基于电驱动钻机的交流电子负载的研究

1 引言
    电动钻机的动态模拟实验是研究和检验自动送钻系统的动力以及其他一些自动装置的重要手段。动态模拟实验中为了对电动钻机动力系统不同的状态进行模拟，需要选择不同值的阻抗和负荷，但是实验中一般加载的都是纯电阻的负载，不能真实有效地模拟负载特性。而交流电子负载是一种可以模拟真实阻抗的电力电子装置。交流电子负载是不仅能模拟真实负载某些特性的电子设备，还可以模拟不同数值的电阻、电感、电容及其组合，对于非线性负载某些特性也可模拟。电子负载通过控制输入电流达到模拟各种负载的目的，具有调节方便、通用性强、精度高、稳定性好等优点，特别是交流电子负载还可将被试电能以单位功率因数回馈给电网，可大大节约电能，在能源短缺的今天有很好的发展前景。
    首先介绍了交流电子负载的拓扑，然后提出了一种基于DSP的交流电子负载的控制策略，最后给出了实验结果。

2 交流电子负载的拓扑
    电动钻机的动力系统一般是由柴油发电机组构成，它们的输出端并接在同一个交流母线上。
    图1给出了交流电子负载主电路的拓扑。主电路采用具有中间直流环节的AC/DC/AC两级变换电路，这样能够分开控制电子负载的输入、输出电流，及使输入、输出工作于不同频率。其输入、输出变流器均采用电压型PWM整流器，前级PWM整流器经电感L1被试电源构成负载特性模拟部分；后级PWM整流器经电感L2和变压器T1柴油发电机组的交流母线(或电网)构成能量回馈部分。

    通过直接控制交流侧电感电流，电压型PWM整流器(VSR)可以实现4象限运行，能量可以双向流动。负载特性模拟部分工作在AC/DC状态，采用单一的电流瞬时值控制方式，通过控制电感电流IL1。的幅值以及与输入电压US之间的相位，可以改变电子负载输入端口ab的等效阻抗，实现模拟不同大小、不同性质的负载。能量回馈部分工作在DC／AC状态，采用双闭环控制输出网侧电流IL2的大小、波形及直流侧母线电压，工作在并网逆变状态，以单位功率因数将被试电能回馈电网。

3 控制方法
3．1 负载特性模拟控制策略
    如图2所示，负载特性模拟部分为电流单环控制。首先采样交流输入电压，经过过零检测电路后产生的方波信号送入DSP的捕获口(CAP)作为相位同步信号。DSP内部通过软件生成一个与交流输入电压同频率且相位、幅值可调的正弦基准电流信号IREF，通过D／A转换器转换为模拟信号输出。采用滞环电流控制技术实现电感电流对基准电流的实时跟踪。通过改变基准电流给定相位θ，可调节电感电流IL1与输入电压US之间的相位，实现模拟不同功率因数(变化范围为一l～+1)负载的功能，而通过调节基准电流给定幅值A改变所模拟的负载。通过外部的显示和键盘接口设定工作模式、负载大小及功率因数，经过运算可得到基准电流幅值A和相位。

3．2 能量回馈控制策略
    能量回馈部分采用电压电流双闭环控制，如图3所示，通过DSP的数模转换器采样支流母线电压，与基准电压相比较，经过比例积分环节(PI)，其输出作为内环基准的幅值。由过零检测电路和CAP完成基准信号与交流母线(或电网)电压相位同步的功能，电流内环采用三态滞环控制实现电感电流对基准电流的实时跟踪。能量回馈部分在保持直流母线电压稳定的同时，将负载模拟部分输送过来的电能以单位功率因数反馈电网。由于直流母线电压含有两倍基波频率的脉动，采样后需要经过一级低通滤波环节(LPF)。

    前后两级中的滞环电流控制部分均由模拟电路实现，虚线框中的功能由DSP实现，为一种数模混合型的控制系统。通过公用电感电流基准信号，可方便实现多个电子负载模块的并联运行，从而更加灵活配置整个系统的容量。可采用上位机通过RS232通讯接口分配各并联电子负载的工作参数，监控整个测试过程。提高检测的自动化程度，减少人力成本。

4 实验结果
    在输入交流电压为120 V／45 Hz时，测试了模拟不同功率因数负载的情况。图4(a)为模拟阻性负载的情况，电感电流IL1和输入电压US同相。图4(b)中显示了模拟功率因数为0．75的感性负载的情况，电感电流滞后输入电压41°．通过改变基准电流IREF的相位即可以控制电感电流的相位。图4(c)、(d)分别显示了电感电流与输入电压相位相差±30°。实现了模拟阻性、感性和容性负载。

5 结语
    基于电动钻机测控系统动态模拟实验，提出一种基于DSP的数模混合型交流电子负载控制方案。该方案能够完全模拟不同性质的负载特性，并将柴油发电机组发出的电能回馈交流母线(或电网)，与传统负载比具有节能，使用方便等特点。