兩種控制方式下主動軸接地裝置的性能對比分析

王建勛，耿 攀，尤 琪，沈志奔

(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205)

兩種控制方式下主動軸接地裝置的性能對比分析

王建勛，耿 攀，尤 琪，沈志奔

(武漢第二船舶設計研究所，武漢 430205)

可滿足防腐和電場防護要求的主動軸接地裝置已在艦船上得到了廣泛應用。本文在理論推導的基礎上解釋了艦船軸系低頻電流信號產生原因，分析了主動軸接地裝置采用的基于檢測軸電流補償和基于檢測軸—船體電勢補償兩種控制方式的原理，并對兩種方式進行性能對比分析，指出兩種方式的優缺點，以指導主動軸接地裝置設計。

防腐 電場防護 主動軸接地 軸電流 軸—船體電勢

0 引言

眾所周知，軸與船體的電勢差會引起軸頸和軸套的電化學腐蝕，影響軸的工作強度和使用壽命，一般認為軸與船體的電勢差小于一定值時（一般認為是50 mV）對主軸承等是無害的[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差釋放，使軸與船體的電勢差維持在一定值以下，從而保證在主機工作時起到電化防腐的作用。軸接地裝置的另一作用來自于電場防護需要。由于軸系在運轉過程中，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，軸系因負荷和應力的變化而存在一定的變形，在軸系轉動時，軸與軸承等機械結構間的接觸電阻將以軸的旋轉頻率呈周期性變化，所以陰極保護系統產生的流經主軸的防腐電流會呈周期性變化[3-5]。這個周期性變化的電流將會產生低頻電場，該電場在海水中能夠傳播到很遠的距離而成為艦船的一個重要目標特性[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，以消除低頻電場特征。

國際上普遍采用被動軸接地裝置（無源軸接地裝置，PSG）和主動軸接地裝置（有源軸接地裝置，ASG）兩種方式來實現軸接地。被動軸接地裝置利用電刷和滑環將軸直接連接到船體上，以保證軸轉動時其與船體之間的電阻保持在很小的狀態。被動軸接地裝置降低軸與船體電勢差的能力有限，也不能消除所有的低頻成分，在維護不良時，電刷和滑動環裝置還會隨時間嚴重惡化而失效。主動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差的裝置，這種裝置基于電氣或電子設備實現，裝置通過測定大軸電流[8]或軸與船體間電勢差[3-5]的變化，利用電刷和滑環向大軸中注入與其成正比的電流以補償軸—船體間電阻的變化。主動軸接地裝置的應用效果要優于被動軸接地裝置，并且該裝置對維護保養的要求不是很高。

本文主要從電工學的角度，基于電路知識分析軸電流中低頻信號產生的數學原理，并對普遍采用的主動軸接地裝置開展性能分析，對比其在采用兩種不同控制方式下的補償效果，以給出主動軸接地裝置的設計建議。

1 低頻信號產生過程的理論推導

圖1 低頻信號產生的原理示意(以防腐電流為例)

低頻信號由流經大軸的腐蝕電流和防腐電流產生，其產生原理示意如圖1所示。圖示說明，陰極保護系統通過輔助陽極向海水中輸出的防腐電流會流經海水、螺旋槳、軸和軸承部分最終回到船體，以對船體進行腐蝕防護。在該回路中，軸與軸承等機械結構間的接觸電阻會發生周期性變化，使得流經軸的電流含有以旋轉軸頻率為基頻的交流分量。其等效電路如圖2所示。

圖2 低頻信號產生過程的等效電路圖

圖2中，Up為陰極保護系統電源輸出電壓，Ra為輔助陽極與海水之間的接觸接水電阻；Rc為輔助陽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。

為簡化分析，假設軸—船體電阻按正弦規律變化，且只有一個頻率分量；而主動軸接地裝置為理想的可控電流源，無內阻。對軸承處以外的部分均可進行戴維南等效變換，在加入主動軸接地裝置后，可得圖3所示電路。

圖3 含主動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為軸的轉速。根據基爾霍夫定律，圖3示電路滿足如下關系式：

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）可得無軸接地裝置時軸—船體支路電流為：

式（3）說明，在未安裝軸接地裝置時，由于軸—船體支路電阻的波動，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大小有關。在已知電路參數時，可利用式（3）估算軸電流中各成分大小。

2 主動軸接地裝置控制原理

基于檢測電流ishaft的控制，用測量得到的軸電流ishaft來驅動控制可控電流源產生同樣大小的電流，以保證電流不流經軸—船體支路。基于檢測軸與船體之間電壓uB的控制，將測量得到的軸與船體間電勢差uB放大后用來驅動控制可控電流源產生高電流。高的uB值將能驅動電源輸出更大的電流iASG，導致轉軸電流ishaft增加，uB降低；反之，當uB低時，電流iASG減小，轉軸電流ishaft減小。兩種方式都能消除轉軸中電流的起伏，從而減小因轉軸旋轉產生的低頻電場。對兩者的數學原理進行推導如下：

1）基于檢測電流ishaft的控制

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

當α=1時，有λ=0，iB=0，ishaft=Udc/R0，此時軸與船體的電壓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：

若需滿足uB=iB=0，必須有β=∞，此時軸電流同樣滿足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]，等效電路參數設置為：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償效果，分兩種情況：a）理想情況下，取α=1，β=108，實際中無法取值無窮大數，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取值有限的可能性，取α=0.95，β=103。

由圖4中的補償前波形可以看出，大軸電流中除含有直流分量外，還含有交流波動部分，根據傅里葉分解的結果可以看出，交流分量為2 Hz、4 Hz、6 Hz、…分量等，與理論推導的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受到可變電阻和固定電阻之間相對大小的影響。

對比兩種補償方式，在理想情況下，可以看出基于檢測電流的控制方式能實現無差補償，軸—船體之間的電勢差和軸電流中的交流部分均為0，同時滿足了防腐和電場防護要求。基于檢測電壓的控制方式對電流基本也能實現無差補償，但因為在實際運行中無法取到完全符合理想情況的正無窮，所以存在一定的軸—船體殘壓，但該殘壓較小，所以也能同時滿足防腐和電場防護要求。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償，所以交流分量無法完全消除。粗略比較可知，基于檢測電壓的控制方式在提高補償效果方面花費的代價較小。

圖4 兩種控制方式下的補償效果

圖5 兩種控制方式下補償精度的對比

實際應用中電流補償比不可能理想化，其會受到電流傳感器精度和主動軸接地裝置控制精度的影響，放大系數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際工程應用各因素的影響，以補償后軸電流低頻分量相對未補償前下降的百分比，以及軸與船體之間的電勢差作為評價指標，在基于檢測電流控制方式下研究其隨輸出電流誤差的變化規律，在基于檢測電壓控制方式下研究其隨放大系數的變化規律，根據式(4)～(9)進行計算分析，可得到圖5所示結果。

由圖5所示結果可以看出，基于檢測電流的控制方式對輸出電流精度的要求非常高，為同時滿足防腐和電場防護要求，輸出電流誤差應滿足小于2%；對于基于檢測電壓的控制方式，放大系數取值達到10的四次方時，能同時滿足防腐和電場防護要求。比較而言，采用基于檢測電壓的控制方式更容易滿足指標性能。實際工程應用中，根據固定電阻和可變電阻的比例大小，可進行放大系數的優選。

值得注意的是，兩種控制方式都存在同一問題，即在實現軸接地的過程中，軸電流均將上升，這對船體腐蝕防護和靜電場的特征減少來說是不利的。為滿足更高要求，需要主動軸接地裝置和陰極保護系統的控制器進行協調控制。

4 結論和展望

1）由于軸與船體之間接觸電阻的交變，軸電流中會產生以旋轉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）對于基于軸電流檢測控制的主動軸接地裝置，雖然其從理論上可以實現電壓和電流無差補償，但其對電流傳感器的檢測精度和主動軸接地裝置輸出電流控制的精度要求較高，工程實現不易；

3）對于基于軸與船體之間電壓檢測控制的主動軸接地裝置，雖然其從理論上無法實現電壓和電流無差補償，但其對檢測和控制的精度要求較低，只要放大系數能夠大于一定值就可滿足一定要求，工程實現較為簡單；

4）本文所提計算模型可用來進行基于軸與船體之間電壓檢測控制的放大系數優選，對指導主動軸接地裝置設計具有參考借鑒意義。

主動軸接地裝置作為一種用以產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。根據供電方式和實現過程，可采用多種形式的電路，如基于電力電子變換技術的整流電路、逆變電路或者斬波電路等。但不管怎樣，主動軸接地裝置作為補償裝置，其自身產生的諧波不能大，否則會增加新的交流電場分量，影響防腐和電場防護效果。

[1] 左春寬. 船舶大型主機中間軸接地裝置的工作原理與管理[J]. 世界海運, 2002, 25(6): 34-35.

Zuo Chunkuan. The working principle of shaft grounding device of large engine and its management[J]. World Shipping, 2002, 25(6): 34-35.

[2] 趙立震, 殷志和. 船舶軸接地裝置故障原因分析及改進對策[J]. 中國修船, 2013, 26(3): 23-24.

Zhao Lizhen, Yin Zhihe. Cause analysis and improving countermeasure for equipment of shaft connected to ground[J]. China Ship Repair, 2013, 26(3): 23-24.

[3] 鄭群鎖. 艦船電磁特征信號及其控制[J]. 艦船電子工程, 2006, 26(3): 170-173.

Zheng Qunsuo. Electromagnetic signature and its control of ships[J]. Ship Electronic Engineering, 2006, 26(3): 170-173.

[4] 鄭軍林, 陳新剛, 鄭春兵, 等. 艦船電場隱身技術[J]. 中國艦船研究, 2006, 1(4): 48-51.

Zheng Junlin, Chen Xingang, Zheng Chunbin, et al. Electric field stealth technology of warships [J]. Chinese Journal of ship research, 2006, 1(4): 48-51.

[5] 盧新城, 龔沈光, 劉勝道, 等. 艦船極低頻電場的產生機理及其防護[J]. 海軍工程大學學報, 2003, 15(6): 23-24.

Lu Xincheng, Gong Shenguang, Liu Shengdao, et al. Generation mechanism of ship's ELFE and its protection[J]. Journal of naval university of engineering, 2003, 15(6): 23-24.

[6] 龔沈光. 艦船電場特性初步分析[J]. 海軍工程大學學報, 2008, 20(2): 1-4.

Gong Shenguang. Pilot study of electric field characteristics of warship[J]. Journal of Naval University of Engineering, 2008, 20(2): 1-4.

[7] 毛偉, 周萌, 周耀忠. 淺海中運動時諧垂直電偶極子產生的電磁場[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2010, 31(12): 1580-1586.

Mao Wei, Zhou Meng, Zhpu Yaozhong. EM fields produced by amoving, vertically-directed, time-harmonic dipole in a three-layer medium[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2010, 31(12): 1580-1586.

[8] 楊濤, 張民, 陳聰. 用二次諧波檢測艦船電場的研究[J]. 海軍工程大學學報, 2003, 15(5): 37-40.

Yang Tao, Zhang Min, Chen Cong. Measurement of naval eleetric field by second harmonic generation. Journal of Naval University of Engineering, 2003, 15(5): 37-40.

[9] 王建勛, 劉會金. 間諧波閃變效應計算及閃變源識別方法[J]. 電力系統自動化, 2011, 35(12): 52-58(75).

Wang Jianxun, Liu Huijin. A calculation method for interharmonics-caused flicker and flicker source identification[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(12): 52-58(75).

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

國家自然科學基金(批準號：51409199)

王建勛（1984-），男，博士，工程師。研究方向：電力系統和電磁防護。