)舵也叫應(yīng)急舵或非隨動(dòng)舵。它是在自動(dòng)舵及隨動(dòng)操舵都不能用的情況下，作為應(yīng)急操舵。單動(dòng)舵控制線路比較簡(jiǎn)單。圖10-1為DS1型應(yīng)急舵裝置簡(jiǎn)圖。單動(dòng)操舵控制可用圖10-2所示的方框圖來(lái)表示。在操舵控制信號(hào)較弱時(shí)，不足以直接推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，或

5、即使能推動(dòng)工作，但其靈敏度太低，故必須加放大環(huán)節(jié)。返回第8頁(yè)，共43頁(yè)。返回圖10-1 DSI型應(yīng)急操舵裝置簡(jiǎn)圖第9頁(yè)，共43頁(yè)。圖10-2單動(dòng)操舵方框圖返回第10頁(yè)，共43頁(yè)。第三節(jié) 隨動(dòng)舵 隨動(dòng)舵控制系統(tǒng)只要操作人員給出某一操舵指令，系統(tǒng)就能自動(dòng)地按指令把舵葉轉(zhuǎn)到所要求的舵角上，并且自動(dòng)使舵葉停轉(zhuǎn)。 圖10-3為隨動(dòng)舵系統(tǒng)方框圖。它是按偏差原則進(jìn)行調(diào)節(jié)的。圖10-4為DD2型電子式隨動(dòng)操舵儀系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。返回第11頁(yè)，共43頁(yè)?；囟鍷舵輪人力放大器執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)舵葉舵角反饋分羅經(jīng)(指示航向)舵角指示器(指示偏舵角)電源U0U1-+n返回圖10-3 隨動(dòng)操舵系統(tǒng)方框圖第12頁(yè)，共43頁(yè)。返回第

6、13頁(yè)，共43頁(yè)。第四節(jié) 自動(dòng)舵 自動(dòng)舵是根據(jù)電羅經(jīng)送來(lái)的船舶實(shí)際航向與給定航向信號(hào)的偏差進(jìn)行控制的。在舵機(jī)投入自動(dòng)工作時(shí)，如果船舶偏離了航向，不用人的干預(yù)，自動(dòng)舵就能自動(dòng)投入運(yùn)行，轉(zhuǎn)動(dòng)舵葉，使船舶回到給定航向上來(lái)。返回第14頁(yè)，共43頁(yè)。一、自動(dòng)舵的基本類型 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(lái)調(diào)節(jié)的比例一微分一積分舵。 第15頁(yè)，共43頁(yè)。1比例舵 比例舵調(diào)節(jié)中偏舵角B與偏航角 成比例關(guān)系變化，即 B = - K1式中，K1

7、為比例系數(shù)；負(fù)號(hào)“”表示偏舵的方向是消除偏航。船舶因風(fēng)浪等影響引起偏航時(shí)，采用比例舵操舵有糾正偏航的能力。但是它使船舶周而復(fù)始地圍繞正航向左右搖擺，船舶的航跡呈“S”形振蕩，衰減很慢。第16頁(yè)，共43頁(yè)。2比例一微分舵 按比例操舵的偏舵角僅考慮了偏航角的大小，沒有考慮 偏航角速度。其實(shí)，偏航速度高時(shí)，應(yīng)當(dāng)加大偏舵角， 以有效地抑制船舶繼續(xù)偏航；另外，該船舶回到正航向 后，雖然偏航角等于零，但由于慣性，船舶仍然有一個(gè) 偏航角速度，使船舶又繼續(xù)朝另一側(cè)偏航。因此比例操 舵會(huì)造成船舶沿航向作S形航行。比例一微分舵就是為 解決這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的。它的調(diào)節(jié)規(guī)律符合關(guān)系式：第17頁(yè)，共43頁(yè)。3比例一微分一

8、積分舵為提此以提高航向調(diào)節(jié)的精度，減少、甚至消除靜態(tài)誤差，在比例一微分舵的基礎(chǔ)上，設(shè)置積分調(diào)節(jié)，亦即比例一微分一積分舵。它滿足下面的關(guān)系式。第18頁(yè)，共43頁(yè)。二、自動(dòng)操舵系統(tǒng)基本要求 1自動(dòng)操舵性能良好 2具有必要的調(diào)節(jié)裝置 （l） 靈敏度調(diào)節(jié)（俗稱天氣調(diào)節(jié)） （2）舵角比例調(diào)節(jié) （3）反舵角調(diào)節(jié) （4）壓舵調(diào)節(jié) （5）航向調(diào)節(jié) 3應(yīng)設(shè)有隨動(dòng)、單動(dòng)等操舵設(shè)備 此外，自動(dòng)舵還應(yīng)設(shè)有雙電源，雙機(jī)組等換轉(zhuǎn)裝置。第19頁(yè)，共43頁(yè)。三、自動(dòng)舵的工作原理 1電動(dòng)機(jī)械自動(dòng)舵 圖10-5為電動(dòng)機(jī)械自動(dòng)操舵系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)圖。 下面分5個(gè)階段（其實(shí)是連續(xù)的）說(shuō)明船舶因外界干擾 而偏轉(zhuǎn)離正航向K后是如何通過(guò)自動(dòng)舵

9、的作用又重返正 航向的。第20頁(yè)，共43頁(yè)。返回圖10-5 G-M系統(tǒng)自動(dòng)操舵的原理圖第21頁(yè)，共43頁(yè)。第一階段（）：船舶沿正航向K航行，滾輪1恰好與絕緣塊4接觸，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，舵葉在艏艉線上，艏艉線與正航向重合，偏航角、偏舵角都為零。 第二階段（）：假設(shè)由于受到風(fēng)、流等外界影響，船舶向右偏航，首先航向發(fā)送器使自動(dòng)操舵儀上的航向接受器（即羅經(jīng)復(fù)示器）同步轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度，并帶動(dòng)滾輪1向左偏轉(zhuǎn)，與左邊導(dǎo)電半圓環(huán)2接觸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，舵葉向左弦偏轉(zhuǎn)，通過(guò)舵角反饋同步傳遞結(jié)構(gòu)，使兩個(gè)導(dǎo)電環(huán)以相同的方向向左作追隨滾輪的運(yùn)動(dòng)。這一階段由于外界干擾的持續(xù)存在，開始偏舵時(shí)偏舵角很小，舵效不明顯，所以船舶繼續(xù)向右

10、偏航（增加），導(dǎo)電環(huán)繼續(xù)作追隨滾輪的運(yùn)動(dòng)。第22頁(yè)，共43頁(yè)。第三階段（）：由于較強(qiáng)的舵效，使船舶偏航到某一最大偏航角 而停止偏航，導(dǎo)電環(huán)追上滾輪，絕緣塊與滾輪接觸，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，偏舵角也達(dá)到最大值 。 第四階段（）：船舶在左舵作用下，向正航向K回轉(zhuǎn)，偏航角從 逐漸減小，又通過(guò)航向發(fā)送器作用，使?jié)L輪開始與右邊導(dǎo)電環(huán)3接觸，電動(dòng)機(jī)向右轉(zhuǎn)，舵葉朝著艏艉方向偏轉(zhuǎn)（減?。?，導(dǎo)電環(huán)向右作追隨滾輪的運(yùn)動(dòng)。 第五階段（）：船舶回到正航向K上，導(dǎo)電環(huán)正好追上滾輪，使?jié)L輪處于絕緣塊上，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，舵葉位于艏艉線上。 第23頁(yè)，共43頁(yè)。上述連續(xù)的5個(gè)階段船舶偏離正航向又重返正航向的航跡如圖10-6所示。可見采用這

11、一系統(tǒng)進(jìn)行操舵，能夠使船舶在偏航后有自動(dòng)恢復(fù)正航向的能力。這就是電動(dòng)機(jī)械自動(dòng)操舵系統(tǒng)的基本原理。第24頁(yè)，共43頁(yè)。返回圖10-6 自動(dòng)舵校正航向的工作過(guò)程第25頁(yè)，共43頁(yè)。2電動(dòng)液壓式自動(dòng)舵 國(guó)產(chǎn)“HD5L型自動(dòng)舵應(yīng)用半導(dǎo)體無(wú)觸點(diǎn)控制的比例-微分-積分控制系統(tǒng)。駕駛室具有自動(dòng)、隨動(dòng)及應(yīng)急操作三種操舵方式。兩套參數(shù)相同的放大器互為備用，通過(guò)轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇其中一套為自動(dòng)、隨動(dòng)操舵時(shí)使用。應(yīng)急操舵為隨動(dòng)控制方式，單獨(dú)使用一套放大器。該型自動(dòng)舵有A、B、C、D四種型式。A型為電液伺服閥變量泵系統(tǒng)；B型為電磁換向閥、伺服油缸、變量泵系統(tǒng)；C型為伺服馬達(dá)變量系統(tǒng)；D型為地磁功率閥定量泵系統(tǒng)，它們的電氣系

12、統(tǒng)基本上是一致的。第26頁(yè)，共43頁(yè)。HD-5LBD 型自動(dòng)舵系統(tǒng)的組成見圖10-7。主要包括：（1）信號(hào)的檢測(cè)與發(fā)送，包括航向受訊器、偏航信號(hào)發(fā) 送器、舵角反饋信號(hào)發(fā)送器、隨動(dòng)信號(hào)發(fā)送器（2）相敏整流電路（3）運(yùn)算放大器和比例微分、積分調(diào)節(jié)裝置（4）積分裝置（5）左、右舵控制繼電器（6）執(zhí)行裝置（7）天氣調(diào)節(jié)裝置第27頁(yè)，共43頁(yè)。返回圖10-7 HD-5LBD 型自動(dòng)舵系統(tǒng)方框圖第28頁(yè)，共43頁(yè)。HD-5LBD型自動(dòng)舵原理見圖10-8。將操縱部位選擇開關(guān)K9放在“操縱臺(tái)位置”，機(jī)組選擇開關(guān)K8置于選定的工作機(jī)組位置，再將操縱方式選擇開關(guān)K1放在“自動(dòng)”位置，系統(tǒng)便進(jìn)入自動(dòng)工作狀態(tài)。第29

13、頁(yè)，共43頁(yè)。返回第30頁(yè)，共43頁(yè)。3PR-4 系列自動(dòng)舵1）PR-4 系列自動(dòng)舵簡(jiǎn)介2）PR-4 系列自動(dòng)舵的工作原理 見圖10-9 PR-4 系列自動(dòng)舵原理框圖。3）PR-4 系列自動(dòng)舵的操作 （1）速率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方法 （2）舵角調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方法 （3）天氣調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方法 （4）舵機(jī)偏差警報(bào)調(diào)節(jié)器 （5）舵角限位調(diào)節(jié)器 第31頁(yè)，共43頁(yè)。返回第32頁(yè)，共43頁(yè)。（1）速率調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方法： 安裝時(shí)的設(shè)定值是由廠方的隨船工程師根據(jù)船舶的 裝載情況（滿載、半載或空載）而設(shè)定的。 速率調(diào)節(jié)：設(shè)定值為4 天氣調(diào)節(jié)：設(shè)定值為0 以此為參考，根據(jù)下述的程序可以獲得一個(gè)最好的設(shè)定： 在下述每一種情況下船

14、舶直線航行30分鐘，比較航 線記錄儀的記錄并選擇最好的設(shè)定作為新的設(shè)定值。 根據(jù)當(dāng)時(shí)的貨載情況設(shè)定調(diào)節(jié)值（該調(diào)節(jié)值是由廠 方的隨船工程師推薦的）。 在上述的基礎(chǔ)上增加這個(gè)值。 在上述的基礎(chǔ)上減小這個(gè)值。 第33頁(yè)，共43頁(yè)。（2）舵角調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方法： 在大多數(shù)情況下，舵角調(diào)節(jié)器可以設(shè)定在4的位置，如 果反映良好則不需要再作進(jìn)一步的調(diào)整，即： 舵角調(diào)節(jié)器：設(shè)定值為4 天氣調(diào)節(jié)器：設(shè)定值為0 在下述每一種情況下船舶直線航行30分鐘，比較航線 記錄儀的記錄可以選擇最好的設(shè)定作為新的設(shè)定值。 設(shè)定值：4 設(shè)定值：3 設(shè)定值：2 如果變化不大，應(yīng)設(shè)定為4。第34頁(yè)，共43頁(yè)。（3）天氣調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)方法：

15、手動(dòng)天氣調(diào)節(jié)器 在良好天氣條件下，設(shè)定為0位置，高設(shè)定的目的 是希望獲得最少的不必要的動(dòng)舵；低設(shè)定的目的 是希望保持航向的精確。對(duì)特殊的海況最好的設(shè) 定是：指針的設(shè)定值是等于自然偏航角的數(shù)值。 自動(dòng)天氣調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)動(dòng)天氣調(diào)節(jié)器旋鈕到自動(dòng)位置. 第35頁(yè)，共43頁(yè)。（4）舵機(jī)偏差警報(bào)調(diào)節(jié)器 舵機(jī)偏差警報(bào)調(diào)節(jié)器控制旋鈕設(shè)定的目的是為了設(shè) 定一個(gè)偏航角的極限報(bào)警，當(dāng)由于故障使自動(dòng)羅盤 或自動(dòng)舵的讀數(shù)大于設(shè)定航向的方位角度時(shí)（角度 可以任意的設(shè)定為 ），偏航警報(bào)報(bào)警。一般 情況下，偏航角度設(shè)定為 。（5）舵角限位調(diào)節(jié)器 舵角限位調(diào)節(jié)器設(shè)定的目的是為了設(shè)定一個(gè)在自動(dòng) 舵操作時(shí)舵角移動(dòng)位置的極限， 對(duì)于航向

16、的保持 和正常的改變航向是完全可以滿足需要的，但如果 有大角度的航向改變就必須設(shè)定為 。第36頁(yè)，共43頁(yè)。第五節(jié) 船舶艏側(cè)推裝置船舶艏側(cè)推（有些特種船還安裝艉惻推器）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)部分（包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)）、通用接頭、推進(jìn)器和推進(jìn)器螺距控制裝置組成。 艏側(cè)推裝置的主電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)電路的系統(tǒng)原理簡(jiǎn) 圖見圖10-10所示。返回第37頁(yè)，共43頁(yè)。返回第38頁(yè)，共43頁(yè)。 船舶靠離碼頭時(shí)，G-

17、M系統(tǒng)單獨(dú)向艏側(cè)推裝置的主電 動(dòng)機(jī)供電，兩塊AVR板（RT01Y與RT02）共同投入 工作來(lái)控制發(fā)電機(jī)的輸出電壓及輸出電流。其起動(dòng)過(guò) 程如下： 1.G-M機(jī)組與船舶電力系統(tǒng)工作母線脫離，起動(dòng)原動(dòng) 機(jī)，發(fā)電機(jī)自勵(lì)起壓，輸出端電壓380V。在滿足側(cè) 推翼角在零位、液壓系統(tǒng)油壓已建立、主開關(guān)與船舶 電站工作母線分離等相關(guān)起動(dòng)條件后，才允許進(jìn)行側(cè) 推系統(tǒng)的起動(dòng)。第39頁(yè)，共43頁(yè)。2.當(dāng)按下艏側(cè)推起動(dòng)按鈕后，消磁接觸器的觸點(diǎn)E01閉合 （此時(shí)Q02常閉觸點(diǎn)是接通的），使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流 被短路掉，這時(shí)發(fā)電機(jī)的端電壓降為剩磁所能產(chǎn)生的電 壓。延時(shí)5秒鐘后，開關(guān)Q02閉合，將發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī) 相連接，同時(shí)E

18、05閉合將兩塊AVR板的輸出管T1并聯(lián) 在一起，另外E06打開使得電流互感器TIO5的二次側(cè) 電流經(jīng)TP01的變換后在R04上產(chǎn)生的電壓降加到了 RT02的8、9號(hào)端子上；同時(shí)Q02的常閉輔助觸點(diǎn)打 開，解除了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈短路閉鎖，發(fā)電機(jī)開始進(jìn)入 起壓過(guò)程。第40頁(yè)，共43頁(yè)。3.發(fā)電機(jī)在剩磁電壓的作用下，開始自勵(lì)發(fā)電，電動(dòng)機(jī)進(jìn) 入起動(dòng)過(guò)程。隨著發(fā)電機(jī)端電壓的逐漸升高，電動(dòng)機(jī)開 始轉(zhuǎn)動(dòng)，并且電流在不斷增大，但由于在起動(dòng)過(guò)程中發(fā) 電機(jī)端電壓始終低于380V，所以RTO1板上的T1管是 處于截止?fàn)顟B(tài)。在起動(dòng)電流小于1600A時(shí)，RT02板上 的輸出管也是處于截止?fàn)顟B(tài)。第41頁(yè)，共43頁(yè)。 當(dāng)電流增加到1600A時(shí)，RT02通過(guò)端子8、9采集到 的電流信號(hào)經(jīng)運(yùn)算后開始利用電流反饋信