Napęd z silnikiem indukcyjnym i 4-gałęziowym falownikiem SiC do turbosprężarek powietrza ogniw paliwowych dużej mocy

• Autorzy: Giziewski Sebastian , Adamowicz Marek

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2024.03.08

Warianty tytułu

EN

SiC-based high-speed drive with induction motor for high power fuel cell air turbochargers

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Wysoka cena ogniw paliwowych utrudnia ich szerokie zastosowanie w transporcie i przemyśle. Należy szukać możliwości obniżenia ich kosztu również poprzez obniżenie kosztu i zwiększenie wydajności urządzeń pomocniczych ogniwa paliwowego (Balance of the Plant). Autorzy proponują aby w napędzie sprężarki powietrza, zastosować wysokoobrotowy silnik indukcyjny, który jest tańszy od stosowanych obecnie silników PMSM. W referacie zaproponowano napęd z czterogałęziowym falownikiem SiC i wysokoobrotowym silnikiem indukcyjnym o mocy 6,3 kW, prędkości obrotowej 79 800 obr/min i częstotliwości zasilania 2667 Hz, który może być zastosowany do turbosprężarki powietrza ogniwa paliwowego o mocy 100 kW.

EN

The high cost of fuel cells hinders their broad application in transportation and industry. Efforts should be made to find possibilities for reducing their cost, including through the reduction of auxiliary component costs and increasing their efficiency (Balance of the Plant). The authors propose using a high-speed induction motor in the air compressor drive, which is cheaper than the currently used PMSM motors. The paper proposes a high speed drive system utilizing the SiC inverter and the 6,3 kW high-speed induction motor with a rated rotational speed of 79 800 rpm and a frequency of 2667 Hz. This system can be applied to the air turbocharger of a 100 kW fuel cell.

Słowa kluczowe

PL

ogniwo paliwowe PEM; turbosprężarka powietrza; czterogałęziowy falownik SiC; wysokoobrotowy silnik indukcyjny

EN

PEM fuel cell; air turbocharger; four leg SiC inwerter; high speed induction motor drives

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2024
• Tom: R. 100, nr 3
• Strony: 46--54
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys.

Twórcy

autor

Giziewski Sebastian

• SGI Engineering
• MMB Drives Sp. z o.o., ul. Maszynowa 26, 80-298 Gdańsk

• https://orcid.org/0000-0003-1197-0291

autor

Adamowicz Marek

• Politechnika Gdańska, Katedra Automatyki Napędu Elektrycznego i Konwersji Energii, ul. Gabriela Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk

• https://orcid.org/0000-0003-0561-8697

Bibliografia

• [1] Kampker A., Heimes H., Kehrer M., Hagedorn S., Reims P., Kaul O., Fuel cell system production cost modeling and analysis. Energy Reports, 9 (2023), 248-255
• [2] Al Assadi, i in., Challenges and Prospects of automated Disassembly of Fuel Cells for a Circular Economy. Resources, Conservation & Recycling Advances, 2023, 200172, 1-15
• [3] Antivachis M., Dietz F., Zwyssig C., Bortis D., Kolar, J. W., Novel high-speed turbo compressor with integrated inverter for fuel cell air supply, Frontiers in Mechanical Engineering, 6 92021), 106
• [4] Jin J., Pan J., Lu Z., Wu Q., Xu L., An investigation of a high-performance centrifugal compressor with a variable map width enhancement slot for proton exchange membrane fuel cell systems in commercial vehicle application, Proc. IME, Part D: Journal of Automobile Engineering, 235 (2021), no. 1, 288-300
• [5] Zhao D., Blunier B., Gao F., Dou M., Miraoui A., Control of an ultrahigh-speed centrifugal compressor for the air management of fuel cell systems, IEEE Trans. Ind. Applications, 50 (2014), no. 3, 2225-2234
• [6] Zhao D., Daniel K., Blunier B., Zwyssig C., Dou M., Miraoui A., Design and control of an ultra-high speed turbo compressor for the air management of fuel cell systems, Proc. IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), 2012, 1-6
• [7] Fröhlich P., Development of an oil free turbo compressor for mobile fuel cell applications–challenges and results, Proc. Ersten FC³ Fuel Cell Conference, 2019, 123-138
• [8] Liu Y., Zhao Y., Yang Q., Liu G., Li L., Gao Z., Performance study of centrifugal air compressor for proton exchange membrane fuel cell systems, Energy Science & Engineering, 10 (2022), no. 1, 208-218
• [9] Zhang H., Yu W., Hua W., Design and Key Technology of Oil-Free Centrifugal Air Compressor for Hydrogen Fuel Cell, CES Trans. Electr. Machines and Systems, 6 (2022), no. 1, 11-19
• [10] Han D., Morris C. T., Lee W., Sarlioglu B., Comparison between output CM chokes for SiC drive operating at 20-and 200-kHz switching frequencies. IEEE Trans. Ind. Applications, 53(2017), no. 3, 2178-2188
• [11] A. L. Julian, G. Oriti, and T. A. Lipo, Elimination of common-mode voltage in three-phase sinusoidal power converters,” IEEE Trans. Power Electron., 14 (1999), no. 5, 982–989
• [12] Han D., Li S., Choi W., Sarlioglu B., Design, implementation, and evaluation of a GaN-based four-leg inverter with minimal common mode voltage generation, Proc. IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2017 ss. 5383- 5388
• [13] Julian A. L., Oriti G., Novel common mode voltage elimination methods in three-phase four-wire grid-connected inverters, IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 59, nr 1, 2023, ss. 1044 – 1053
• [14] Zhao Zhao, Roberto Leidhold., Common-Mode Current Reduction PWM Technique Optimized for Four-Wire Inverter-Fed Motors, 2020 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC)
• [15] Giziewski S., Adamowicz M., Krzemiński Z., Trójfazowy 4- gałęziowy falownik SiC w napędzie z wysokoobrotowym silnikiem indukcyjnym, Przegląd Elektrotechniczny, 99(2023), nr 3, 36-44
• [16] Sang-Won Yun, Jae-Hyuk Baik, Dong-Sik Kim, Ji-Yoon Yoo, A New Active Zero State PWM Algorithm for Reducing the Number of Switchings, January 2017, Journal of Power Electronics 17(1):88-95
• [17] Zhe Zhang, Ali M. Bazzi, Afia Semin, An Active Zero-State Switch (AZS) for Commonmode Voltage Reduction in Voltage Source Inverter (VSI) Drives, 2020 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC).
• [18] Thompson S. T., James B. D., Huya-Kouadio J. M., Houchins C., DeSantis D. A., Ahluwalia R., Papageorgopoulos D., Direct hydrogen fuel cell electric vehicle cost analysis: System and high-volume manufacturing description, validation, and outlook. Journal of Power Sources, 399(2018), 304-313

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2025).