技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种
能源动
力设备技术，特别是一种新型的钢制内河船舶应急操舵装置。
背景技术
[0002] 舵机是船舶实现操舵、控制航向的动力装置，由远距离操纵机构、转舵动力设备、转舵机构组成。转舵机构主要有摆缸式、转叶式及拨叉式三种结构类型，下面以最常用的拨叉式转舵机构加以简单说明。如图4拨叉式转舵机构主要由单作用油缸、
柱塞、舵柄组成，柱塞在工作油液的作用下，通过滚轮(或滑
块)，将直线运动通过舵柄转化为舵轴的旋转运动，改变进油的方向，则改变转舵方向。转舵动力设备普遍采用液压动力单元，现以普通
阀控开式液压动力单元见图5，由三相交流异步
电动机拖动定量
泵供油，电液换向阀根据转舵需要，控制A、B 口油液方向，去驱动转舵机构。其中双向溢流阀的作用是设定系统工作压力，防止浪的冲击对转舵机构造成损伤；专用平衡阀的作用是为了克服负
扭矩，保证转舵机构运行平稳；溢流阀的作用是建立系统工作压力，同时对系统的安全运行起保护作用。
[0003] 中国船级社《钢制内河船舶建造规范》2009版9.16急流航段船舶的附加要求：急流航段船舶的操舵装置，转舵扭矩大于16KN.M的船舶还应设置应急操舵装置控制系统，应急操舵动力设备，采用
蓄电池组或应急发
电机作为应急能源。
[0004] 现阶段，由于应急
发电机组体积大且造价及使用成本较高，加之内河船舶舵舱空间有限，普遍采用备用蓄
电池组作为应急能源，与之配套的
应急泵组电机采用220V，1500或3000r/Min的直流电机；控制直流电机的电控方式是串
电阻降压启动，启动完成后切换为
220V额定
电压工作。
发明内容
[0005] 本实用新型的目的在于提供一种新型的钢制内河船舶应急操舵装置，包括与应急直流电源连接的逆变
电路，逆变电路包括三相逆变桥、若干续流
二极管、限流电阻、第一限压电阻、限压电阻、限压电容、滤波电容和两个
开关；其中限流电阻一端与直流电源正极连接，第一开关并联于限流电阻两端，滤波电容两端分
[0006] 别与限流电阻另一端和直流电源负极连接，第一限压电阻、限压电阻、限压电容
串联后与滤波电容并联，第二开关并联于限压电阻、限压电容两端，三相逆变桥与滤波电容并联，且每一相逆变桥包括串联的两个逆变开关管，每一
续流二极管并联于相应的逆变开关管两端，每一相逆变桥中间与电动机电连接。采用上述系统，还包括控制电路，该控制电路产生PWM
波形控制逆变开关管的工作。
[0007] 采用上述系统，控制电路和每一相逆变桥之间设置隔离驱动电路。
[0008] 本实用新型采用与主动力单元相同的交流泵组，应急能源仍然采用
蓄电池组，取消了传统的直流电机拖动及控制系统，代之以逆变装置将应急直流
电能(蓄电瓶)转换为交流电能(三相交流220V,50Hz
正弦波)，供给舵机的应急交流电机泵组，为应急操舵提供动力。与
现有技术条件下所采用的直流电机泵组应急操舵装置相比采用本实用新型可取得以下有益效果：(1)通常交流电机的价格只有同规格直流电机价格的1/3～1/2，因此采用本实用新型可直接降低装置成本；(2) 与交流电机相比，直流电机由于其自身存在换向机构使得后期的使用维护成本较高，因此，采用本实用新型可有效降低直接的使用和维护成本；(3)直流电机须采用串电阻降压启动，浪费了蓄电池储存的应急电能，而采用本实用新型，由于采用逆变变频，可直接实现电机的软启动，节省电能；其次，启动完成后泵组也可工作于变频恒压状态下，进一步降低了工作损耗，节省电能；(4)采用与主动力单元同样的交流泵组可减少设备的品类，方便操作及维护保养，减少维修备品备件的种类及数量；同时，应急动力单元与主动力单元可以互为备用，提高了系统工作的可靠性；总之，在降低使用
费用，提高便捷性的同时大大提高了系统的可靠性。
[0009] 下面结合
说明书附图对本实用新型作进一步描述。
附图说明
[0010] 图1为本实用新型逆变器主电路原理图。
[0011] 图2为本实用新型逆变器控制主电路原理图。
[0012] 图3为本实用新型隔离驱动电路原理图。
[0013] 图4为拨叉式转舵机构结构示意图，其中附图标记分别为8、舵杆，9、压力表，10、舵柄，11、柱塞销轴，12、柱塞销轴滚轮，13、柱塞，14、油缸， A/B、油口。
[0014] 图5为普通阀控开式液压动力单元示意图，其中附图标记分别为1、油箱，2、三相交流异步电动机，3、油泵，4、溢流阀，5、电液换向阀，6、专用平衡阀，7、双向溢流阀，A/B、油口。
具体实施方式
[0015] 一种新型的钢制内河船舶应急操舵装置，包括与应急直流电源连接的逆变电路，逆变电路包括三相逆变桥、若干续流二极管、限流电阻R2、第一限压电阻 R1、限压电阻R0、限压电容C0、滤波电容Cd和两个开关；其中限流电阻R2 一端与直流电源Ud正极连接，第一开关K1并联于限流电阻R2两端，滤波电容Cd两端分别与限流电阻R2另一端和直流电源Ud负极连接，第一限压电阻 R1、限压电阻R0、限压电容C0串联后与滤波电容Cd并联，第二开关K2并联于限压电阻R0、限压电容C0两端，三相逆变桥与滤波电容Cd并联，且每一相逆变桥包括串联的两个逆变开关管，每一续流二极管并联于相应的逆变开关管两端，每一相逆变桥中间与电动机电连接。
[0016] 逆变开关管VT1～VT6组成三相逆变桥，逆变管选IGBT；VD1～VD6为续流二极管，其作用是：当逆变开关管由导通变为截止时，为储存在线路电感及电机线圈中的电能提供释放通道，维持
电流在电机线圈中流动，此外，当电动机
制动时，可为
再生制动电流提供通道，使其回流到直流电源。当然如果成本允许也可以选择智能模块IPM取代上述回路中的IGBT和续流二极管。Ud为蓄电池组所提供的电压，电容起着平波和中间储能的作用。R2为启动时的限流电阻，启动完成后K1闭合。K2、R1、R0、C0组成泵升电压控制回路，当电压超过允许电压时K2闭合将
能量消耗在电阻R1上。
[0017] 为使输出的交流电压为正弦波，控制电路采用SPWM
脉宽调制电路。为此，选用英国MITEL公司生产的变频调速集成芯片SA868为控制核心，输出所需
频率、电压的同步PWM波形。该芯片具有以下特点：
工作温度为0℃～70℃；内设
驱动器，可
直接驱动光耦，实现隔离；
载波频率选择最高可达24KHz，实现无噪声运行；调制
频率范围：0～4000Hz；内含过压、过流检测单元，可实时检查直流端电压和电流，并将
信号送入内部自行处理，具有较好的安全保护功能。由用户定义的所有参数，由芯片生产厂家编程在ROM中；双极性调制；最小脉宽，死区时间可选择；
加速时间、减速时间的选择由外部电阻设置；有三种波形可供用户选择；
SA868为24引脚，有双列直插式和扁平小外形两种封装形式。SA868芯片因其无须外接
微处理器且不需开发任何
软件就可以输出变压变频的 SPWM波形而简化了电路，降低了系统成本，同时
接口简单，容易构成实用的变频调速专用控制系统。
[0018] 本方案基于SA868芯片为核心的控制电路主电路如图2所示，进一步阐述如下：
[0019] 供电电压VCC：DC7V，用干电池或蓄电池。
[0020] XTAL1：时钟输入端；XTAL2：时钟输出端。该片的时钟由20MHz的晶振提供，为确保晶体正常工作，晶振两引脚到数字地之间应接入10pF～68pF电容。
[0021] SETTRIR：输出关闭设置端，当其输入为高电平时，经过3～4个主时钟频率周期的延时，仍为高电平时，则PWM
输出信号被禁止。SETTRIP也可用于在紧急事故发生时，迅速关闭
半导体功率器件，其动作时间大约100ns。无论哪种原因，一旦SETTRIP被启用，必须通过RESET重新复位，以消除关断条件，方能重新工作。SETTRIR端分别与第十九电阻R19的第一引脚、
运算放大器输出端连接，
运算放大器输出高平电压。
[0022] TRIP：关闭状态指示端，低电平有效，低电平指示已关闭PWM信号，该端可直接驱动LED。当故障发生时，本
实施例由R22和D13组成的电路对外发出故障指示。
[0023] RESET：复位端，低电平有效。当其输入为低时，所有PWM输出、内部计数器、瞬时频率均置零；方向选择
位置1。本实施例采用外设开关S0控制。
[0024] SET1～SET4：速度设置端，通过改变这四位数值可设置新的目标频率；共 16种输出速度，可查阅SA868用户资料进行选择。本实施例采用外设开关S1～S4 控制。
[0025] DIR：方向设置端，该位输入为高，且内部信号允许时，为正方向旋转；该位输入为低时，反方向旋转。本实施例采用外设开关S5控制。
[0026] Raccel：加速速率设置端，外接电阻电容；Rdecel：减速速率设置端，外接电阻电容。本实施例通过R17、C13和R18、C14分别确定加速
振荡器和减速振荡器的频率。改变R、C值，就可设置所需的加速和减速频率。
[0027] IMONITOR：逆变器输入电流监控端；过流检测信号经运算放大器组成的放大器1送入SA868的电流监控端，假如发生过流，SA868会瞬时禁止PWM信号输出，待电流降到允许范围内系统可恢复正常运行。本实施例通过在线串联电流检测电阻(0.1Ω左右)于主电路直流端来监测。
[0028] VMONITOR：逆变器输入电压监控端；可以采用与IMONITOR相似的外围电路。如果电压过高，SA868会禁止PWM信号输出，待电压降到允许范围内系统可恢复正常运行。电压检测信号可以通过与直流端并联的分压电阻获取，限于篇幅图1中未画出。另一方面此检测信号也可同时送给泵升控制电路。
[0029] RPHT/RPHB,YPHT/YPHB,BPHT/BPHB：分别为三相上下桥臂的PWM输出信号，可直接驱动IGBT。
[0030] 为了提高驱动可靠性，可以在中间增设隔离驱动电路，因SA868六路输出的隔离驱动电路完全相同，下面仅以其中一路为例，如图3所示。本实施例选用 IGBT专用混合集成驱动器：三菱公司的M57962L。端13/14为PWM信号输入端，端15接+5V，端13通过非
门接RPHT(或其他5路SA868PWM信号输出)，其允许的最大输入电流幅值16mA；端5输出驱动的脉动电流+2A和-3A，电压 +15V和-10V；端1为检测口；端8故障指示；端4/6为电源输入端，分别接入 +
15V和-10V。
[0031] 本实施例在实施时还需考虑以下情况：(1)根据三相异步电动机的额定功率，考虑安全余量，计算所需应急备用蓄电池的容量及电容Cd；(2)根据电动机的峰值电流、电压查相关手册选择IGBT及续流二极管的型号；(3)根据最大制动电流计算选择泵升电路元器件的参数、型号；(4)根据SA868的IMONITOR和 VMONITOR的适配要求，分别计算选取检测电路的元器件的参数、型号；(5) 根据SA868各端口的适配要求，校核外围电路各原器件的参数、型号；(6)根据主电路和控制电路分离的原则，设计安装线路板，考虑IGBT的
散热方式及要求；(7)因为应急动力设计，所以所有控制系统均采用直流供电模式，由干电池或蓄电池供电，所有选择元器件和控制电路均应满足这一要求；(8)产品应考虑和满足船用产品的其他要求。
