舰船极低频电场防护系统的改进与研究*

韩 正 王向军 刘德红

(海军工程大学电气工程学院 武汉 430033)



舰船极低频电场防护系统的改进与研究*

韩 正 王向军 刘德红

(海军工程大学电气工程学院 武汉 430033)

论文阐述了舰船极低频磁场特性的产生机理及防护技术,为了抑制舰船在海水中行驶时所产生的极低频电场信号,利用主动轴接地系统的电场防护方法,结合数字信号处理芯片,提出了抑制舰船极低频电场产生的改进型控制方案。

极低频电场; 防护方法; 控制方案

Class Number P319.1

1 舰船极低频电磁场的形成

众所周知,舰船是由不同种类的金属材料制作而成,不同的金属其化学特性不同导致在海水中将形成不同的电位。因此,当船体局部之间金属材料不同时,因为海水作为天然的导体而在海水中形成回路,并且产生电化学腐蚀作用。为防止腐蚀的发生,舰船普遍安装牺牲阳极(SCP)或外加电流阴极保护(ICCP)装置,这两种防腐系统均会在海水里产生电流[1]。腐蚀产生的电流与采用阴极保护系统外加的电流,都从船壳经海水流向螺旋桨,然后通过轴系间的机械结构从螺旋桨返回到船壳。由于轴与轴系等机械结构间的接触电阻将随轴的转动而发生周期性的变化,从而造成海水中的电流也随之脉动,该脉动电流在海水中产生的电场以谐波的形式向外传播,从而形成了舰船极低频电场[2]。

2 电场防护系统

传统的电场防护系统主要包括被动轴接地系统和主动轴接地系统。在理想情况下,隔离转动轴可以达到消除电场作用,但是由于转动轴和螺旋桨的腐蚀等其他因素,转动轴必须采用接地装置[3]。如图1所示,被动轴接地系统是通过一组电刷和集电环将转轴与船壳相连[4],利用接地电刷的低阻抗避免了轴承阻抗的波动,从而消减极低频电场,但是该系统可靠性较差。主动轴接地系统是在轴承阻抗增大的瞬间,利用电子电路将转动轴接地,如图2所示。

图1 被动轴接地系统

图2 主动轴接地系统

忽略不计主动轴接地系统中的反馈特性,同时假设Rb的值很大。在未使用主动轴接地系统时,转动轴与船体间电压较大,轴壳之间海水的阻抗压降很小。主动轴接地系统工作时,高的Vsh值可以驱动电源输出更高的iASG电流值,导致转动轴中电流变大,从而使Vsh变小;反之,当转动轴电流大而Vsh小时,电流iASG减小,相应的转动轴中电流减小,因而减小极低频电场。

3 数字信号处理芯片的简介

早期的信号处理主要是模拟信号处理,利用不同电阻、电容组成的运算放大电路来实现,显而易见的问题是稳定性、灵活性差,修改参数麻烦,而且易受周围环境变化的影响而导致处理结果的不准确。而数字信号处理可以通过软件修改处理参数,因此具有很大的灵活性。由于数字电路中只有二值逻辑,当环境温度、电路噪声的变化不能改变电路逻辑翻转时,数字电路都可以完成工作,稳定性明显高于模拟电路。基于在信号处理上面数字信号处理的显著优势,针对数字信号处理的要求,数字信号处理芯片DSP应运而生。

TMS320C2000系列DSP控制器具有强大的性能,能够实现复杂的控制算法。其芯片集成了Flash存储器、高速A/D转换器、增强型CAN模块、事件管理器、正交编码电路接口、多通道缓冲串口等外设,主要在数字化控制中应用[5～7]。其中C28x系列是目前数字控制领域中性能最高的芯片,这种芯片的特点是采用32位的浮点DSP核,其内含闪存和高达150MIPS的数字信号处理器,针对工业自动化领域而设计。32位的C28xDSP整合了DSP和微控制器的最佳性能,能够在一个周期内完成32×32位的乘法累加运算,并且可以在一个周期内对任何内存地址完成读取、修改和写入的操作。此外,该系列DSP还提供多种自动指令,提高了程序的执行效率,简化了程序的开发。图3所示为一个完整的DSP系统框图。

图3 DSP系统

4 改进型控制方案

传统的主动轴接地系统利用电子电路将转动轴接地,其实质是在转动轴电流变化的瞬间施加一个反向电流,从而保持轴电流的稳定,实现对极低频电场的抑制作用[8]。然而在轴电流、电压的检测以及信号处理上,由于不同电阻、电容组成的模拟信号处理电路存在易受环境影响的缺点,不能达到理想的抑制效果,缺乏可靠性。图4所示为改进型接地系统控制方案。图中虚线部分为简化的DSP为控制单元的示意图,未进行标记的为转动轴与船壳间调制腐蚀电流的等效图;Rw为螺旋桨与经海水接触后导通的电阻;Vw为腐蚀电压;Rb1为电源电刷的电阻;Rb2为测量电刷的电阻;Rb为轴与轴系机械结构之间的接触电阻,其值随转动轴的变化而产生周期性的变化[9～10]。

图4 改进型接地系统控制方案

改进后的接地系统基本工作原理如下:通过分别检测转动轴中的电流和轴-壳间的电压,经过电流、电压控制器将信号由模拟信号变换成数字信号送至DSP控制单元,通过DSP的控制单元的数字信号处理后产生相应的PWM脉冲,驱动电源产生抑制电流Io,该电流可消除大轴电流的波动,达到抑制极低频电场的效果。

5 结语

基于数字信号处理技术进行改进的电场防护系统,虽然存在DSP芯片结构复杂,成本较高的问题,但是DSP强大的数据处理能力及明显的速度优势可以大大提高系统的精度和实时性,分析表明,通过DSP控制的电场防护系统具有稳定快、抗干扰性强的特点,可以快速有效地抑制极低频电场的产生。

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Improvement and Research of Ship ELF Electric Protection System

HAN Zheng WANG Xiangjun LIU Dehong

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

This paper describes the characteristics of the ship ELF magnetic field generation mechanism and protection technology. In order to suppress the extremely low frequency electric signal when the ship traveling in seawater, generated by the use of electric drive shaft grounding system protection methods, combined with digital signal processing chip, improved control scheme is put forward to suppress the extremely low frequency electric field generated by the ship.

extremely low frequency electronic fields, protection methods, control scheme

2015年6月4日,

2015年7月28日

韩正,男,硕士研究生,研究方向:电磁环境与防护技术。王向军,男,博士,教授,硕士生导师,研究方向:电磁环境与防护技术。刘德红,男,博士,讲师,研究方向:电磁环境与防护技术。

P319.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.041