锅炉软化水设备的供电电源设计

许 丽，王世庆，宋 黎

（成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 614000）

0 引 言

随着现代工业的不断发展，工业锅炉的使用率越来越高。一般的锅炉软化水的处理过程分为以下几个步骤：首先，进行水质的反洗，从底部洗入，从顶部流出，冲走比较大的杂质和颗粒；再注入清洗剂，普遍使用的是盐，让盐水慢速流过罐体底部，这一过程也称之为吸盐[1]；接下来进行慢清洗，用原水以同样的速度把罐体中的盐冲洗干净，值得注意的是，这个过程会导致原水中大量的钙镁离子被钠离子代替；为了得到更软化的水质，最后要采取快速冲洗的方法，把罐体中存在的盐分彻底的冲洗干净，从而得到理想的水质，满足达标软水的参数要求[2]。

天然水中含有钙、镁等硬度离子，当这些硬度比较大的离子进入锅炉中经过升温、升压浓缩之后就会形成坚硬的水垢，随着水垢的不断增加，就会腐蚀锅炉钢板，影响锅炉的使用率。同时燃料的需求量增大，导致锅炉的使用寿命变低，更为严重的是，会给整个锅炉的操作使用过程带来危害[3]。

所以锅炉必须具备去掉这些硬离子的软化设备，只有软化水设备正常运行，才能保证锅炉运行的安全性和经济性。随着锅炉的不断推广使用，软化水设备也变得越来越重要，在整个软化设备的供电系统中，传统的电路结构简单，谐波含量高、导致输出电压随负载波动变化大、限制器件使用效率等问题[4]。为了符合锅炉软化水设备的执行标准，整流器开始采用脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），其具备谐波含量低、功率因数大等特点，与传统的整流以及相控方式相比较，PWM 控制技术采用的是斩波整流[5]。在整流器的输入侧采用的是电压正弦波，无功功率低，对电网几乎不会产生谐波影响，而且反应速度快，工作效率高。这些特点为锅炉软化水设备的反洗、慢冲洗及快冲洗阶段都提供了可靠的电力保障。随着相关领域技术成熟度的不断提升，PWM 整流技术已经应用于越来越多的锅炉软化水设备中[6]。国内在相关领域的研究起步较晚，但进步较快，在锅炉软化水设备中所采用的高性能PWM 整流技术具有重要的研究意义。

1 供电系统控制技术

传统的软化水设备中所涉及到的PWM 整流电源实现的核心技术是对电路的直流侧输出电压和交流输入功率因数的控制，目标是保证电压的稳定或功率因数尽可能高。从开关逻辑形成的角度来说，PWM 整流电源控制技术主要包括：矢量脉宽调制，在dq 坐标变换的基础上，通过对有功电流、无功电流的控制实现对输入电流的控制[7]。在锅炉软化水设备中，电压型PWM 整流结构相对电流型PWM 整流结构具有更加明显的优势，所以选择三相电压型PWM 整流结构作为所研究的PWM整流电源的主电路拓扑[8]。

在软化水的过程中，为给设备提供稳定持续的电能，利用矢量空间的坐标变换原理对PWM 整流电源的工作原理进行分析，建立整流电源的数学模型。其开关频率远高于供电的工频电压频率。在建立数学模型时，可以仅考虑低频模型。由坐标变换理论，PWM 整流电源的三相变量变为两相变量，将使控制系统的设计和分析大为简化，但dq 坐标系的变量存在耦合，需要解决解耦的问题[9]。SPWM（正弦波PWM 调制）是利用三相交流电调制成三相对称正弦波形，而SVPWM（电压空间矢量控制PWM 调制）是利用空间矢量计算的原则，把8 个基本的电压矢量合成为一个期望的电压矢量，并根据矢量状态来决定开关管的开关状态。这一方法大大提高了电压利用率，节约了电能[10]。在锅炉软化水设备的使用中，利用SVPWM 技术实现对电能的调制，要实现SVPWM 首先要判断电压矢量区域，再结合每个矢量的占空比来确定各个基本矢量对应的开关状态和作用时间。其中，明确矢量的作用顺序是非常关键的一个环节，如果不合适就会引起大量的谐波以及开关损耗的增加，从而导致软化水设备无法得到稳定持续的电能，从而影响软化水的质量，也会损耗锅炉的使用寿命[11]。所以，为了降低谐波含量，降低开关损耗，确定电压矢量的输出顺序应该遵循以下规律：

1）在一个采样周期内，矢量输出次序产生的波形是中心对称的；

2）每个桥臂的状态不能跃变，只能通过插入零矢量来过渡。

对于三相电压型PWM 整流电源整体上采用经典的电压电流双闭环PI 控制算法，外环为电压控制，采集到的电压与给定电压的偏差经过PI 控制单元得到的输出作为q 轴给定电流，d 轴电流分量为0，即d 轴电流解耦控制[12]。

2 仿真实验

PWM 整流电源的主电路为三相电压型PWM 整流结构，在Matlab/Simulink 软件中，三相交流电压源使用AC VoltageSource 模块，设置电压幅值110V，工频50 Hz，初始相位[3]依次为0°、120°、-120°。整流开关管部分采用快恢复二极管，电容大小为3 mF，供电系统等效电阻为0.1 Ω、等效电感为0.01 H，负载电阻暂定为55 Ω。为了便于观测和接入输入电压、输入电流，采用VIMeasurement 模块，A，B，C 端口分别与三相交流电压源的一端连接，另一端与三相串联等效电感和等效电阻连接。该模块的Vabc端、Iabc端直接接入PI 控制模块以及Scope 模块，用于观测输入供电电压和电流。CurrentMeasurement 模 块 与 输 出 负 载 串 联 、VoltageMeasurement 模块与输出负载并联，并接入Scope模块，从而可以观测输出电压和电流。PWM 整流电源的主电路仿真如图1 所示[14]。

图1 PWM 整流电源主电路仿真

SVPWM模块用于产生PWM控制触发波形，作为6个开关管的驱动信号，其封装之后的输入包括采集的三相电压型PWM 整流电路的实时直流电压信号、PI 控制模块输出的两相静止坐标系上的两路电压，输出为脉冲驱动信号[15]；包括基本扇区判断模块、通用变量计算模块、非零矢量作用时间计算模块、全部矢量作用时间计算模块、电压空间矢量切换点计算模块等[16]。

完成所述PWM 整流电源的建模过程后，在Matlab/Simulink 软件界面中，将仿真时间设置为0.06 s，仿真步长ode23，进行离散运算[17]。在主电路加入阶跃信号模拟断路器（Breaker）开关闭合前后的状态，Breaker 开关闭合为带负载状态，Breaker 开关断开为空载状态，设置Breaker 开关在0.15 s 时闭合，即电源在0.15 s 时从空载状态转入带载状态。单击菜单栏的运行按钮，输出仿真波形。电压仿真波形如图2 所示。

图2 三相变两相电压仿真波形图

图2 中两个电压的峰值仍然保持不变，但2 个波形的初始相位角发生变化，并且2 个波形相隔90°，说明三相电压矢量已被分解为两相相互垂直的电压矢量，仿真波形与所分析的结果保持一致。Breaker 的开关阶跃信号、三相电压型PWM 整流电源的输出直流波形如图3所示。其中，阶跃信号在0～0.15 s 期间保持为0 V，在0.15 s 之后保持为9 V，表示0.15 s 之后开关闭合。

图3 断路器开关阶跃信号及输出直流电压仿真波形

由图3 可以看出，空载状态下，三相电压型PWM 整流电源的直流输出电压由0 开始上升，经过短暂超调趋于稳定，带载后，三相电压型PWM 整流电源的直流输出电压几乎没有波动，稳态时的数值与给定的500 V 直流电压保持一致，静态误差小。

由此可见，本文所建立的三相电压型PWM 整流电源模型满足理论分析所得到的规律，并且所选择设计的电路拓扑结构和空间电压矢量控制、电流内环解耦控制策略在锅炉软化水设备中具有一定的实用性，完全能够满足软化水设备供电电源各个阶段的控制需求。

3 实验结果分析

为了进一步验证理论仿真分析结果，在实验中选取实时整流快恢复二极管fr107，IXFK24N100 滤波电容器，其典型参考值为760 pF，满足电路开关频率要求，在实验中负载为感性负载，q 轴实际电流波形如图4 所示，图5 是输出电压波形。反应电路特性的这些主要波形与仿真、理论分析所得结论基本一致。

图4 q 轴电流波形

图5 输出直流电压波形

4 结 语

利用SVPWM 整流技术进行全面调研、分析，研究最优的电源主电路拓扑结构和PWM 控制策略、PI 控制策略，对p 轴、q 轴电流解耦控制方法进行论述，最终确定PWM 脉冲生成、双闭环控制单元的基本实现原理。并使用Matlab/Simulink 仿真软件，开展建模和仿真分析工作，同时通过实验平台进行大量的实验调试，实现了主要波形与仿真结果，理论分析基本一致。验证了所研究的三相电压型PWM 整流电源能满足锅炉软化水设备的需求，有良好的控制性能，不仅提高了水质，还延长了锅炉的使用寿命。