艦船極低頻電場防護系統的改進與研究*

韓 正 王向軍 劉德紅

(海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

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艦船極低頻電場防護系統的改進與研究*

韓 正 王向軍 劉德紅

(海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033)

論文闡述了艦船極低頻磁場特性的產生機理及防護技術,為了抑制艦船在海水中行駛時所產生的極低頻電場信號,利用主動軸接地系統的電場防護方法,結合數字信號處理芯片,提出了抑制艦船極低頻電場產生的改進型控制方案。

極低頻電場; 防護方法; 控制方案

Class Number P319.1

1 艦船極低頻電磁場的形成

眾所周知,艦船是由不同種類的金屬材料制作而成,不同的金屬其化學特性不同導致在海水中將形成不同的電位。因此,當船體局部之間金屬材料不同時,因為海水作為天然的導體而在海水中形成回路,并且產生電化學腐蝕作用。為防止腐蝕的發生,艦船普遍安裝犧牲陽極(SCP)或外加電流陰極保護(ICCP)裝置,這兩種防腐系統均會在海水里產生電流[1]。腐蝕產生的電流與采用陰極保護系統外加的電流,都從船殼經海水流向螺旋槳,然后通過軸系間的機械結構從螺旋槳返回到船殼。由于軸與軸系等機械結構間的接觸電阻將隨軸的轉動而發生周期性的變化,從而造成海水中的電流也隨之脈動,該脈動電流在海水中產生的電場以諧波的形式向外傳播,從而形成了艦船極低頻電場[2]。

2 電場防護系統

傳統的電場防護系統主要包括被動軸接地系統和主動軸接地系統。在理想情況下,隔離轉動軸可以達到消除電場作用,但是由于轉動軸和螺旋槳的腐蝕等其他因素,轉動軸必須采用接地裝置[3]。如圖1所示,被動軸接地系統是通過一組電刷和集電環將轉軸與船殼相連[4],利用接地電刷的低阻抗避免了軸承阻抗的波動,從而消減極低頻電場,但是該系統可靠性較差。主動軸接地系統是在軸承阻抗增大的瞬間,利用電子電路將轉動軸接地,如圖2所示。

圖1 被動軸接地系統

圖2 主動軸接地系統

忽略不計主動軸接地系統中的反饋特性,同時假設Rb的值很大。在未使用主動軸接地系統時,轉動軸與船體間電壓較大,軸殼之間海水的阻抗壓降很小。主動軸接地系統工作時,高的Vsh值可以驅動電源輸出更高的iASG電流值,導致轉動軸中電流變大,從而使Vsh變小;反之,當轉動軸電流大而Vsh小時,電流iASG減小,相應的轉動軸中電流減小,因而減小極低頻電場。

3 數字信號處理芯片的簡介

早期的信號處理主要是模擬信號處理,利用不同電阻、電容組成的運算放大電路來實現,顯而易見的問題是穩定性、靈活性差,修改參數麻煩,而且易受周圍環境變化的影響而導致處理結果的不準確。而數字信號處理可以通過軟件修改處理參數,因此具有很大的靈活性。由于數字電路中只有二值邏輯,當環境溫度、電路噪聲的變化不能改變電路邏輯翻轉時,數字電路都可以完成工作,穩定性明顯高于模擬電路。基于在信號處理上面數字信號處理的顯著優勢,針對數字信號處理的要求,數字信號處理芯片DSP應運而生。

TMS320C2000系列DSP控制器具有強大的性能,能夠實現復雜的控制算法。其芯片集成了Flash存儲器、高速A/D轉換器、增強型CAN模塊、事件管理器、正交編碼電路接口、多通道緩沖串口等外設,主要在數字化控制中應用[5～7]。其中C28x系列是目前數字控制領域中性能最高的芯片,這種芯片的特點是采用32位的浮點DSP核,其內含閃存和高達150MIPS的數字信號處理器,針對工業自動化領域而設計。32位的C28xDSP整合了DSP和微控制器的最佳性能,能夠在一個周期內完成32×32位的乘法累加運算,并且可以在一個周期內對任何內存地址完成讀取、修改和寫入的操作。此外,該系列DSP還提供多種自動指令,提高了程序的執行效率,簡化了程序的開發。圖3所示為一個完整的DSP系統框圖。

圖3 DSP系統

4 改進型控制方案

傳統的主動軸接地系統利用電子電路將轉動軸接地,其實質是在轉動軸電流變化的瞬間施加一個反向電流,從而保持軸電流的穩定,實現對極低頻電場的抑制作用[8]。然而在軸電流、電壓的檢測以及信號處理上,由于不同電阻、電容組成的模擬信號處理電路存在易受環境影響的缺點,不能達到理想的抑制效果,缺乏可靠性。圖4所示為改進型接地系統控制方案。圖中虛線部分為簡化的DSP為控制單元的示意圖,未進行標記的為轉動軸與船殼間調制腐蝕電流的等效圖;Rw為螺旋槳與經海水接觸后導通的電阻;Vw為腐蝕電壓;Rb1為電源電刷的電阻;Rb2為測量電刷的電阻;Rb為軸與軸系機械結構之間的接觸電阻,其值隨轉動軸的變化而產生周期性的變化[9～10]。

圖4 改進型接地系統控制方案

改進后的接地系統基本工作原理如下:通過分別檢測轉動軸中的電流和軸-殼間的電壓,經過電流、電壓控制器將信號由模擬信號變換成數字信號送至DSP控制單元,通過DSP的控制單元的數字信號處理后產生相應的PWM脈沖,驅動電源產生抑制電流Io,該電流可消除大軸電流的波動,達到抑制極低頻電場的效果。

5 結語

基于數字信號處理技術進行改進的電場防護系統,雖然存在DSP芯片結構復雜,成本較高的問題,但是DSP強大的數據處理能力及明顯的速度優勢可以大大提高系統的精度和實時性,分析表明,通過DSP控制的電場防護系統具有穩定快、抗干擾性強的特點,可以快速有效地抑制極低頻電場的產生。

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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

韓正,男,碩士研究生,研究方向:電磁環境與防護技術。王向軍,男,博士,教授,碩士生導師,研究方向:電磁環境與防護技術。劉德紅,男,博士,講師,研究方向:電磁環境與防護技術。

P319.1

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.041