氫能發電機空氣供給系統變頻控制技術初探陳海清（解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇南京210007）理的基礎上，提出了基于PEMFC氫能發電裝置空氣供給驅動系統采用交流感應電機和矢量控制變頻調速技術。通過比較矢量控制的幾種方案，提出采用間接轉子磁場定向電流注入型感應電機矢量控制方案，并對其進行了仿真研宄。：質子交換膜燃料電池；氫能發電；變頻調速；由于傳統能源資源有日趨耗盡之勢，特別是近年來環境污染對人類可持續發展的影響，無污染、高效率的新能源發電技術及其研究在世界范圍內受到高度重視。燃料電池被公認為是繼火電、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，通過電化學反應直接將氫能轉化為電能（故稱為氫能發電裝置），具有清潔高效的特點。質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種以聚合物質子膜作為電解質的燃料電池，因其工作溫度低、噪聲小、無煙氣排放等特點，成為21世紀最佳的電動車電源而受到各界高度關注，并己在國內外掀起研發和應用熱潮。空氣進給系統作為PEMFC氫能發電裝置的關鍵組成部分，己成為PEMFC氫能發電技術應用研究的關鍵領域之一。

 

　　目前氫能發電機的空氣供給驅動系統多數采用直流電機帶動送風機將空氣送入燃料電池電堆，雖然系統結構簡單、設計容易，但電機容量必須按發電系統的最大需風量設計，使給氣系統的功率始終接近最大值，導致空氣供給系統功耗大，發電系統成本高且維護量大，對穩壓閥的要求也很高，極大地降低了發電系統的整體性能，并影響PEMFC電堆本體的壽命，成為阻礙氫能發電系統實用化的重要障礙之一。由于直流電機在結構上存在機械換向器，使其具有一些致命的缺點，如維護困難，壽命短，造價較高，單機容量和最高電壓也受到一定限制，特別是直流電機換向時產生的火花可能危及氫能發電站的安全。相反，感應電機轉子側的電流由電磁感應產生，沒有換向器，結構簡單牢固、體積小、重量輕、工作可靠、維護方便、價格低廉、可工作在惡劣環境、技術成熟等優點，因此采用感應電機代替以往的直流電機驅動風機并采用變頻調速控制構成氫能發電機空氣進給驅動系統，成為氫能發電系統實用化、產品化應用研究的一個重要方向。

 

　　1感應電機變頻調速的原理及控制方式1.1感應電機變頻調速原理感應電機轉速的一般表達式為：f電源頻率；s轉差率；p極對數；由上式可知：異步電機的轉速n與電源頻率/、轉差率s、極對數p等三個參數有關。改變任一參數都能實現轉速的調節。但變極調速是有級調速，而以改變轉差率s為目的的各種調速方法，如定子調壓調速、電磁調速、轉子變電阻調速都是耗能型調速方法，只有變頻調速是最為理想的調速方法。變頻調速通過改變電源頻率/來調節電動機轉速，只要均勻改變輸入交流電機的電源頻率就可以均勻平滑地改變電動機的轉速。

 

　　這就是變頻調速的基本原理。變頻調速的優點是：效率高、應用范圍廣、調速范圍大、對于低負載運行時間較多或起停運行較頻繁的場合，可以達到節電和保護電動機的目的。

 

　　1.2變頻調速的控制方式對于氫能發電機空氣供給驅動系統來說，給氣量的多少直接影響氫能發電裝置發電量，為了使氫能發電裝置空氣供給系統給氣量滿足氫能能發電機空氣供給驅動系統電機進行調速控制。

 

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

 

　　發機發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實現虹ne1矢量控制即用矢量變換的方法研究電機的動態控制過程，就是把磁場矢量的方向作為坐標軸的基準方向，并根據磁動勢等效原則，利用坐標變換將定子電流分解為勵磁分量和轉矩分量，實現交流電機磁通和轉矩的解耦控制，使交流電機獲得等效于他勵直流電機的控制性能，故矢量了交流電機轉子磁鏈和轉矩的解耦控制，從而可以按直流電動機的控制規律來控制交流電動機，克服了古典交流調速變極、變壓、轉子回路串電阻等有級調速的缺點，彌補了初期恒壓頻比（V /f）控制和轉差頻率控制的不足，使交流傳動系統的動態性能有了顯著的改善，開創了交流傳動的新紀元。矢量變換涉及大量的數值運算，主要包括坐標變換、矢量運算以及非線性的復雜運算如果用模擬電路來實現，其設計、制造和調試都很麻煩，有些計算功能根本無法實現。隨著微控制器的發展與應用，這一難題得到了解決，采用軟件實現矢量控制算法，使硬件電路規范化，不僅可降低成本，還提高了可靠性。早期用于電機的微處理器主要是80C196MC系列單片機，它具有豐富的硬件和軟件資源，可進行實時控制，但當需要大量數據計算處理或浮點運算對快速要求較高時則能力不足。為了進一步提高運算速度，20世紀80年代初出現了數字信號處理（DSP），這是一種運算能力很強的芯片，其片內外設資源豐富，可使調速系統的外圍電路少、結構緊湊、可靠性高，易于從硬件上實現整個控制。

 

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