船舶舵機的電力拖動與控制.ppt

第10章船舶舵機的電力拖動與控制 10 1舵機電力拖動與控制的基本要求 10 2操舵方式及基本工作原理 10 3自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律 10 4自動操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理 內(nèi)容簡介 本章主要討論船舶舵機電力拖動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動方向的專用設(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 二是改變船舶運動方向的能力 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 機翼理論 轉(zhuǎn)舵效應(yīng) 1 轉(zhuǎn)向 Ms 2 制動 R 3 漂移 T 4 縱傾 橫傾 水流動壓力P對船舶的影響 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達(dá)到最大值Msmax 對應(yīng)最大轉(zhuǎn)船力矩Msmax的舵角稱為最大舵角 max Ms max Msmax 拖動舵的設(shè)備稱為舵機 按 規(guī)定 要求 電動機堵轉(zhuǎn)時間應(yīng)能持續(xù)1分鐘以上 仍不致將電動機燒毀 要求電動機具有軟的機械特性和足夠大的過載能力 1 供電要可靠 從主配電盤到舵機應(yīng)當(dāng)用兩路 左右舷 分離較遠(yuǎn)的饋電線對舵機電動機供電 其中之一還應(yīng)該與應(yīng)急配電盤相連 2 電動機的運行要可靠 10 1舵機電力拖動與控制的基本要求 舵機操縱系統(tǒng)應(yīng)裝有自動操縱系統(tǒng) 隨動操縱系統(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 舵機電力拖動裝置至少有兩個控制站 駕駛臺和舵機艙 房 各一 控制站之間要有轉(zhuǎn)換開關(guān) 以防同時操作 根據(jù) 規(guī)范 規(guī)定 當(dāng)采用自動操舵裝置時 應(yīng)設(shè)有航向超過允許偏差的偏航自動報警裝置 4 舵葉偏轉(zhuǎn)限位保護(hù)和失壓報警裝置 電動 機械舵機裝置 1 電動機 2 蝸桿 3 蝸輪 4 齒輪 5 舵扇 6 緩沖彈簧 7 舵柄 8 舵桿頭 電動舵機多用于內(nèi)燃機船 由于電動舵機需要具備較大的起動力矩和過載能力 因此一般多采用直流電動機為驅(qū)動電機 10 2操舵方式及基本工作原理 緩沖彈簧既可帶動舵偏轉(zhuǎn) 又可吸收浪流對舵的沖擊力 起緩沖作用以保護(hù)舵設(shè)備 電動舵機結(jié)構(gòu)簡單 占據(jù)空間小 運轉(zhuǎn)平穩(wěn) 但在大型交流電源船上 需配大功率的變流機組 故逐漸被電動液壓舵機所代替 電動 液壓舵機裝置 1 控制系統(tǒng) 操縱系統(tǒng) 駕駛室遙控系統(tǒng) 舵機室機旁控制系統(tǒng) 駕駛室操舵儀 舵機室接收器 2 動力裝置 液壓泵 液壓元件等 3 轉(zhuǎn)舵機構(gòu) 油缸 撞桿 舵柄等 無論是電動還是液壓舵機 其操舵方式一般分為單動操舵 隨動操舵和自動操舵三種 單動操舵也就是通過轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行的應(yīng)急操舵 G為差復(fù)勵發(fā)電機 M為執(zhí)行電動機 J是發(fā)電機G的勵磁機 K1和K2為操舵手柄或按鈕控制的觸點 ZD1和ZD2為舵機限位開關(guān) 10 2 1單動操舵工作原理 單動舵原理圖 G M F D 系統(tǒng)的工作原理 勵磁機 電動機 差復(fù)勵發(fā)電機 執(zhí)行電動機 單動操舵方框圖 單動操舵的操作方法可以歸納為 手板舵動 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隨動操舵的工作原理 隨動操舵是按偏差原則進(jìn)行調(diào)節(jié)的操舵自動跟蹤系統(tǒng) 被調(diào)對象是舵 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同步的特點 即操舵手輪轉(zhuǎn)至某一所需角度時 舵葉相應(yīng)地偏轉(zhuǎn)到同一角度后自行停止 隨動操舵原理圖 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 隨動操舵的方法 三 自動操舵工作原理 0 0 自動舵校正航向的工作過程 偏航角 偏舵角 羅經(jīng) 舵機 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 電動機停 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 電動機反轉(zhuǎn) 回舵 導(dǎo)電環(huán)右轉(zhuǎn)追隨滾輪運動 回轉(zhuǎn) 船舶回到給定航向K 0 0 回航 船舶的航跡曲線 反饋機構(gòu) 航向接受器和舵角反饋機構(gòu) 電羅經(jīng)是檢測元件 也是比較環(huán)節(jié) 比較 元件 由兩個導(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 執(zhí)行機構(gòu) 他勵直流電動機M 10 3自動舵的基本類型及其調(diào)節(jié)規(guī)律 船舶應(yīng)用的自動舵類型眾多 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 還會降低航速 與B隨時間變化的曲線 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 相對于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 所以船舶以正航向為中心 左右搖擺 逐漸衰減 最后停止在正船向上 如圖所示 偏航 比例一微分舵對偏航角的影響 反過來 相對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 船舶長時間不能恢復(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 需通過實踐 常常是靠經(jīng)驗來調(diào)整K1和K2 比例一微分舵對偏航角的影響 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稱 螺旋漿不對稱或船舶單側(cè)風(fēng) 水流的影響使偏航角在不靈敏區(qū)所引起的橫向移動距離 不靈敏區(qū)是在 較小時 自動舵是不調(diào)節(jié)的 如果由于某種原因引起船舶的瞬時偏航 后來立即消失 因為作用時間短 不影響整個航向 所以對其平均航向沒有偏移 無需發(fā)出校正動舵信號 如圖 a 所示 有時候在船舶給定的航向兩側(cè)均勻搖擺 經(jīng)過比較長的時間后 其平均航向仍在正航向上 因此也無需使舵動作 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)了很長一段時間 于是偏航積分環(huán)節(jié)發(fā)出信號 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 自動舵雖能糾偏使船舶返回正航向 但對船舶的橫向漂移卻無能為力 可利用GPS定位系統(tǒng)來實現(xiàn)航線控制 比例 微分 積分 調(diào)節(jié)系統(tǒng)是比較完善的自動舵 但系統(tǒng)構(gòu)造較復(fù)雜 有的自動舵以 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 船舶裝載不對稱等 使船舶形成向某一側(cè)的小偏航 估計這種情況可能發(fā)生 則在自動舵放大環(huán)節(jié)的輸入端加入某一極性的固定信號 這樣產(chǎn)生一個相應(yīng)的固定偏舵角 對船舶形成一個固定的轉(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自動操舵系統(tǒng)基本要求和工作原理 10 4 1自動操舵系統(tǒng)基本要求 自動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 單動等操舵設(shè)備自動舵還應(yīng)設(shè)有雙電源 雙機組等換轉(zhuǎn)裝置 10 4 1自動操舵系統(tǒng)的工作原理 以國產(chǎn)HQ 5型自動操舵儀為例介紹自動舵裝置的結(jié)構(gòu)功能 1 系統(tǒng)的組成 HQ 5型自動舵系統(tǒng)基本上由駕駛室主操舵臺 舵機房簡易操舵臺 伺服機構(gòu) 反饋裝置和電源箱等組成 它的單動 應(yīng)急 操舵 隨動操舵和自動操舵三種操舵方式 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 信號發(fā)送電路 偏航信號發(fā)送器 隨動信號發(fā)送器和舵角反饋信號發(fā)送器都是控制式自整角機 它們單機使用 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 分羅經(jīng) 操舵手輪或舵柱通過機械傳動裝置帶動 自整角機處于協(xié)調(diào)位置時 無輸出 3 相敏整流電路 由偏航信號發(fā)送器 隨動信號發(fā)送器和舵角反饋信號發(fā)送器輸出的交流信號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 信號比較 壓舵環(huán)節(jié)和直流放大電路 信號比較電路 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現(xiàn)的 自動操舵時 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型自動操舵儀中 微分調(diào)節(jié)電路是通過在舵角反饋信號電路中接入RC積分電路來實現(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 偏航報警與操舵系統(tǒng)失壓報警電路 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)裝置推動水產(chǎn)生的作用力使船舶獲得一個側(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的機動性 目前 新造船舶大多安艏側(cè)推器 艏側(cè)推裝置由驅(qū)動