王建勋，耿 攀，尤 琪，沈志奔

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205)

两种控制方式下主动轴接地装置的性能对比分析

王建勋，耿 攀，尤 琪，沈志奔

(武汉第二船舶设计研究所，武汉 430205)

可满足防腐和电场防护要求的主动轴接地装置已在舰船上得到了广泛应用。本文在理论推导的基础上解释了舰船轴系低频电流信号产生原因，分析了主动轴接地装置采用的基于检测轴电流补偿和基于检测轴—船体电势补偿两种控制方式的原理，并对两种方式进行性能对比分析，指出两种方式的优缺点，以指导主动轴接地装置设计。

防腐 电场防护 主动轴接地 轴电流 轴—船体电势

0 引言

众所周知，轴与船体的电势差会引起轴颈和轴套的电化学腐蚀，影响轴的工作强度和使用寿命，一般认为轴与船体的电势差小于一定值时（一般认为是50 mV）对主轴承等是无害的[1-2]。轴接地装置的作用之一就是将轴与船体之间形成的电势差释放，使轴与船体的电势差维持在一定值以下，从而保证在主机工作时起到电化防腐的作用。轴接地装置的另一作用来自于电场防护需要。由于轴系在运转过程中，受到油膜厚度变化、轴承温升、船体变形和海情变化等因素的影响，轴系因负荷和应力的变化而存在一定的变形，在轴系转动时，轴与轴承等机械结构间的接触电阻将以轴的旋转频率呈周期性变化，所以阴极保护系统产生的流经主轴的防腐电流会呈周期性变化[3-5]。这个周期性变化的电流将会产生低频电场，该电场在海水中能够传播到很远的距离而成为舰船的一个重要目标特性[6-7]。轴接地装置的另一作用就是使大轴电流中的低频成分为0，以消除低频电场特征。

国际上普遍采用被动轴接地装置（无源轴接地装置，PSG）和主动轴接地装置（有源轴接地装置，ASG）两种方式来实现轴接地。被动轴接地装置利用电刷和滑环将轴直接连接到船体上，以保证轴转动时其与船体之间的电阻保持在很小的状态。被动轴接地装置降低轴与船体电势差的能力有限，也不能消除所有的低频成分，在维护不良时，电刷和滑动环装置还会随时间严重恶化而失效。主动轴接地装置是一种更为有效地控制轴电流和轴与船体电势差的装置，这种装置基于电气或电子设备实现，装置通过测定大轴电流[8]或轴与船体间电势差[3-5]的变化，利用电刷和滑环向大轴中注入与其成正比的电流以补偿轴—船体间电阻的变化。主动轴接地装置的应用效果要优于被动轴接地装置，并且该装置对维护保养的要求不是很高。

本文主要从电工学的角度，基于电路知识分析轴电流中低频信号产生的数学原理，并对普遍采用的主动轴接地装置开展性能分析，对比其在采用两种不同控制方式下的补偿效果，以给出主动轴接地装置的设计建议。

1 低频信号产生过程的理论推导

图1 低频信号产生的原理示意(以防腐电流为例)

低频信号由流经大轴的腐蚀电流和防腐电流产生，其产生原理示意如图1所示。图示说明，阴极保护系统通过辅助阳极向海水中输出的防腐电流会流经海水、螺旋桨、轴和轴承部分最终回到船体，以对船体进行腐蚀防护。在该回路中，轴与轴承等机械结构间的接触电阻会发生周期性变化，使得流经轴的电流含有以旋转轴频率为基频的交流分量。其等效电路如图2所示。

图2 低频信号产生过程的等效电路图

图2中，Up为阴极保护系统电源输出电压，Ra为辅助阳极与海水之间的接触接水电阻；Rc为辅助阳极到螺旋桨之间的海水电阻；Rd为螺旋桨与海水之间的接触电阻；Rb为螺旋桨与轴承之间轴部分的电阻；RB为轴和船体之间的接触电阻；Rf为船体电阻。

为简化分析，假设轴—船体电阻按正弦规律变化，且只有一个频率分量；而主动轴接地装置为理想的可控电流源，无内阻。对轴承处以外的部分均可进行戴维南等效变换，在加入主动轴接地装置后，可得图3所示电路。

图3 含主动轴接地装置的戴维南等效电路图

图3中，R0为轴承处以外的部分电路的等效电阻，Udc为轴承处以外的部分电路的等效电压，ishaft为轴电流，iASG为主动轴接地装置也即可控电流源的输出电流，iB为轴—船体支路的电流，RB(1-sinωt)为轴—船体接触电阻，其中ω=2πf=2πn/60，n为轴的转速。根据基尔霍夫定律，图3示电路满足如下关系式：

式中：RB=RBmax/2，为轴—船体接触电阻最大值的一半。

假若iASG=0，由式（1）可得无轴接地装置时轴—船体支路电流为：

式（3）说明，在未安装轴接地装置时，由于轴—船体支路电阻的波动，大轴电流中将含有ω、2ω、…分量，各频率分量所占份额随频率的上升逐渐减小。轴电流各分量大小与等效电压（或电流）、轴—船体支路电阻、除轴-船体支路部分外电路的等效电阻、以及两部分电阻的相对大小有关。在已知电路参数时，可利用式（3）估算轴电流中各成分大小。

2 主动轴接地装置控制原理

基于检测电流ishaft的控制，用测量得到的轴电流ishaft来驱动控制可控电流源产生同样大小的电流，以保证电流不流经轴—船体支路。基于检测轴与船体之间电压uB的控制，将测量得到的轴与船体间电势差uB放大后用来驱动控制可控电流源产生高电流。高的uB值将能驱动电源输出更大的电流iASG，导致转轴电流ishaft增加，uB降低；反之，当uB低时，电流iASG减小，转轴电流ishaft减小。两种方式都能消除转轴中电流的起伏，从而减小因转轴旋转产生的低频电场。对两者的数学原理进行推导如下：

1）基于检测电流ishaft的控制

令iASG=αishaft，代入式（1）可得轴—船体支路的电流iB的表达式为：

当α=1时，有λ=0，iB=0，ishaft=Udc/R0，此时轴与船体的电压uB能保证为0，ishaft也仅有直流分量。

2）基于检测轴与船体之间电压uB的控制

令iASG=βUB=βRBiB(1-sinωt )，代入式（1）可得：

若需满足uB=iB=0，必须有β=∞，此时轴电流同样满足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变电阻[9]，等效电路参数设置为：Udc=2 V ，R0=0.1Ω，RB=0.05Ω，f=2 Hz 。首先分析两种控制方式下的补偿效果，分两种情况：a）理想情况下，取α=1，β=108，实际中无法取值无穷大数，所以在这里β只能取有限大值；b）非理想情况下，考虑输出电流误差和系数取值有限的可能性，取α=0.95，β=103。

由图4中的补偿前波形可以看出，大轴电流中除含有直流分量外，还含有交流波动部分，根据傅里叶分解的结果可以看出，交流分量为2 Hz、4 Hz、6 Hz、…分量等，与理论推导的ω、2ω、…分量相符。不难看出，高次谐波电流随频率的增大衰减很快，一般只需要考虑基频分量和二次分量即可。在本算例情况下，基频分量和二次谐波分量与直流分量相比分别占20%和5%左右，低频分量所占比例会受到可变电阻和固定电阻之间相对大小的影响。

对比两种补偿方式，在理想情况下，可以看出基于检测电流的控制方式能实现无差补偿，轴—船体之间的电势差和轴电流中的交流部分均为0，同时满足了防腐和电场防护要求。基于检测电压的控制方式对电流基本也能实现无差补偿，但因为在实际运行中无法取到完全符合理想情况的正无穷，所以存在一定的轴—船体残压，但该残压较小，所以也能同时满足防腐和电场防护要求。在非理想情况下，若输出电流存在误差，轴—船体电压以及轴电流为有差补偿，所以交流分量无法完全消除。粗略比较可知，基于检测电压的控制方式在提高补偿效果方面花费的代价较小。

图4 两种控制方式下的补偿效果

图5 两种控制方式下补偿精度的对比

实际应用中电流补偿比不可能理想化，其会受到电流传感器精度和主动轴接地装置控制精度的影响，放大系数受到器件的性能影响也只能取有限值。为比较两种控制方式受实际工程应用各因素的影响，以补偿后轴电流低频分量相对未补偿前下降的百分比，以及轴与船体之间的电势差作为评价指标，在基于检测电流控制方式下研究其随输出电流误差的变化规律，在基于检测电压控制方式下研究其随放大系数的变化规律，根据式(4)～(9)进行计算分析，可得到图5所示结果。

由图5所示结果可以看出，基于检测电流的控制方式对输出电流精度的要求非常高，为同时满足防腐和电场防护要求，输出电流误差应满足小于2%；对于基于检测电压的控制方式，放大系数取值达到10的四次方时，能同时满足防腐和电场防护要求。比较而言，采用基于检测电压的控制方式更容易满足指标性能。实际工程应用中，根据固定电阻和可变电阻的比例大小，可进行放大系数的优选。

值得注意的是，两种控制方式都存在同一问题，即在实现轴接地的过程中，轴电流均将上升，这对船体腐蚀防护和静电场的特征减少来说是不利的。为满足更高要求，需要主动轴接地装置和阴极保护系统的控制器进行协调控制。

4 结论和展望

1）由于轴与船体之间接触电阻的交变，轴电流中会产生以旋转轴频率为基频的交流分量，这些分量中以基频和二次分量为主要成分，其含量由该交变电阻与等效电路中固定电阻的比例决定；

2）对于基于轴电流检测控制的主动轴接地装置，虽然其从理论上可以实现电压和电流无差补偿，但其对电流传感器的检测精度和主动轴接地装置输出电流控制的精度要求较高，工程实现不易；

3）对于基于轴与船体之间电压检测控制的主动轴接地装置，虽然其从理论上无法实现电压和电流无差补偿，但其对检测和控制的精度要求较低，只要放大系数能够大于一定值就可满足一定要求，工程实现较为简单；

4）本文所提计算模型可用来进行基于轴与船体之间电压检测控制的放大系数优选，对指导主动轴接地装置设计具有参考借鉴意义。

主动轴接地装置作为一种用以产生频率较低电流的可控电流源，需要其能输出低电压、大电流。根据供电方式和实现过程，可采用多种形式的电路，如基于电力电子变换技术的整流电路、逆变电路或者斩波电路等。但不管怎样，主动轴接地装置作为补偿装置，其自身产生的谐波不能大，否则会增加新的交流电场分量，影响防腐和电场防护效果。

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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

国家自然科学基金(批准号：51409199)

王建勋（1984-），男，博士，工程师。研究方向：电力系统和电磁防护。