鍋爐軟化水設備的供電電源設計

許 麗，王世慶，宋 黎

（成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000）

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)鍋爐的使用率越來越高。一般的鍋爐軟化水的處理過程分為以下幾個步驟：首先，進行水質(zhì)的反洗，從底部洗入，從頂部流出，沖走比較大的雜質(zhì)和顆粒；再注入清洗劑，普遍使用的是鹽，讓鹽水慢速流過罐體底部，這一過程也稱之為吸鹽[1]；接下來進行慢清洗，用原水以同樣的速度把罐體中的鹽沖洗干凈，值得注意的是，這個過程會導致原水中大量的鈣鎂離子被鈉離子代替；為了得到更軟化的水質(zhì)，最后要采取快速沖洗的方法，把罐體中存在的鹽分徹底的沖洗干凈，從而得到理想的水質(zhì)，滿足達標軟水的參數(shù)要求[2]。

天然水中含有鈣、鎂等硬度離子，當這些硬度比較大的離子進入鍋爐中經(jīng)過升溫、升壓濃縮之后就會形成堅硬的水垢，隨著水垢的不斷增加，就會腐蝕鍋爐鋼板，影響鍋爐的使用率。同時燃料的需求量增大，導致鍋爐的使用壽命變低，更為嚴重的是，會給整個鍋爐的操作使用過程帶來危害[3]。

所以鍋爐必須具備去掉這些硬離子的軟化設備，只有軟化水設備正常運行，才能保證鍋爐運行的安全性和經(jīng)濟性。隨著鍋爐的不斷推廣使用，軟化水設備也變得越來越重要，在整個軟化設備的供電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的電路結構簡單，諧波含量高、導致輸出電壓隨負載波動變化大、限制器件使用效率等問題[4]。為了符合鍋爐軟化水設備的執(zhí)行標準，整流器開始采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM），其具備諧波含量低、功率因數(shù)大等特點，與傳統(tǒng)的整流以及相控方式相比較，PWM 控制技術采用的是斬波整流[5]。在整流器的輸入側(cè)采用的是電壓正弦波，無功功率低，對電網(wǎng)幾乎不會產(chǎn)生諧波影響，而且反應速度快，工作效率高。這些特點為鍋爐軟化水設備的反洗、慢沖洗及快沖洗階段都提供了可靠的電力保障。隨著相關領域技術成熟度的不斷提升，PWM 整流技術已經(jīng)應用于越來越多的鍋爐軟化水設備中[6]。國內(nèi)在相關領域的研究起步較晚，但進步較快，在鍋爐軟化水設備中所采用的高性能PWM 整流技術具有重要的研究意義。

1 供電系統(tǒng)控制技術

傳統(tǒng)的軟化水設備中所涉及到的PWM 整流電源實現(xiàn)的核心技術是對電路的直流側(cè)輸出電壓和交流輸入功率因數(shù)的控制，目標是保證電壓的穩(wěn)定或功率因數(shù)盡可能高。從開關邏輯形成的角度來說，PWM 整流電源控制技術主要包括：矢量脈寬調(diào)制，在dq 坐標變換的基礎上，通過對有功電流、無功電流的控制實現(xiàn)對輸入電流的控制[7]。在鍋爐軟化水設備中，電壓型PWM 整流結構相對電流型PWM 整流結構具有更加明顯的優(yōu)勢，所以選擇三相電壓型PWM 整流結構作為所研究的PWM整流電源的主電路拓撲[8]。

在軟化水的過程中，為給設備提供穩(wěn)定持續(xù)的電能，利用矢量空間的坐標變換原理對PWM 整流電源的工作原理進行分析，建立整流電源的數(shù)學模型。其開關頻率遠高于供電的工頻電壓頻率。在建立數(shù)學模型時，可以僅考慮低頻模型。由坐標變換理論，PWM 整流電源的三相變量變?yōu)閮上嘧兞浚瑢⑹箍刂葡到y(tǒng)的設計和分析大為簡化，但dq 坐標系的變量存在耦合，需要解決解耦的問題[9]。SPWM（正弦波PWM 調(diào)制）是利用三相交流電調(diào)制成三相對稱正弦波形，而SVPWM（電壓空間矢量控制PWM 調(diào)制）是利用空間矢量計算的原則，把8 個基本的電壓矢量合成為一個期望的電壓矢量，并根據(jù)矢量狀態(tài)來決定開關管的開關狀態(tài)。這一方法大大提高了電壓利用率，節(jié)約了電能[10]。在鍋爐軟化水設備的使用中，利用SVPWM 技術實現(xiàn)對電能的調(diào)制，要實現(xiàn)SVPWM 首先要判斷電壓矢量區(qū)域，再結合每個矢量的占空比來確定各個基本矢量對應的開關狀態(tài)和作用時間。其中，明確矢量的作用順序是非常關鍵的一個環(huán)節(jié)，如果不合適就會引起大量的諧波以及開關損耗的增加，從而導致軟化水設備無法得到穩(wěn)定持續(xù)的電能，從而影響軟化水的質(zhì)量，也會損耗鍋爐的使用壽命[11]。所以，為了降低諧波含量，降低開關損耗，確定電壓矢量的輸出順序應該遵循以下規(guī)律：

1）在一個采樣周期內(nèi)，矢量輸出次序產(chǎn)生的波形是中心對稱的；

2）每個橋臂的狀態(tài)不能躍變，只能通過插入零矢量來過渡。

對于三相電壓型PWM 整流電源整體上采用經(jīng)典的電壓電流雙閉環(huán)PI 控制算法，外環(huán)為電壓控制，采集到的電壓與給定電壓的偏差經(jīng)過PI 控制單元得到的輸出作為q 軸給定電流，d 軸電流分量為0，即d 軸電流解耦控制[12]。

2 仿真實驗

PWM 整流電源的主電路為三相電壓型PWM 整流結構，在Matlab/Simulink 軟件中，三相交流電壓源使用AC VoltageSource 模塊，設置電壓幅值110V，工頻50 Hz，初始相位[3]依次為0°、120°、-120°。整流開關管部分采用快恢復二極管，電容大小為3 mF，供電系統(tǒng)等效電阻為0.1 Ω、等效電感為0.01 H，負載電阻暫定為55 Ω。為了便于觀測和接入輸入電壓、輸入電流，采用VIMeasurement 模塊，A，B，C 端口分別與三相交流電壓源的一端連接，另一端與三相串聯(lián)等效電感和等效電阻連接。該模塊的Vabc端、Iabc端直接接入PI 控制模塊以及Scope 模塊，用于觀測輸入供電電壓和電流。CurrentMeasurement 模 塊 與 輸 出 負 載 串 聯(lián) 、VoltageMeasurement 模塊與輸出負載并聯(lián)，并接入Scope模塊，從而可以觀測輸出電壓和電流。PWM 整流電源的主電路仿真如圖1 所示[14]。

圖1 PWM 整流電源主電路仿真

SVPWM模塊用于產(chǎn)生PWM控制觸發(fā)波形，作為6個開關管的驅(qū)動信號，其封裝之后的輸入包括采集的三相電壓型PWM 整流電路的實時直流電壓信號、PI 控制模塊輸出的兩相靜止坐標系上的兩路電壓，輸出為脈沖驅(qū)動信號[15]；包括基本扇區(qū)判斷模塊、通用變量計算模塊、非零矢量作用時間計算模塊、全部矢量作用時間計算模塊、電壓空間矢量切換點計算模塊等[16]。

完成所述PWM 整流電源的建模過程后，在Matlab/Simulink 軟件界面中，將仿真時間設置為0.06 s，仿真步長ode23，進行離散運算[17]。在主電路加入階躍信號模擬斷路器（Breaker）開關閉合前后的狀態(tài)，Breaker 開關閉合為帶負載狀態(tài)，Breaker 開關斷開為空載狀態(tài)，設置Breaker 開關在0.15 s 時閉合，即電源在0.15 s 時從空載狀態(tài)轉(zhuǎn)入帶載狀態(tài)。單擊菜單欄的運行按鈕，輸出仿真波形。電壓仿真波形如圖2 所示。

圖2 三相變兩相電壓仿真波形圖

圖2 中兩個電壓的峰值仍然保持不變，但2 個波形的初始相位角發(fā)生變化，并且2 個波形相隔90°，說明三相電壓矢量已被分解為兩相相互垂直的電壓矢量，仿真波形與所分析的結果保持一致。Breaker 的開關階躍信號、三相電壓型PWM 整流電源的輸出直流波形如圖3所示。其中，階躍信號在0～0.15 s 期間保持為0 V，在0.15 s 之后保持為9 V，表示0.15 s 之后開關閉合。

圖3 斷路器開關階躍信號及輸出直流電壓仿真波形

由圖3 可以看出，空載狀態(tài)下，三相電壓型PWM 整流電源的直流輸出電壓由0 開始上升，經(jīng)過短暫超調(diào)趨于穩(wěn)定，帶載后，三相電壓型PWM 整流電源的直流輸出電壓幾乎沒有波動，穩(wěn)態(tài)時的數(shù)值與給定的500 V 直流電壓保持一致，靜態(tài)誤差小。

由此可見，本文所建立的三相電壓型PWM 整流電源模型滿足理論分析所得到的規(guī)律，并且所選擇設計的電路拓撲結構和空間電壓矢量控制、電流內(nèi)環(huán)解耦控制策略在鍋爐軟化水設備中具有一定的實用性，完全能夠滿足軟化水設備供電電源各個階段的控制需求。

3 實驗結果分析

為了進一步驗證理論仿真分析結果，在實驗中選取實時整流快恢復二極管fr107，IXFK24N100 濾波電容器，其典型參考值為760 pF，滿足電路開關頻率要求，在實驗中負載為感性負載，q 軸實際電流波形如圖4 所示，圖5 是輸出電壓波形。反應電路特性的這些主要波形與仿真、理論分析所得結論基本一致。

圖4 q 軸電流波形

圖5 輸出直流電壓波形

4 結 語

利用SVPWM 整流技術進行全面調(diào)研、分析，研究最優(yōu)的電源主電路拓撲結構和PWM 控制策略、PI 控制策略，對p 軸、q 軸電流解耦控制方法進行論述，最終確定PWM 脈沖生成、雙閉環(huán)控制單元的基本實現(xiàn)原理。并使用Matlab/Simulink 仿真軟件，開展建模和仿真分析工作，同時通過實驗平臺進行大量的實驗調(diào)試，實現(xiàn)了主要波形與仿真結果，理論分析基本一致。驗證了所研究的三相電壓型PWM 整流電源能滿足鍋爐軟化水設備的需求，有良好的控制性能，不僅提高了水質(zhì)，還延長了鍋爐的使用壽命。