基于電驅(qū)動鉆機(jī)的交流電子負(fù)載的研究

1 引言
    電動鉆機(jī)的動態(tài)模擬實(shí)驗是研究和檢驗自動送鉆系統(tǒng)的動力以及其他一些自動裝置的重要手段。動態(tài)模擬實(shí)驗中為了對電動鉆機(jī)動力系統(tǒng)不同的狀態(tài)進(jìn)行模擬，需要選擇不同值的阻抗和負(fù)荷，但是實(shí)驗中一般加載的都是純電阻的負(fù)載，不能真實(shí)有效地模擬負(fù)載特性。而交流電子負(fù)載是一種可以模擬真實(shí)阻抗的電力電子裝置。交流電子負(fù)載是不僅能模擬真實(shí)負(fù)載某些特性的電子設(shè)備，還可以模擬不同數(shù)值的電阻、電感、電容及其組合，對于非線性負(fù)載某些特性也可模擬。電子負(fù)載通過控制輸入電流達(dá)到模擬各種負(fù)載的目的，具有調(diào)節(jié)方便、通用性強(qiáng)、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，特別是交流電子負(fù)載還可將被試電能以單位功率因數(shù)回饋給電網(wǎng)，可大大節(jié)約電能，在能源短缺的今天有很好的發(fā)展前景。
    首先介紹了交流電子負(fù)載的拓?fù)洌缓筇岢隽艘环N基于DSP的交流電子負(fù)載的控制策略，最后給出了實(shí)驗結(jié)果。

2 交流電子負(fù)載的拓?fù)?br />    電動鉆機(jī)的動力系統(tǒng)一般是由柴油發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，它們的輸出端并接在同一個交流母線上。
    圖1給出了交流電子負(fù)載主電路的拓?fù)?。主電路采用具有中間直流環(huán)節(jié)的AC/DC/AC兩級變換電路，這樣能夠分開控制電子負(fù)載的輸入、輸出電流，及使輸入、輸出工作于不同頻率。其輸入、輸出變流器均采用電壓型PWM整流器，前級PWM整流器經(jīng)電感L1被試電源構(gòu)成負(fù)載特性模擬部分；后級PWM整流器經(jīng)電感L2和變壓器T1柴油發(fā)電機(jī)組的交流母線(或電網(wǎng))構(gòu)成能量回饋部分。

    通過直接控制交流側(cè)電感電流，電壓型PWM整流器(VSR)可以實(shí)現(xiàn)4象限運(yùn)行，能量可以雙向流動。負(fù)載特性模擬部分工作在AC/DC狀態(tài)，采用單一的電流瞬時值控制方式，通過控制電感電流IL1。的幅值以及與輸入電壓US之間的相位，可以改變電子負(fù)載輸入端口ab的等效阻抗，實(shí)現(xiàn)模擬不同大小、不同性質(zhì)的負(fù)載。能量回饋部分工作在DC／AC狀態(tài)，采用雙閉環(huán)控制輸出網(wǎng)側(cè)電流IL2的大小、波形及直流側(cè)母線電壓，工作在并網(wǎng)逆變狀態(tài)，以單位功率因數(shù)將被試電能回饋電網(wǎng)。

3 控制方法
3．1 負(fù)載特性模擬控制策略
    如圖2所示，負(fù)載特性模擬部分為電流單環(huán)控制。首先采樣交流輸入電壓，經(jīng)過過零檢測電路后產(chǎn)生的方波信號送入DSP的捕獲口(CAP)作為相位同步信號。DSP內(nèi)部通過軟件生成一個與交流輸入電壓同頻率且相位、幅值可調(diào)的正弦基準(zhǔn)電流信號IREF，通過D／A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出。采用滯環(huán)電流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)電感電流對基準(zhǔn)電流的實(shí)時跟蹤。通過改變基準(zhǔn)電流給定相位θ，可調(diào)節(jié)電感電流IL1與輸入電壓US之間的相位，實(shí)現(xiàn)模擬不同功率因數(shù)(變化范圍為一l～+1)負(fù)載的功能，而通過調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電流給定幅值A(chǔ)改變所模擬的負(fù)載。通過外部的顯示和鍵盤接口設(shè)定工作模式、負(fù)載大小及功率因數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算可得到基準(zhǔn)電流幅值A(chǔ)和相位。

3．2 能量回饋控制策略
    能量回饋部分采用電壓電流雙閉環(huán)控制，如圖3所示，通過DSP的數(shù)模轉(zhuǎn)換器采樣支流母線電壓，與基準(zhǔn)電壓相比較，經(jīng)過比例積分環(huán)節(jié)(PI)，其輸出作為內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)的幅值。由過零檢測電路和CAP完成基準(zhǔn)信號與交流母線(或電網(wǎng))電壓相位同步的功能，電流內(nèi)環(huán)采用三態(tài)滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)電感電流對基準(zhǔn)電流的實(shí)時跟蹤。能量回饋部分在保持直流母線電壓穩(wěn)定的同時，將負(fù)載模擬部分輸送過來的電能以單位功率因數(shù)反饋電網(wǎng)。由于直流母線電壓含有兩倍基波頻率的脈動，采樣后需要經(jīng)過一級低通濾波環(huán)節(jié)(LPF)。

    前后兩級中的滯環(huán)電流控制部分均由模擬電路實(shí)現(xiàn)，虛線框中的功能由DSP實(shí)現(xiàn)，為一種數(shù)模混合型的控制系統(tǒng)。通過公用電感電流基準(zhǔn)信號，可方便實(shí)現(xiàn)多個電子負(fù)載模塊的并聯(lián)運(yùn)行，從而更加靈活配置整個系統(tǒng)的容量。可采用上位機(jī)通過RS232通訊接口分配各并聯(lián)電子負(fù)載的工作參數(shù)，監(jiān)控整個測試過程。提高檢測的自動化程度，減少人力成本。

4 實(shí)驗結(jié)果
    在輸入交流電壓為120 V／45 Hz時，測試了模擬不同功率因數(shù)負(fù)載的情況。圖4(a)為模擬阻性負(fù)載的情況，電感電流IL1和輸入電壓US同相。圖4(b)中顯示了模擬功率因數(shù)為0．75的感性負(fù)載的情況，電感電流滯后輸入電壓41°．通過改變基準(zhǔn)電流IREF的相位即可以控制電感電流的相位。圖4(c)、(d)分別顯示了電感電流與輸入電壓相位相差±30°。實(shí)現(xiàn)了模擬阻性、感性和容性負(fù)載。

5 結(jié)語
    基于電動鉆機(jī)測控系統(tǒng)動態(tài)模擬實(shí)驗，提出一種基于DSP的數(shù)模混合型交流電子負(fù)載控制方案。該方案能夠完全模擬不同性質(zhì)的負(fù)載特性，并將柴油發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能回饋交流母線(或電網(wǎng))，與傳統(tǒng)負(fù)載比具有節(jié)能，使用方便等特點(diǎn)。