氫能發(fā)電機(jī)空氣供給系統(tǒng)變頻控制技術(shù)初探

氫能發(fā)電機(jī)空氣供給系統(tǒng)變頻控制技術(shù)初探陳海清（解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇南京210007）理的基礎(chǔ)上，提出了基于PEMFC氫能發(fā)電裝置空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)采用交流感應(yīng)電機(jī)和矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)。通過比較矢量控制的幾種方案，提出采用間接轉(zhuǎn)子磁場定向電流注入型感應(yīng)電機(jī)矢量控制方案，并對其進(jìn)行了仿真研宄。：質(zhì)子交換膜燃料電池；氫能發(fā)電；變頻調(diào)速；由于傳統(tǒng)能源資源有日趨耗盡之勢，特別是近年來環(huán)境污染對人類可持續(xù)發(fā)展的影響，無污染、高效率的新能源發(fā)電技術(shù)及其研究在世界范圍內(nèi)受到高度重視。燃料電池被公認(rèn)為是繼火電、水電和核電之后的第四代新型電源，它采用氫為燃料，氧氣或空氣為氧化劑，通過電化學(xué)反應(yīng)直接將氫能轉(zhuǎn)化為電能（故稱為氫能發(fā)電裝置），具有清潔高效的特點。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種以聚合物質(zhì)子膜作為電解質(zhì)的燃料電池，因其工作溫度低、噪聲小、無煙氣排放等特點，成為21世紀(jì)最佳的電動車電源而受到各界高度關(guān)注，并己在國內(nèi)外掀起研發(fā)和應(yīng)用熱潮。空氣進(jìn)給系統(tǒng)作為PEMFC氫能發(fā)電裝置的關(guān)鍵組成部分，己成為PEMFC氫能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。

 

　　目前氫能發(fā)電機(jī)的空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)多數(shù)采用直流電機(jī)帶動送風(fēng)機(jī)將空氣送入燃料電池電堆，雖然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計容易，但電機(jī)容量必須按發(fā)電系統(tǒng)的最大需風(fēng)量設(shè)計，使給氣系統(tǒng)的功率始終接近最大值，導(dǎo)致空氣供給系統(tǒng)功耗大，發(fā)電系統(tǒng)成本高且維護(hù)量大，對穩(wěn)壓閥的要求也很高，極大地降低了發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，并影響PEMFC電堆本體的壽命，成為阻礙氫能發(fā)電系統(tǒng)實用化的重要障礙之一。由于直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上存在機(jī)械換向器，使其具有一些致命的缺點，如維護(hù)困難，壽命短，造價較高，單機(jī)容量和最高電壓也受到一定限制，特別是直流電機(jī)換向時產(chǎn)生的火花可能危及氫能發(fā)電站的安全。相反，感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)的電流由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，沒有換向器，結(jié)構(gòu)簡單牢固、體積小、重量輕、工作可靠、維護(hù)方便、價格低廉、可工作在惡劣環(huán)境、技術(shù)成熟等優(yōu)點，因此采用感應(yīng)電機(jī)代替以往的直流電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)并采用變頻調(diào)速控制構(gòu)成氫能發(fā)電機(jī)空氣進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，成為氫能發(fā)電系統(tǒng)實用化、產(chǎn)品化應(yīng)用研究的一個重要方向。

 

　　1感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速的原理及控制方式1.1感應(yīng)電機(jī)變頻調(diào)速原理感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速的一般表達(dá)式為：f電源頻率；s轉(zhuǎn)差率；p極對數(shù)；由上式可知：異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電源頻率/、轉(zhuǎn)差率s、極對數(shù)p等三個參數(shù)有關(guān)。改變?nèi)我粎?shù)都能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但變極調(diào)速是有級調(diào)速，而以改變轉(zhuǎn)差率s為目的的各種調(diào)速方法，如定子調(diào)壓調(diào)速、電磁調(diào)速、轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速都是耗能型調(diào)速方法，只有變頻調(diào)速是最為理想的調(diào)速方法。變頻調(diào)速通過改變電源頻率/來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速，只要均勻改變輸入交流電機(jī)的電源頻率就可以均勻平滑地改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。

 

　　這就是變頻調(diào)速的基本原理。變頻調(diào)速的優(yōu)點是：效率高、應(yīng)用范圍廣、調(diào)速范圍大、對于低負(fù)載運行時間較多或起停運行較頻繁的場合，可以達(dá)到節(jié)電和保護(hù)電動機(jī)的目的。

 

　　1.2變頻調(diào)速的控制方式對于氫能發(fā)電機(jī)空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)來說，給氣量的多少直接影響氫能發(fā)電裝置發(fā)電量，為了使氫能發(fā)電裝置空氣供給系統(tǒng)給氣量滿足氫能能發(fā)電機(jī)空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。

 

　　感應(yīng)電機(jī)雖具上述優(yōu)點，但是，感應(yīng)電機(jī)調(diào)速比較困難，所以早期的應(yīng)用主要是采用調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、繞線式感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級調(diào)速等，這些調(diào)速方法的效率都很低，而且應(yīng)用場合有限。感應(yīng)電機(jī)高效的調(diào)速方法主要是變頻調(diào)速，它不但能實現(xiàn)無級調(diào)速，而且可根據(jù)負(fù)載特性的不同，適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系，使電機(jī)始終工作在高效區(qū)，并保證良好的動態(tài)性能。此外，感應(yīng)電機(jī)采用變頻起動能顯著改善起動性能，大幅度降低起動電流，并加起動轉(zhuǎn)矩，因此變頻調(diào)速是一種理想的感應(yīng)電機(jī)調(diào)速方法。對氫能發(fā)電機(jī)空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)感應(yīng)電機(jī)采用交流變頻調(diào)速的控制方法，則供氣量可較好地滿足上述要求。交流變壓變頻技術(shù)自20世紀(jì)6、70年代獲得突破性進(jìn)展以來，一直受到人們的高度重視，并不斷發(fā)明控制性能更佳的新的控制方法。交流變頻技術(shù)按其控制方式可分為以下3種：開環(huán)恒壓頻比控制（V/f控制）變頻調(diào)速最初的控制方法為V/f控制，即轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制，這種控制方案結(jié)構(gòu)簡單、成本低，比較適合對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合。此后，出于對轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的要求，國內(nèi)外學(xué)者提出了轉(zhuǎn)差頻率控制，從而可通過控制轉(zhuǎn)差頻率間接控制轉(zhuǎn)矩。但是，這種控制方法以感應(yīng)電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式為基礎(chǔ)，故只在穩(wěn)態(tài)情況下成立，而在轉(zhuǎn)速快速響應(yīng)的動態(tài)過程中，由于存在很大的瞬態(tài)電流，所以電機(jī)的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)之間會有很大的差別，因此這種控制方法僅適應(yīng)于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合：1415.為了解決在動態(tài)過程中控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩這一問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究，并提出了更有效的控制方案。

 

　　發(fā)機(jī)發(fā)電量釀荷變化而變化的要求，必須觸嬪制又稱被為磁場定向控制矢量控制技術(shù)實現(xiàn)虹ne1矢量控制即用矢量變換的方法研究電機(jī)的動態(tài)控制過程，就是把磁場矢量的方向作為坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)方向，并根據(jù)磁動勢等效原則，利用坐標(biāo)變換將定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，實現(xiàn)交流電機(jī)磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使交流電機(jī)獲得等效于他勵直流電機(jī)的控制性能，故矢量了交流電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，從而可以按直流電動機(jī)的控制規(guī)律來控制交流電動機(jī)，克服了古典交流調(diào)速變極、變壓、轉(zhuǎn)子回路串電阻等有級調(diào)速的缺點，彌補(bǔ)了初期恒壓頻比（V /f）控制和轉(zhuǎn)差頻率控制的不足，使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能有了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動的新紀(jì)元。矢量變換涉及大量的數(shù)值運算，主要包括坐標(biāo)變換、矢量運算以及非線性的復(fù)雜運算如果用模擬電路來實現(xiàn)，其設(shè)計、制造和調(diào)試都很麻煩，有些計算功能根本無法實現(xiàn)。隨著微控制器的發(fā)展與應(yīng)用，這一難題得到了解決，采用軟件實現(xiàn)矢量控制算法，使硬件電路規(guī)范化，不僅可降低成本，還提高了可靠性。早期用于電機(jī)的微處理器主要是80C196MC系列單片機(jī)，它具有豐富的硬件和軟件資源，可進(jìn)行實時控制，但當(dāng)需要大量數(shù)據(jù)計算處理或浮點運算對快速要求較高時則能力不足。為了進(jìn)一步提高運算速度，20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)了數(shù)字信號處理（DSP），這是一種運算能力很強(qiáng)的芯片，其片內(nèi)外設(shè)資源豐富，可使調(diào)速系統(tǒng)的外圍電路少、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，易于從硬件上實現(xiàn)整個控制。

 

　　這種控制技術(shù)和矢量控制技術(shù)的不同在于：它不需要把電機(jī)的定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，而只是通過控制PWM型逆變器的切換方式來控制電機(jī)的瞬時輸入電壓，從而實現(xiàn)直接控制轉(zhuǎn)矩和定子磁通的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要復(fù)雜的坐標(biāo)變換，而且對定子磁通控制也只涉及到定子電阻，因而對電機(jī)參數(shù)的依賴性大大減弱了。這種方法因其控制思想新穎、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了而得到了迅速的發(fā)展。