基于電驅(qū)動鉆機的交流電子負載的研究
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電動鉆機的動態(tài)模擬實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)模擬實驗中為了對電動鉆機動力系統(tǒng)不同的狀態(tài)進行模擬，需要選擇不同值的阻抗和負荷，但是實驗中一般加載的都是純電阻的負載，不能真實有效地模擬負載特性。而交流電子負載是一種可以模擬真實阻抗的電力電子裝置。交流電子負載是不僅能模擬真實負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，對于非線性負載某些特性也可模擬。電子負載通過控制輸入電流達到模擬各種負載的目的，具有調(diào)節(jié)方便、通用性強、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，特別是交流電子負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載的拓撲，然后提出了一種基于DSP的交流電子負載的控制策略，最后給出了實驗結(jié)果。
2 交流電子負載的拓撲
電動鉆機的動力系統(tǒng)一般是由柴油發(fā)電機組構(gòu)成，它們的輸出端并接在同一個交流母線上。
圖1給出了交流電子負載主電路的拓撲。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)可以實現(xiàn)4象限運行，能量可以雙向流動。負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，可以改變電子負載輸入端口ab的等效阻抗，實現(xiàn)模擬不同大小、不同性質(zhì)的負載。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 負載特性模擬控制策略
如圖2所示，負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)實現(xiàn)電感電流對基準電流的實時跟蹤。通過改變基準電流給定相位θ，可調(diào)節(jié)電感電流IL1與輸入電壓US之間的相位，實現(xiàn)模擬不同功率因數(shù)(變化范圍為一l～+1)負載的功能，而通過調(diào)節(jié)基準電流給定幅值A(chǔ)改變所模擬的負載。通過外部的顯示和鍵盤接口設(shè)定工作模式、負載大小及功率因數(shù)，經(jīng)過運算可得到基準電流幅值A(chǔ)和相位。
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