Varmepumper krever optimaliserte løsninger

Takket være sin høye ytelseskoeffisient (COP), kan varmepumpen levere langt mer effektiv temperaturkontroll til hjemmet og kontoret enn konvensjonelle systemer, slik som for eksempel gasskjeler. For å sikre at teknologien brukes så bredt som mulig i utviklingen mot netto-nullutslipp, må produsentene se nøye på materiallisten og systemkostnadene. Referansedesign gir verdifull veiledning til disse, ettersom de illustrerer hvordan en rekke komponenter kan levere mer enn summen av delene ved å ta hensyn til hvordan ulike teknologier kan støtte hverandre. Resultatet er et design som både minimerer kostnadene for delsystemet og reduserer utviklingstiden.

Konseptet bak varmepumpen er effektfullt, men enkelt, ved å bruke en utveksling av varme med bygningens omgivelser gjennom selektiv komprimering og utvidelse av en kuldemediegass. Ved å bruke denne prosessen oppnår varmepumpen optimal energiutnyttelse, og leverer mer enn 7 kW varme med bruk av kun 1kW elektrisk kraft, under optimale forhold. Praktiske hensyn og temperaturvariasjoner gjennom året reduserer den beregnede virkningsgraden. Likevel er det vanlig å oppnå tall fra 2,5 til 5. Hvis du sammenligner med en vanlig vannkjele, vil denne levere bare omtrent 90 % av den leverte kraften til nyttig varme, noe som resulterer i en COP på mindre enn 1.

Motorstyring er nøkkelen til effektiv termisk utveksling, reduserte tap og optimal bruk av energi. Det er flere viktige plasseringer for motorstyringer inne i varmepumper, som normalt er delt inn i to moduler. En av disse modulene sitter normalt utendørs. Denne enheten inneholder en tank som ivaretar kjølemediet som brukes i hele varme- og kjølesystemet sammen med en kompressor, vifte og en fordamper/kondenseringsenhet.

I de fleste tilfeller inneholder en typisk, mindre innendørsenhet motorer som sørger for væskestrømmen gjennom varmesystemet. Den inneholder også ytterligere en fordamper/kondenseringsenhet, samt brukergrensesnittpanelet. De to enhetene utveksler varme mellom innendørs- og utendørsmiljøet ved hjelp av en kjøleprosess som bruker parede kompresjons-kondenserings- eller ekspansjons-fordampningssykluser, avhengig av om innendørsmiljøet trenger oppvarming eller kjøling.

Toshiba utviklet referansedesignet RD219 for å hjelpe ingeniører med å levere et effektivt varmepumpesystem. I kjernen er en enkelt MCU, kombinert med kraftkomponenter med lave tap, i en arkitektur som optimaliserer materiallisten.

Fokus på kraftomforming

Kraftomformingsteknologi spiller en viktig rolle gjennom hele designet. Kompressoren og væske- og luftpumpene representerer nøkkelplasseringer for motorstyringer. Sirkulasjonspumper og ventiler, basert på enten motorer eller solenoider, hjelper til med å kontrollere strømmen av kjølemediegass eller væske gjennom det innendørs varmesystemet. Laveffekt permanent-magnet synkronmotorer (PMSM) eller børsteløse DC- (BLDC) motorer kan brukes til å drive ytterligere vifter for å øke hastigheten på innendørs luftfordeling.

Fordi varmepumper bruker betydelige mengder strøm, er effektiv likeretting av AC-forsyningen et viktig krav for kraftforsyningselektronikken. Designet må utføre effektfaktorkorreksjon (PFC) for å forhindre høye nivåer av reaktiv effekt som genereres av enkle likerettingskretser, selv ved hjelp av kapasitiv utjevning. Aktive PFC-kretser leverer bedre korreksjonsevner, ved å bruke en såkalt boost-chopper-konfigurasjon for å kontrollere strømmen av energi over flere svitsjeoperasjoner per AC-syklus. Denne kretsen former bølgeformen til strømmen slik at den følger sinusbølgeprofilen til inngangsspenningen. Ved å gjøre det leverer den en nær enhetlig effektfaktor.

Selv om designere kan velge mellom flere metoder for PFC, vil kontinuerlig ledningsmodus (CCM) levere den laveste strømrippelen. En konsekvens av dette er den potensielle genereringen av en omvendt gjenopprettingsstrøm som overlagres strømmen som passerer gjennom kretsens induktor når hver krafttransistor er slått av. Implementering av en Schottky-diode som Toshibas TRS24N65FB bidrar til å minimere tap. Silisiumkarbidteknologien fører til lavere lagret ladning og dermed lave koblingstap. En hurtigsvitsjende bipolar transistor med isolert port, slik som GT30J65MRB, forbedrer effektiviteten ytterligere.

Ved optimalisering av kraftomformingseffektiviteten i en varmepumpe er den mest kritiske motoren den man finner i kompressoren. Denne motoren, typisk basert på en AC-arkitektur, vil møte de største variasjonene i driftsforholdene, som følge av det vekslende gasstrykket. Dette fører til store forskjeller i dreiemomentkrav.

Felt-orientert styring

Nøkkelen til effektivitet i denne motoren er å bruke avansert feltorientert styring (FOC) i stedet for enklere metoder, slik som volt-per-hertz. FOC justerer kontinuerlig strømmen som tilføres de tre gruppene av statorviklinger inne i en typisk BLDC-motor for å tvinge rotoren til å bevege seg fra en posisjon til den neste. I motsetning til dette, lider enkle styremetoder av forskjellige svakheter som høye dreiemoment-bølger, store tap og langsom reaksjon på raske endringer i lasttilstanden.

I FOC er dreiemoment et sentralt element. Teknikken fungerer ved å nøyaktig modellere magnetfeltet inne i motoren. Den bruker den matematiske modellen til å forutsi motorens tilstand, inkludert rotorposisjon, til enhver tid. Når belastningsforholdene endres og endrer sensorinnganger, reagerer FOC for å justere strøm- og spenningsforsyningen til hver fase. Denne reaksjonsevnen sikrer at motoren fungerer med optimal effektivitet under varierende belastnings- og hastighetskrav.

En viktig fordel med FOC ligger i dens evne til å redusere harmonisk forvrengning i det elektriske systemet. Metoden sikrer at bølgeformen påført motoren samsvarer med en jevn sinusformet form. Dette reduserer tapene som er forbundet med harmoniske strømmer. Motoren genererer mindre varme og den generelle systemeffektiviteten forbedres.

Bruken av en matematisk modell for å bestemme rotortilstanden eliminerer behovet for å inkludere posisjons- eller roterende bevegelsessensorer i systemdesignet. Algoritmen kan estimere rotorvinkelen ved å bruke bare strømfeedback levert av en enkel shuntmotstand.

Høyhastighets prosessering

Den matematiske modellen krever kompleks aritmetikk, som er avhengig av gjentatte multiplikasjoner kombinert med sinus og cosinus trigonometriske funksjoner. Dette utgjør et problem for tradisjonelle MCUer. De har sjelden optimaliserte instruksjoner for slike spesifikke oppgaver. For å bruke disse enhetene, må utviklere implementere programvarefunksjoner basert på oppslagstabeller for trigonometriske funksjoner sammen med multi-instruksjonsemulering av komplekse multiplikasjoner. Alternativet er å bruke en digital signalprosessor (DSP) som har den nødvendige maskinvarestøtte for disse operasjonene, selv om denne kan mangle infrastrukturen som trengs for avbruddsdrevet inngangs-/utgangskontroll, som også er nødvendig for motorstyring.

Selv om pumpemotorene kan bruke relativt enkle motorstyringsteknikker ettersom de ikke er utsatt for de store dreiemomentendringene til kompressoren, finnes det brukerkrav som vil komplisere designet. Dreiemomentrippelen til enkle trapesformede styresignaler som ofte brukes til å kontrollere BLDC-motorer resulterer i uønsket støy og vibrasjoner. Det er et problem i boligmiljøer der folk kanskje sover i nærheten av varmepumpens eksterne enhet.

Som et resultat av dette kan systemdesignere føle behov for å bruke flere MCUer, muligens i kombinasjon med en digital signalprosessor (DSP), for å implementere FOC-beregningene. Imidlertid kan oppmerksomhet på behovene til hvert av disse undersystemene føre til en løsning der én systembrikke (SoC) kan håndtere alle hovedfunksjonene til en varmepumpe.

Integrert design

For FOC og andre algoritmer som trenger avanserte aritmetiske og trigonometriske funksjoner, er en løsning å bruke en høyhastighets Arm® Cortex®-M-prosessor og bruke den i kombinasjon med akseleratorer på brikken. Toshibas TMPM4KL gir et eksempel på dette, ved å bruke den Arm® Cortex®-M4 RISC-baserte prosessorkjernen som kjører med hastigheter på opptil 160 MHz. Et viktig tillegg til kjerneprosessoren er Advanced Vector Engine (A-VE). Denne gir maskinvarestøtten og instruksjonene som trengs for å utføre den avanserte DSPen som kreves av FOC.

PWM-ytelsen kan forbedres ved bruk av innebygde maskinvareenheter, for eksempel Toshibas A-PMD. Denne typen enhet implementerer en bølgegenereringskrets koblet med en synkron triggergenereringskrets. På tvers av tre faser skaper bølgegenereringskretsen passende PWM-signaler innenfor hver syklus. Modulen inkluderer muligheten til å sette inn en dødtidsperiode for hver fase, som er et viktig element i PWM-algoritmer for å forhindre gjennomslag i effekttrinnene. Disse funksjonene kan planlegges automatisk basert på dataene mottatt fra en enkelt strømshunt.

Referansedesignet RD219 kobler TMPM4KL med andre nøye utvalgte støttekomponenter. For eksempel, i kompressorseksjonen, sikrer TK20A60W5 600V DT-MOS MOSFET lave ledningstap og leverer med lave parasittiske kapasitanser for rask og effektiv svitsjing. Styring av motorfasesvitsjing er forenklet av TPD4204F, som integrerer en nivåskiftende portdriver-IC med superjunction MOSFETer.

Styring av ekstra motorer kan ivaretas med sensorløs sinusformet styring ved å bruke motorstyringsdriveren TC78B011FTG. Alt kan administreres av TMPM4KL, som takket være akseleratorene, har takhøyde for å styre to motorer ved hjelp av FOC, håndtere PFC og administrere pumpemotorstyringer med magnetventiler.

Det resulterende referansedesignet gir grunnlaget for å bygge effektive varmepumper ved å bruke kombinasjonen av avansert silisium for digital styring og høy-ytelses kraftkomponenter som henter det beste fra bredt båndgaps- og silisiumteknologier.

Forfattere: Frank Malik og Radoslav Valchev, Toshiba Electronics Europe GmbH