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1、船舶电机与电气控制系统船舶电机与电气控制系统电力拖动电力拖动主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：10.1 10.1 10.1 10.1 舵机电力拖动与控制系统的基本要求舵机电力拖动与控制系统的基本要求舵机电力拖动与控制系统的基本要求舵机电力拖动与控制系统的基本要求10.2 10.2 10.2 10.2 操舵方式及其工作原理操舵方式及其工作原理操舵方式及其工作原理操舵方式及其工作原理10.3 10.3 10.3 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10.4 10.4 10.4 10.4 自动操舵系统工作原理
2、自动操舵系统工作原理自动操舵系统工作原理自动操舵系统工作原理 思考题思考题思考题思考题第第10章章 船舶舵机的电力拖动与控制船舶舵机的电力拖动与控制电力拖动电力拖动 1. 1. 掌握舵机电力拖动的控制性要求掌握舵机电力拖动的控制性要求掌握舵机电力拖动的控制性要求掌握舵机电力拖动的控制性要求 2. 2. 了解操舵方式了解操舵方式了解操舵方式了解操舵方式 3. 3. 掌握自动舵的调节规律掌握自动舵的调节规律掌握自动舵的调节规律掌握自动舵的调节规律 4. 4. 了解各操舵系统的工作了解各操舵系统的工作了解各操舵系统的工作了解各操舵系统的工作 本章要求本章要求第第10章章 船舶舵机的电力拖动与控制船舶
3、舵机的电力拖动与控制电力拖动电力拖动 主要内容主要内容： 舵机控制装置舵机控制装置主要掌握：主要掌握：舵机装置及分类舵机装置及分类 对舵机电力拖动的要求对舵机电力拖动的要求 主要掌握：主要掌握：对舵机电动机的要求对舵机电动机的要求 对舵机控制系统要求对舵机控制系统要求主要掌握：主要掌握：对舵机控制系统的要求对舵机控制系统的要求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电力拖动电力拖动 舵舵机机是是船船舶舶上上最最重重要要的的机机械械设设备备之之一一，它它可可以以用用来来改改变变船船舶舶的的方方向向，保保证证船船舶舶按按预预订订航航向向航航行行、是是船船舶舶机机动动性性和
4、和生生命命力力的的主主要要设设备备。舵舵机机装装置置主主要要由由舵舵叶叶、舵舵机机动动力力装装置置、传传动动机机构构和和操操舵舵控控制制装装置置等组成。等组成。舵舵又又称称为为舵舵叶叶，安安装装于于推推进进螺螺旋旋桨桨后后侧侧，承承受水流作用而产生转船力矩。受水流作用而产生转船力矩。舵舵机机提提供供转转舵舵的的动动力力，都都配配备备驱驱动动电电动动机机，其其直直接接经经传传动动机机构构或或液液压压设设备备带带动动转转舵舵机机构构，以以转转动舵叶。动舵叶。传传动动机机构构将将舵舵机机发发出出的的功功率率传传递递给给舵舵柱柱的的设设备。备。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
5、基本要求电力拖动电力拖动航向舵叶偏转时作用于船舶上的力舵叶偏转时作用于船舶上的力aP1P2转向O水流方向P一、舵的作用原理一、舵的作用原理 在驾驶台设有操舵控制台，其上有操舵手轮，操舵方式转换开关、单动操舵在驾驶台设有操舵控制台，其上有操舵手轮，操舵方式转换开关、单动操舵用的手柄及自动舵设备。用的手柄及自动舵设备。电力拖动电力拖动 舵叶处于舵叶处于船舶首尾线上时，水流方向与舵面一致，不产船舶首尾线上时，水流方向与舵面一致，不产生转船力矩，船舶保持直线航行。当舵叶离开首尾线，向某一生转船力矩，船舶保持直线航行。当舵叶离开首尾线，向某一舷侧偏转一个舷侧偏转一个角时，因舵叶两面水流流速不同，两面的压
6、力角时，因舵叶两面水流流速不同，两面的压力不平衡，在舵面上产生与其垂直的压力不平衡，在舵面上产生与其垂直的压力R。将。将R分解为相互垂直分解为相互垂直的两个分力的两个分力T和和P。其纵向分力。其纵向分力T对船舶的航行起制动作用，使对船舶的航行起制动作用，使船速减低船速减低，而横向分力，而横向分力P会产生一个使船舶转向的会产生一个使船舶转向的转船力矩转船力矩M。 转船力矩转船力矩在一定的舵角上出现最大值，这个在一定的舵角上出现最大值，这个舵角称为最大舵角称为最大舵角舵角。在船舶上通常予以限定的角度。在船舶上通常予以限定的角度(例如例如350)作为舵机的最作为舵机的最大转舵角。大转舵角。 电力拖动
7、电力拖动 按规定要求，电动机堵转时间应能持续按规定要求，电动机堵转时间应能持续1分分钟以上，仍不致将电动机烧毁。要求电动机具有软钟以上，仍不致将电动机烧毁。要求电动机具有软的机械特性和足够大的过载能力。故采用的机械特性和足够大的过载能力。故采用差复励的差复励的重复短时工作重复短时工作的直流电动机（的直流电动机（电动机械装置电动机械装置）以及）以及连续运行连续运行的交流电机（的交流电机（电动液压装置电动液压装置）。）。二、对电力拖动与控制的基本要求二、对电力拖动与控制的基本要求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
8、供电。其中之一还应该与应急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。配电盘相连。2. 电动机的运行要可靠电动机的运行要可靠电力拖动电力拖动三、对舵机拖动控制系统的技术要求三、对舵机拖动控制系统的技术要求 1 1从从主主配配电电板板到到舵舵机机舱舱应应采采用用双双线线供供电电制制，并并尽尽可可能能远远离离分分开开敷敷设设( (如如左左、右右舷舷两两路路) )。在在正正常常情情况况下下应应急急配配电电板板由由主主配配电电板板供供电电时时，其其中中一一路路可可以以经经应应急急配配电电板板供供电电。驾驾驶驶室室与与舵舵机机舱舱的的操操舵舵装置应使用同一电源。装置应使用同一电源。 2 2舵舵
9、机机电电动动机机应应能能满满足足舵舵机机的的技技术术要要求求，并并能能保证堵转保证堵转1min1min的要求的要求。 3 3拖拖动动电电动动机机组组应应采采取取双双机机系系统统，各各机机组组可可单单独独运运行行（一一机机组组为为备备用用），也也可可同同时时运运行行。一一机机组故障时，另一机组应能自动投入工作。组故障时，另一机组应能自动投入工作。电力拖动电力拖动 4至少设有驾驶室和舵机舱至少设有驾驶室和舵机舱两个控制站两个控制站，并设有，并设有转换装置，转换装置，防止两地同时操纵防止两地同时操纵。 5 5现现代代船船舶舶驾驾驶驶室室多多装装有有操操舵舵仪仪，一一般般设设有有自自动动、随动、应急三
10、种操舵随动、应急三种操舵方式，也可只设两种。方式，也可只设两种。 6船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进船舶处于最深航海吃水并以最大营运航速前进时，不仅能满足舵自一舷时，不仅能满足舵自一舷350转至另一舷转至另一舷350的最大舵角的最大舵角要求，还应满足自任一舷要求，还应满足自任一舷350转至另一舷转至另一舷300的时间不超的时间不超过过28s的转舵速度要求。的转舵速度要求。 电力拖动电力拖动 7 7舵角指示器指示舵角的舵角指示器指示舵角的误差应不大于土误差应不大于土1 10 0。 8保护和报警装置：保护和报警装置：设有舵叶偏转限位开设有舵叶偏转限位开关，实现极限位置自动停舵；电源失压报警
11、装置；关，实现极限位置自动停舵；电源失压报警装置；过载声光报警，但过载声光报警，但无过载保护装置无过载保护装置；采用自动操；采用自动操舵装置时，应设有航向超过允许偏差的自动报警舵装置时，应设有航向超过允许偏差的自动报警装置。装置。 电力拖动电力拖动三、舵机拖动控制系统的维护三、舵机拖动控制系统的维护开航备车时对舵开航备车时对舵对舵时应注意以下各项：对舵时应注意以下各项：（1 1）检检查查操操舵舵台台上上的的控控制制开开关关、按按钮钮、指指示示灯灯及及失失压压、过过载载报报警警、声声光光信信号号等等装装置置是是否否完完整良好；整良好；（2）观观察察两两舷舷供供电电转转换换使使用用情情况况，并并用
12、用应应急急电源在驾驶室和舵机舱分别试操；电源在驾驶室和舵机舱分别试操； 电力拖动电力拖动（3）用用各各种种操操舵舵方方式式在在各各操操作作台台进进行行操操试试，检检查查应应急急舵舵操操纵纵是是否否有有效效，观观察察两两套套机机组组工工作作是是否否正正常常，自自动动切切换换是是否否可可靠靠，控控制制系系统统工工作作是是否否正常，舵机的机械传动部分是否灵活可靠；正常，舵机的机械传动部分是否灵活可靠； （4）检查操舵器、舵角指示器与舵叶实际位）检查操舵器、舵角指示器与舵叶实际位置的偏差，在正舵时，偏差应为零，在大舵角置的偏差，在正舵时，偏差应为零，在大舵角下，下，偏差应不大于偏差应不大于2； 电力拖
13、动电力拖动 （5）复查舵从一舷复查舵从一舷35转至另一舷转至另一舷30所需所需时间是否符合规定时间是否符合规定。检查舵叶偏转速度是否均。检查舵叶偏转速度是否均匀，转舵时有无异常声音、异常现象等。匀，转舵时有无异常声音、异常现象等。 2 2航行期间的巡视检查航行期间的巡视检查 巡视检查应包括下列内容：巡视检查应包括下列内容：（1 1）查看机组的运行情况，电动机运转的声音、温升；）查看机组的运行情况，电动机运转的声音、温升；（2 2）检检查查电电磁磁阀阀、伺伺服服马马达达、限限位位开开关关等等动动作作是是否可靠；否可靠；（3 3）观观察察各各仪仪表表读读数数、机机组组运运行行指指示示、舵舵角角指指
14、示示等装置的工作是否正常；等装置的工作是否正常；电力拖动电力拖动10.2 操舵方式及其基本工作原理操舵方式及其基本工作原理 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应急操舵。急操舵。 一、单动操舵工作原理一、单动操舵工作原理手动操舵系统框图手动操舵系统框图手柄手柄放大器放大器执行机构执行机构传动装置传动装置舵叶舵叶人 单动操舵的操作方法可以归纳为：手板舵动，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，回复零舵停；左舵左扳，回舵右扳；右舵右扳，回舵左扳。舵左扳。电力拖动电力拖动进行单动操舵，操舵人员必须经常观察罗径上航向指示及舵角指示
15、器，再根据操舵要求扳动操舵手柄，发出操舵信号。每转舵一次，扳动操舵手柄两次（一次发出信号使舵偏转，一次消除信号使舵停转）。因此，这种操舵系统虽简单，但操舵人员劳动强度大。 这种操舵方式仅适用于内河小型船舶和作为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。海船的应急操舵方式。电力拖动电力拖动二、随动操舵工作方式二、随动操舵工作方式 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，舵舵叶叶右右偏偏，并并自自动动停停在在右右舵舵上上。为为了了减减少少航航迹迹的的振振幅幅，船船舶舶在返回正航向过程中，必须回舵。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： 随随动
16、动控控制制已已经经广广泛泛应应用用于于船船舶舶舵舵机机电电力力拖拖动动中中，它它可可以以简简化化操操舵舵工工作作，操操舵舵人人员员不不必必不不断断扳扳动动操操舵舵手手柄柄并并连连续续查查看看舵舵角角指指示示器器。随随动动是是自自动动的的基基础。础。电力拖动电力拖动随动操舵随动操舵是舵叶转动的角度能自动跟踪手轮发出的操舵角是舵叶转动的角度能自动跟踪手轮发出的操舵角度，即舵角能自动停止在指令角度上。随动操舵是典型的位置度，即舵角能自动停止在指令角度上。随动操舵是典型的位置(Position)随动系统，实质上也是自动调节舵叶角位移的反馈系统。随动系统，实质上也是自动调节舵叶角位移的反馈系统。舵叶的偏
17、转角，模仿复制了操舵手轮的偏转角，按被调节量舵叶的偏转角，模仿复制了操舵手轮的偏转角，按被调节量(舵角舵角)与手轮给定值的偏差进行调节。系统中主要有检测和转换装置、比与手轮给定值的偏差进行调节。系统中主要有检测和转换装置、比较装置较装置(误差检测误差检测)、放大装置、放大装置(Magnify equipment)、执行机构及调、执行机构及调节对象节对象(舵叶舵叶)等五个部分。等五个部分。手轮手轮放大器放大器执行机构执行机构测量机构测量机构舵舵人人舵角舵角随动操舵系统框图随动操舵系统框图电力拖动电力拖动三、自动操舵工作原理三、自动操舵工作原理当当船船舶舶沿沿给给定定航航向向航航行行(Naviga
18、te)(Navigate)，舵舵叶叶在在艏艏艉艉线线上上，当当受受到到风风、流流等等外外界界干干扰扰而而向向右右或或左左偏偏转转离离开开正正航航向向某某一一个个角角度度时时，要要使使船船舶舶保保持持给给定定航航向向，就就必必须须经经常常操操舵舵。自自动动操操舵舵是是用用电电罗罗经经与与自自控控装装置置代代替替人人发发出出转转舵舵信信号号，只只要要一一次次给给定定航航向向，再再不不需需要要人人工工经经常常转转动动舵舵轮轮就就能能使使船船舶舶自自动动保保持持在在给定航向上航行。给定航向上航行。自自动动舵舵使使船船舶舶航航行行的的S S型型航航迹迹幅幅度度减减小小，从从而而提提高高实实际际航速，缩短
19、了航行时间，加快航速，缩短了航行时间，加快船舶的运转周期。船舶的运转周期。电力拖动电力拖动反馈机构：航向反馈机构：航向反馈反馈和舵角反馈机构。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。比较元件：由两个导电半圆环和滚轮所构成的部件。比较元件：由两个导电半圆环和滚轮所构成的部件。变换器：把角差信号变换为发电机的励磁电流。变换器：把角差信号变换为发电机的励磁电流。放大环节：直流发电机放大环节：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。图图11-2-7自动操舵系统框图自动操舵系统框图电罗经电罗经控制器控制器变换元件变换元件舵舵给定航向给定航向执
20、行元件执行元件船船干扰干扰航向反馈航向反馈舵角反馈舵角反馈电力拖动电力拖动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 K1过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低航速。过大，使船回转过头，稳定性变坏，还会降低航速。一、自动舵的基本类型及其调节规律一、自动舵的基本类型及其调节规律基本闭环调节规律可分为三种基本闭环调节规律可分为三种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给偏舵角的大小按比例给偏舵角，即，即= K1K1为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏为比例系数，负号表示偏舵的方向是消除偏K1过小，不能产生足够的转船力矩，回转性能不好。过小，不能产生足够的转船
21、力矩，回转性能不好。电力拖动电力拖动 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”的的校校正正控制作用。提高系统的灵敏度。控制作用。提高系统的灵敏度。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按比例给按比例给出偏舵角出偏舵角，即，即= （K1+K2d/d t ）K2是微分系数。是微分系数。即偏航时提前施以最大舵角，阻止船舶进一步偏航；回航时即偏航时提前施以最大舵角，阻止船舶进一步偏航；回航时提前施以反舵角，以防止船舶因惯性向反方向偏航。提前施以反舵角，以防止船舶因惯性向反方向偏航。电力拖动电力拖动 积积分分环环节节的的作作用用在在于
22、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。（不不灵灵敏敏区是在区是在较小时，自动舵是不调节的）较小时，自动舵是不调节的）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和和偏航角的积分偏航角的积分d t按比例给出偏舵角按比例给出偏舵角，即，即= （K1+K2d/d t + K3d t）K3是积分系数。是积分系数。电力拖动电力拖动天气调节（灵敏度调节）天气调节（灵敏度调节）：能
23、使自动舵开始动作的偏：能使自动舵开始动作的偏航角称为灵敏度，天气条件不同灵敏度要求不同。航角称为灵敏度，天气条件不同灵敏度要求不同。航向调节即小航角改变设定航向的调节航向调节即小航角改变设定航向的调节，目前的系，目前的系统已经可以做到随意改变航向。统已经可以做到随意改变航向。比例调节比例调节：根据船舶大小、船型、装载情况及航：根据船舶大小、船型、装载情况及航速来选择舵角比例系数。速来选择舵角比例系数。二、自动舵的基本要求二、自动舵的基本要求电力拖动电力拖动稳舵角调节（又称反舵角调节）稳舵角调节（又称反舵角调节）：船舶在舵的作用船舶在舵的作用下返回给定航向时下返回给定航向时,由于船舶的惯性可能向
24、另一方由于船舶的惯性可能向另一方向偏转向偏转,为了使船舶恰好回到给定航向而不超过为了使船舶恰好回到给定航向而不超过,就就需要船接近回到给定航向时，舵能向另一舷转过一需要船接近回到给定航向时，舵能向另一舷转过一个小角度，以抵消船的惯性，这个舵角叫稳舵角、个小角度，以抵消船的惯性，这个舵角叫稳舵角、反舵角或回舵角。惯性不同的船要求稳舵角不同，反舵角或回舵角。惯性不同的船要求稳舵角不同，因此稳舵角应是可调的。因此稳舵角应是可调的。压舵角调节（也称偏航调节）压舵角调节（也称偏航调节）：由于船舶在航行中受：由于船舶在航行中受到不对称的外界干扰到不对称的外界干扰(一舷的风浪一舷的风浪,螺旋桨不对称螺旋桨不
25、对称,装载装载量不对称等量不对称等)会产生一舷的持续力矩会产生一舷的持续力矩,船将产生不对称船将产生不对称偏航。为此偏航。为此,必须使舵偏离首尾线一个舵角来抵消一必须使舵偏离首尾线一个舵角来抵消一舷的持续力矩。舷的持续力矩。这个偏航角叫做压舵角这个偏航角叫做压舵角。此舵角可由此舵角可由人工给定或加积分环节产生。人工给定或加积分环节产生。电力拖动电力拖动思考题思考题1.1.舵是如何使船舶转动的？舵是如何使船舶转动的？2.2.对舵机电机有何要求？对舵机电机有何要求？3.3.对舵机控制线路有何要求？对舵机控制线路有何要求？4.4.舵机的操舵方式有几种？舵机的操舵方式有几种？5.5.自动舵是如何保持船舶航向不变的？自动舵是如何保持船舶航向不变的？6.6.自动舵通常有哪些类型？自动舵通常有哪些类型？7.7.什么是压舵调节、天气调节、反舵角调节？什么是压舵调节、天气调节、反舵角调节？
