氢能发电机空气供给系统变频控制技术初探陈海清（解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京210007）理的基础上，提出了基于PEMFC氢能发电装置空气供给驱动系统采用交流感应电机和矢量控制变频调速技术。通过比较矢量控制的几种方案，提出采用间接转子磁场定向电流注入型感应电机矢量控制方案，并对其进行了仿真研宄。：质子交换膜燃料电池；氢能发电；变频调速；由于传统能源资源有日趋耗尽之势，特别是近年来环境污染对人类可持续发展的影响，无污染、高效率的新能源发电技术及其研究在世界范围内受到高度重视。燃料电池被公认为是继火电、水电和核电之后的第四代新型电源，它采用氢为燃料，氧气或空气为氧化剂，通过电化学反应直接将氢能转化为电能（故称为氢能发电装置），具有清洁高效的特点。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种以聚合物质子膜作为电解质的燃料电池，因其工作温度低、噪声小、无烟气排放等特点，成为21世纪最佳的电动车电源而受到各界高度关注，并己在国内外掀起研发和应用热潮。空气进给系统作为PEMFC氢能发电装置的关键组成部分，己成为PEMFC氢能发电技术应用研究的关键领域之一。

　　目前氢能发电机的空气供给驱动系统多数采用直流电机带动送风机将空气送入燃料电池电堆，虽然系统结构简单、设计容易，但电机容量必须按发电系统的最大需风量设计，使给气系统的功率始终接近最大值，导致空气供给系统功耗大，发电系统成本高且维护量大，对稳压阀的要求也很高，极大地降低了发电系统的整体性能，并影响PEMFC电堆本体的寿命，成为阻碍氢能发电系统实用化的重要障碍之一。由于直流电机在结构上存在机械换向器，使其具有一些致命的缺点，如维护困难，寿命短，造价较高，单机容量和最高电压也受到一定限制，特别是直流电机换向时产生的火花可能危及氢能发电站的安全。相反，感应电机转子侧的电流由电磁感应产生，没有换向器，结构简单牢固、体积小、重量轻、工作可靠、维护方便、价格低廉、可工作在恶劣环境、技术成熟等优点，因此采用感应电机代替以往的直流电机驱动风机并采用变频调速控制构成氢能发电机空气进给驱动系统，成为氢能发电系统实用化、产品化应用研究的一个重要方向。

　　1感应电机变频调速的原理及控制方式1.1感应电机变频调速原理感应电机转速的一般表达式为：f电源频率；s转差率；p极对数；由上式可知：异步电机的转速n与电源频率/、转差率s、极对数p等三个参数有关。改变任一参数都能实现转速的调节。但变极调速是有级调速，而以改变转差率s为目的的各种调速方法，如定子调压调速、电磁调速、转子变电阻调速都是耗能型调速方法，只有变频调速是最为理想的调速方法。变频调速通过改变电源频率/来调节电动机转速，只要均匀改变输入交流电机的电源频率就可以均匀平滑地改变电动机的转速。

　　这就是变频调速的基本原理。变频调速的优点是：效率高、应用范围广、调速范围大、对于低负载运行时间较多或起停运行较频繁的场合，可以达到节电和保护电动机的目的。

　　1.2变频调速的控制方式对于氢能发电机空气供给驱动系统来说，给气量的多少直接影响氢能发电装置发电量，为了使氢能发电装置空气供给系统给气量满足氢能能发电机空气供给驱动系统电机进行调速控制。

　　感应电机虽具上述优点，但是，感应电机调速比较困难，所以早期的应用主要是采用调压调速、电磁转差离合器调速、绕线式感应电机转子串电阻调速和串级调速等，这些调速方法的效率都很低，而且应用场合有限。感应电机高效的调速方法主要是变频调速，它不但能实现无级调速，而且可根据负载特性的不同，适当调节电压和频率的关系，使电机始终工作在高效区，并保证良好的动态性能。此外，感应电机采用变频起动能显著改善起动性能，大幅度降低起动电流，并加起动转矩，因此变频调速是一种理想的感应电机调速方法。对氢能发电机空气供给驱动系统感应电机采用交流变频调速的控制方法，则供气量可较好地满足上述要求。交流变压变频技术自20世纪6、70年代获得突破性进展以来，一直受到人们的高度重视，并不断发明控制性能更佳的新的控制方法。交流变频技术按其控制方式可分为以下3种：开环恒压频比控制（V/f控制）变频调速最初的控制方法为V/f控制，即转速开环恒压频比控制，这种控制方案结构简单、成本低，比较适合对调速系统动态性能要求不高的场合。此后，出于对转速闭环控制的要求，国内外学者提出了转差频率控制，从而可通过控制转差频率间接控制转矩。但是，这种控制方法以感应电机稳态等效电路和转矩公式为基础，故只在稳态情况下成立，而在转速快速响应的动态过程中，由于存在很大的瞬态电流，所以电机的动态转矩和稳态之间会有很大的差别，因此这种控制方法仅适应于转速变化缓慢的场合：1415.为了解决在动态过程中控制电机转矩这一问题，国内外学者进行了深入的研究，并提出了更有效的控制方案。

　　发机发电量酿荷变化而变化的要求，必须触嫔制又称被为磁场定向控制矢量控制技术实现虹ne1矢量控制即用矢量变换的方法研究电机的动态控制过程，就是把磁场矢量的方向作为坐标轴的基准方向，并根据磁动势等效原则，利用坐标变换将定子电流分解为励磁分量和转矩分量，实现交流电机磁通和转矩的解耦控制，使交流电机获得等效于他励直流电机的控制性能，故矢量了交流电机转子磁链和转矩的解耦控制，从而可以按直流电动机的控制规律来控制交流电动机，克服了古典交流调速变极、变压、转子回路串电阻等有级调速的缺点，弥补了初期恒压频比（V /f）控制和转差频率控制的不足，使交流传动系统的动态性能有了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。矢量变换涉及大量的数值运算，主要包括坐标变换、矢量运算以及非线性的复杂运算如果用模拟电路来实现，其设计、制造和调试都很麻烦，有些计算功能根本无法实现。随着微控制器的发展与应用，这一难题得到了解决，采用软件实现矢量控制算法，使硬件电路规范化，不仅可降低成本，还提高了可靠性。早期用于电机的微处理器主要是80C196MC系列单片机，它具有丰富的硬件和软件资源，可进行实时控制，但当需要大量数据计算处理或浮点运算对快速要求较高时则能力不足。为了进一步提高运算速度，20世纪80年代初出现了数字信号处理（DSP），这是一种运算能力很强的芯片，其片内外设资源丰富，可使调速系统的外围电路少、结构紧凑、可靠性高，易于从硬件上实现整个控制。

　　这种控制技术和矢量控制技术的不同在于：它不需要把电机的定子电流分解为励磁分量和转矩分量，而只是通过控制PWM型逆变器的切换方式来控制电机的瞬时输入电压，从而实现直接控制转矩和定子磁通的目的。直接转矩控制不需要复杂的坐标变换，而且对定子磁通控制也只涉及到定子电阻，因而对电机参数的依赖性大大减弱了。这种方法因其控制思想新颖、系统结构简洁明了而得到了迅速的发展。中国电力，2003，（1）：6T70 5徐铁柱，徐国卿。基于DSP的交流电动机变频调速控制系统。电力系统及其自动化学报，2002，14（6）6任海鹏。DSP在无刷直流电机伺服系统中的应用。微电机，2002，（2）21-24 OxfordUniversityPress.1990.34-588尹项根，程汉湘。变频调速展望。电力自动化设9臧英杰，吴守箴。电气传动的脉宽调制控制技术M.北京：机械工业出版社，2002.23626810陈伯时。电力拖动自动控制系统M卜机械工业出11李磊，胡育文。基于速度自适应磁链状态观测器的感应电机直接转矩控制系统研宄。电工技术学报，2001，16（4）：14翁颖均，吴守箴，臧英杰。异步电机无速度传感器直接转矩控制的研宄（上接第8页）