王建勛，耿 攀，尤 琪，沈志奔

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205)

兩種控制方式下主動(dòng)軸接地裝置的性能對(duì)比分析

王建勛，耿 攀，尤 琪，沈志奔

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，武漢 430205)

可滿(mǎn)足防腐和電場(chǎng)防護(hù)要求的主動(dòng)軸接地裝置已在艦船上得到了廣泛應(yīng)用。本文在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上解釋了艦船軸系低頻電流信號(hào)產(chǎn)生原因，分析了主動(dòng)軸接地裝置采用的基于檢測(cè)軸電流補(bǔ)償和基于檢測(cè)軸—船體電勢(shì)補(bǔ)償兩種控制方式的原理，并對(duì)兩種方式進(jìn)行性能對(duì)比分析，指出兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，以指導(dǎo)主動(dòng)軸接地裝置設(shè)計(jì)。

防腐 電場(chǎng)防護(hù) 主動(dòng)軸接地 軸電流 軸—船體電勢(shì)

0 引言

眾所周知，軸與船體的電勢(shì)差會(huì)引起軸頸和軸套的電化學(xué)腐蝕，影響軸的工作強(qiáng)度和使用壽命，一般認(rèn)為軸與船體的電勢(shì)差小于一定值時(shí)（一般認(rèn)為是50 mV）對(duì)主軸承等是無(wú)害的[1-2]。軸接地裝置的作用之一就是將軸與船體之間形成的電勢(shì)差釋放，使軸與船體的電勢(shì)差維持在一定值以下，從而保證在主機(jī)工作時(shí)起到電化防腐的作用。軸接地裝置的另一作用來(lái)自于電場(chǎng)防護(hù)需要。由于軸系在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，受到油膜厚度變化、軸承溫升、船體變形和海情變化等因素的影響，軸系因負(fù)荷和應(yīng)力的變化而存在一定的變形，在軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸與軸承等機(jī)械結(jié)構(gòu)間的接觸電阻將以軸的旋轉(zhuǎn)頻率呈周期性變化，所以陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生的流經(jīng)主軸的防腐電流會(huì)呈周期性變化[3-5]。這個(gè)周期性變化的電流將會(huì)產(chǎn)生低頻電場(chǎng)，該電場(chǎng)在海水中能夠傳播到很遠(yuǎn)的距離而成為艦船的一個(gè)重要目標(biāo)特性[6-7]。軸接地裝置的另一作用就是使大軸電流中的低頻成分為0，以消除低頻電場(chǎng)特征。

國(guó)際上普遍采用被動(dòng)軸接地裝置（無(wú)源軸接地裝置，PSG）和主動(dòng)軸接地裝置（有源軸接地裝置，ASG）兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)軸接地。被動(dòng)軸接地裝置利用電刷和滑環(huán)將軸直接連接到船體上，以保證軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其與船體之間的電阻保持在很小的狀態(tài)。被動(dòng)軸接地裝置降低軸與船體電勢(shì)差的能力有限，也不能消除所有的低頻成分，在維護(hù)不良時(shí)，電刷和滑動(dòng)環(huán)裝置還會(huì)隨時(shí)間嚴(yán)重惡化而失效。主動(dòng)軸接地裝置是一種更為有效地控制軸電流和軸與船體電勢(shì)差的裝置，這種裝置基于電氣或電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)，裝置通過(guò)測(cè)定大軸電流[8]或軸與船體間電勢(shì)差[3-5]的變化，利用電刷和滑環(huán)向大軸中注入與其成正比的電流以補(bǔ)償軸—船體間電阻的變化。主動(dòng)軸接地裝置的應(yīng)用效果要優(yōu)于被動(dòng)軸接地裝置，并且該裝置對(duì)維護(hù)保養(yǎng)的要求不是很高。

本文主要從電工學(xué)的角度，基于電路知識(shí)分析軸電流中低頻信號(hào)產(chǎn)生的數(shù)學(xué)原理，并對(duì)普遍采用的主動(dòng)軸接地裝置開(kāi)展性能分析，對(duì)比其在采用兩種不同控制方式下的補(bǔ)償效果，以給出主動(dòng)軸接地裝置的設(shè)計(jì)建議。

1 低頻信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程的理論推導(dǎo)

圖1 低頻信號(hào)產(chǎn)生的原理示意(以防腐電流為例)

低頻信號(hào)由流經(jīng)大軸的腐蝕電流和防腐電流產(chǎn)生，其產(chǎn)生原理示意如圖1所示。圖示說(shuō)明，陰極保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)輔助陽(yáng)極向海水中輸出的防腐電流會(huì)流經(jīng)海水、螺旋槳、軸和軸承部分最終回到船體，以對(duì)船體進(jìn)行腐蝕防護(hù)。在該回路中，軸與軸承等機(jī)械結(jié)構(gòu)間的接觸電阻會(huì)發(fā)生周期性變化，使得流經(jīng)軸的電流含有以旋轉(zhuǎn)軸頻率為基頻的交流分量。其等效電路如圖2所示。

圖2 低頻信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程的等效電路圖

圖2中，Up為陰極保護(hù)系統(tǒng)電源輸出電壓，Ra為輔助陽(yáng)極與海水之間的接觸接水電阻；Rc為輔助陽(yáng)極到螺旋槳之間的海水電阻；Rd為螺旋槳與海水之間的接觸電阻；Rb為螺旋槳與軸承之間軸部分的電阻；RB為軸和船體之間的接觸電阻；Rf為船體電阻。

為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)軸—船體電阻按正弦規(guī)律變化，且只有一個(gè)頻率分量；而主動(dòng)軸接地裝置為理想的可控電流源，無(wú)內(nèi)阻。對(duì)軸承處以外的部分均可進(jìn)行戴維南等效變換，在加入主動(dòng)軸接地裝置后，可得圖3所示電路。

圖3 含主動(dòng)軸接地裝置的戴維南等效電路圖

圖3中，R0為軸承處以外的部分電路的等效電阻，Udc為軸承處以外的部分電路的等效電壓，ishaft為軸電流，iASG為主動(dòng)軸接地裝置也即可控電流源的輸出電流，iB為軸—船體支路的電流，RB(1-sinωt)為軸—船體接觸電阻，其中ω=2πf=2πn/60，n為軸的轉(zhuǎn)速。根據(jù)基爾霍夫定律，圖3示電路滿(mǎn)足如下關(guān)系式：

式中：RB=RBmax/2，為軸—船體接觸電阻最大值的一半。

假若iASG=0，由式（1）可得無(wú)軸接地裝置時(shí)軸—船體支路電流為：

式（3）說(shuō)明，在未安裝軸接地裝置時(shí)，由于軸—船體支路電阻的波動(dòng)，大軸電流中將含有ω、2ω、…分量，各頻率分量所占份額隨頻率的上升逐漸減小。軸電流各分量大小與等效電壓（或電流）、軸—船體支路電阻、除軸-船體支路部分外電路的等效電阻、以及兩部分電阻的相對(duì)大小有關(guān)。在已知電路參數(shù)時(shí)，可利用式（3）估算軸電流中各成分大小。

2 主動(dòng)軸接地裝置控制原理

基于檢測(cè)電流ishaft的控制，用測(cè)量得到的軸電流ishaft來(lái)驅(qū)動(dòng)控制可控電流源產(chǎn)生同樣大小的電流，以保證電流不流經(jīng)軸—船體支路?；跈z測(cè)軸與船體之間電壓uB的控制，將測(cè)量得到的軸與船體間電勢(shì)差uB放大后用來(lái)驅(qū)動(dòng)控制可控電流源產(chǎn)生高電流。高的uB值將能驅(qū)動(dòng)電源輸出更大的電流iASG，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸電流ishaft增加，uB降低；反之，當(dāng)uB低時(shí)，電流iASG減小，轉(zhuǎn)軸電流ishaft減小。兩種方式都能消除轉(zhuǎn)軸中電流的起伏，從而減小因轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的低頻電場(chǎng)。對(duì)兩者的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行推導(dǎo)如下：

1）基于檢測(cè)電流ishaft的控制

令iASG=αishaft，代入式（1）可得軸—船體支路的電流iB的表達(dá)式為：

當(dāng)α=1時(shí)，有λ=0，iB=0，ishaft=Udc/R0，此時(shí)軸與船體的電壓uB能保證為0，ishaft也僅有直流分量。

2）基于檢測(cè)軸與船體之間電壓uB的控制

令iASG=βUB=βRBiB(1-sinωt )，代入式（1）可得：

若需滿(mǎn)足uB=iB=0，必須有β=∞，此時(shí)軸電流同樣滿(mǎn)足ishaft=Udc/R0。

3 仿真分析

在Simulink中搭建仿真模型，基于受控源模型搭建可變電阻[9]，等效電路參數(shù)設(shè)置為：Udc=2 V ，R0=0.1Ω，RB=0.05Ω，f=2 Hz 。首先分析兩種控制方式下的補(bǔ)償效果，分兩種情況：a）理想情況下，取α=1，β=108，實(shí)際中無(wú)法取值無(wú)窮大數(shù)，所以在這里β只能取有限大值；b）非理想情況下，考慮輸出電流誤差和系數(shù)取值有限的可能性，取α=0.95，β=103。

由圖4中的補(bǔ)償前波形可以看出，大軸電流中除含有直流分量外，還含有交流波動(dòng)部分，根據(jù)傅里葉分解的結(jié)果可以看出，交流分量為2 Hz、4 Hz、6 Hz、…分量等，與理論推導(dǎo)的ω、2ω、…分量相符。不難看出，高次諧波電流隨頻率的增大衰減很快，一般只需要考慮基頻分量和二次分量即可。在本算例情況下，基頻分量和二次諧波分量與直流分量相比分別占20%和5%左右，低頻分量所占比例會(huì)受到可變電阻和固定電阻之間相對(duì)大小的影響。

對(duì)比兩種補(bǔ)償方式，在理想情況下，可以看出基于檢測(cè)電流的控制方式能實(shí)現(xiàn)無(wú)差補(bǔ)償，軸—船體之間的電勢(shì)差和軸電流中的交流部分均為0，同時(shí)滿(mǎn)足了防腐和電場(chǎng)防護(hù)要求?；跈z測(cè)電壓的控制方式對(duì)電流基本也能實(shí)現(xiàn)無(wú)差補(bǔ)償，但因?yàn)樵趯?shí)際運(yùn)行中無(wú)法取到完全符合理想情況的正無(wú)窮，所以存在一定的軸—船體殘壓，但該殘壓較小，所以也能同時(shí)滿(mǎn)足防腐和電場(chǎng)防護(hù)要求。在非理想情況下，若輸出電流存在誤差，軸—船體電壓以及軸電流為有差補(bǔ)償，所以交流分量無(wú)法完全消除。粗略比較可知，基于檢測(cè)電壓的控制方式在提高補(bǔ)償效果方面花費(fèi)的代價(jià)較小。

圖4 兩種控制方式下的補(bǔ)償效果

圖5 兩種控制方式下補(bǔ)償精度的對(duì)比

實(shí)際應(yīng)用中電流補(bǔ)償比不可能理想化，其會(huì)受到電流傳感器精度和主動(dòng)軸接地裝置控制精度的影響，放大系數(shù)受到器件的性能影響也只能取有限值。為比較兩種控制方式受實(shí)際工程應(yīng)用各因素的影響，以補(bǔ)償后軸電流低頻分量相對(duì)未補(bǔ)償前下降的百分比，以及軸與船體之間的電勢(shì)差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在基于檢測(cè)電流控制方式下研究其隨輸出電流誤差的變化規(guī)律，在基于檢測(cè)電壓控制方式下研究其隨放大系數(shù)的變化規(guī)律，根據(jù)式(4)～(9)進(jìn)行計(jì)算分析，可得到圖5所示結(jié)果。

由圖5所示結(jié)果可以看出，基于檢測(cè)電流的控制方式對(duì)輸出電流精度的要求非常高，為同時(shí)滿(mǎn)足防腐和電場(chǎng)防護(hù)要求，輸出電流誤差應(yīng)滿(mǎn)足小于2%；對(duì)于基于檢測(cè)電壓的控制方式，放大系數(shù)取值達(dá)到10的四次方時(shí)，能同時(shí)滿(mǎn)足防腐和電場(chǎng)防護(hù)要求。比較而言，采用基于檢測(cè)電壓的控制方式更容易滿(mǎn)足指標(biāo)性能。實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)固定電阻和可變電阻的比例大小，可進(jìn)行放大系數(shù)的優(yōu)選。

值得注意的是，兩種控制方式都存在同一問(wèn)題，即在實(shí)現(xiàn)軸接地的過(guò)程中，軸電流均將上升，這對(duì)船體腐蝕防護(hù)和靜電場(chǎng)的特征減少來(lái)說(shuō)是不利的。為滿(mǎn)足更高要求，需要主動(dòng)軸接地裝置和陰極保護(hù)系統(tǒng)的控制器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

4 結(jié)論和展望

1）由于軸與船體之間接觸電阻的交變，軸電流中會(huì)產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)軸頻率為基頻的交流分量，這些分量中以基頻和二次分量為主要成分，其含量由該交變電阻與等效電路中固定電阻的比例決定；

2）對(duì)于基于軸電流檢測(cè)控制的主動(dòng)軸接地裝置，雖然其從理論上可以實(shí)現(xiàn)電壓和電流無(wú)差補(bǔ)償，但其對(duì)電流傳感器的檢測(cè)精度和主動(dòng)軸接地裝置輸出電流控制的精度要求較高，工程實(shí)現(xiàn)不易；

3）對(duì)于基于軸與船體之間電壓檢測(cè)控制的主動(dòng)軸接地裝置，雖然其從理論上無(wú)法實(shí)現(xiàn)電壓和電流無(wú)差補(bǔ)償，但其對(duì)檢測(cè)和控制的精度要求較低，只要放大系數(shù)能夠大于一定值就可滿(mǎn)足一定要求，工程實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單；

4）本文所提計(jì)算模型可用來(lái)進(jìn)行基于軸與船體之間電壓檢測(cè)控制的放大系數(shù)優(yōu)選，對(duì)指導(dǎo)主動(dòng)軸接地裝置設(shè)計(jì)具有參考借鑒意義。

主動(dòng)軸接地裝置作為一種用以產(chǎn)生頻率較低電流的可控電流源，需要其能輸出低電壓、大電流。根據(jù)供電方式和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，可采用多種形式的電路，如基于電力電子變換技術(shù)的整流電路、逆變電路或者斬波電路等。但不管怎樣，主動(dòng)軸接地裝置作為補(bǔ)償裝置，其自身產(chǎn)生的諧波不能大，否則會(huì)增加新的交流電場(chǎng)分量，影響防腐和電場(chǎng)防護(hù)效果。

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Contrastive Analysis of the Performance for Active Shaft Grounding Device in Two Control Modes

Wang Jianxun, Geng Pan, You Qi, Shen Zhiben
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430205，China)

Active shaft grounding device, which can satisfy the demand of antisepsis and electric field defense, is widely used in a ship. On the basis of theoretical derivation, the cause of low frequency shafting current signal is explained in this article. The control theory used by active shaft grounding device is analyzed, including compensation mode based on detection of shafting current and detection of electric potential between shaft and ship shell. The contrastive analysis of the performance in two modes is implemented, and their advantages and disadvantages are pointed out, so as to provide guidance for the design of active shaft grounding device.

antisepsis; electric field defense; active shaft grounding; shaft current; electrical potential between shaft and ship shell

U664.2

A

1003-4862（2015）06-0001-05

2015-02-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào)：51409199)

王建勛（1984-），男，博士，工程師。研究方向：電力系統(tǒng)和電磁防護(hù)。