Lämpöpumpusta on tullut ensisijainen valinta vähähiiliseen lämmitykseen ja ilmastointiin. Korkean hyötysuhteensa ansiosta se tarjoaa huomattavasti tehokkaamman lämpötilansäädön kotiin ja toimistoon kuin perinteiset järjestelmät, kuten kaasukattilat. Sen tehokkain käyttö edellyttää kuitenkin optimointia.

Jotta tätä teknologiaa voitaisiin hyödyntää mahdollisimman laajasti matkalla kohti hiilineutraaliutta, valmistajien on tarkasteltava huolellisesti materiaalilistaa ja järjestelmän kustannuksia. Referenssisuunnitelmat tarjoavat arvokasta ohjausta, sillä ne osoittavat, kuinka erilaiset komponentit voivat yhdessä tuottaa enemmän kuin osiensa summan, kun otetaan huomioon eri teknologioiden yhteistoiminta. Tuloksena on suunnittelu, joka sekä minimoi alijärjestelmän kustannukset että lyhentää kehitysaikaa.

Lämpöpumpun perusperiaate on tehokas mutta yksinkertainen: se hyödyntää lämmönvaihtoa rakennuksen ympäristön kanssa valikoivasti puristamalla ja laajentamalla kylmäainekaasua. Tämän prosessin avulla lämpöpumppu saavuttaa optimaalisen energiankäytön, tuottaen yli 7 kW lämpöä vain 1 kW:n sähköteholla optimaalisissa olosuhteissa. Käytännön olosuhteet ja vuoden mittaan vaihtelevat lämpötilat kuitenkin alentavat laskennallista hyötysuhdetta. Siitä huolimatta on tavallista saavuttaa arvoja välillä 2,5–5. Tämä on huomattavasti parempi kuin perinteinen vesikattila, joka pystyy muuntamaan vain noin 90 % käyttämästään energiasta hyödylliseksi lämmöksi, mikä johtaa alle 1:n hyötysuhteeseen (COP, coefficient of performance), eli tuottaa vähemmän lämpöenergiaa kuin se kuluttaa sähköenergiaa.

Moottoriohjaus on keskeisessä asemassa tehokkaan lämmönvaihdon kannalta, sillä se vähentää häviöitä ja mahdollistaa energian optimaalisen käytön. Lämpöpumpuissa on useita tärkeitä paikkoja moottoriohjaimille, ja ne on yleensä jaettu kahteen moduuliin. Yksi näistä moduuleista sijaitsee yleensä ulkona. Tämä yksikkö sisältää säiliön, joka varastoi koko lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmässä käytettävän kylmäaineen, sekä kompressorin, tuulettimen ja höyrystin-/lauhdutinyksikön.

Kuva 1. Kylmäaineen virtaus lämpöpumpun läpi.

Useimmissa tapauksissa pienempi sisäyksikkö sisältää moottoreita, jotka ohjaavat nesteen virtausta lämmitysjärjestelmän läpi. Siinä on myös toinen höyrystin-/lauhdutinyksikkö sekä käyttäjärajapaneeli. Nämä kaksi yksikköä siirtävät lämpöä sisä- ja ulkoympäristön välillä jäähdytysjärjestelmää muistuttavan prosessin avulla, joka hyödyntää joko puristus-lauhdutus- tai laajennus-haihdutuskiertoja sen mukaan, tarvitaanko sisätiloihin lämmitystä vai jäähdytystä.

Toshiba kehitti RD219-referenssisuunnittelun tukemaan insinöörejä tehokkaan lämpöpumppujärjestelmän toteuttamisessa. Sen ytimessä on yksi mikro-ohjain (MCU), joka on yhdistetty pienen häviön tehoelektroniikkakomponentteihin arkkitehtuurissa, joka optimoi materiaalilistan.

Tehonmuunnos keskiöön

Tehonsiirtotekniikalla on keskeinen rooli koko suunnittelussa. Kompressori sekä neste- ja ilmapumput ovat moottoriohjainten kannalta tärkeitä komponentteja. Kiertopumput ja venttiilit, jotka perustuvat joko moottoreihin tai solenoideihin, ohjaavat kylmäainekaasun tai -nesteen virtausta sisätilojen lämmitysjärjestelmässä. Pienitehoisia kestomagneettisynkronimoottoreita (PMSM) tai harjattomia tasavirtamoottoreita (BLDC) voidaan käyttää lisätuulettimien ohjaamiseen sisäilman jakelun tehostamiseksi.

Koska lämpöpumput kuluttavat merkittäviä määriä sähköä, verkkovirran tehokas tasasuuntaus on tärkeä vaatimus virtalähde-elektroniikalle. Suunnittelussa on suoritettava tehokerroinkorjaus (PFC) estääkseen suuren loistehon muodostumisen, joka syntyy yksinkertaisilla tasasuuntauspiireillä, vaikka niitä täydennettäisiin kapasiivisella suodatuksella. Aktiiviset PFC-piirit tarjoavat paremmat korjausominaisuudet hyödyntämällä boost-chopper-konfiguraatiota energian virtauksen hallintaan useiden kytkentätoimintojen avulla jokaisessa vaihtovirran syklissä. Tämä piiri muotoilee virran aaltomuodon vastaamaan syöttöjännitteen sinikäyrää, mikä tuottaa lähes yksikön (1) suuruisen tehokerroin-arvon.

Vaikka suunnittelijat voivat valita useista PFC-menetelmistä, jatkuvan johtavuuden tila (CCM) tuottaa pienimmän virran vaihtelun. Yksi tämän seurauksista on mahdollinen käänteisen palautusvirran muodostuminen, joka summautuu virtapiirin induktorin läpi kulkevaan virtaan, kun kukin tehotransistori kytketään pois päältä. Schottky-diodin, kuten Toshiban TRS24N65FB, lisääminen auttaa minimoimaan häviöt. Sen piikarbiditeknologia vähentää varastoitua varausta ja siten myös kytkentähäviöitä. Nopeakytkentäinen eristetyn hilaportin bipolaaritransistori, kuten GT30J65MRB, parantaa tehokkuutta entisestään.

Kun lämpöpumpun tehonmuunnoksen hyötysuhdetta optimoidaan, kriittisin moottori on kompressorissa. Tämä moottori, joka perustuu tyypillisesti vaihtovirtarakenteeseen, kohtaa suurimmat muutokset käyttöolosuhteissa vaihtelevan kaasupaineen seurauksena. Tämä johtaa suuriin eroihin vääntömomentin vaatimuksissa.

Kenttäorientoitu ohjaus

Tämän moottorin tehokkuuden avain on edistyneen kenttäorientoidun ohjauksen (FOC) käyttö yksinkertaisempien menetelmien, kuten V/Hz-ohjauksen (volttia hertsiä kohti), sijaan. FOC säätää jatkuvasti virtaa, joka syötetään tyypillisen BLDC-moottorin staattorin kolmelle käämiryhmälle, mikä pakottaa roottorin siirtymään yhdestä asennosta toiseen. Sen sijaan yksinkertaisilla ohjausmenetelmillä on useita haittoja, kuten korkeat vääntömomentin vaihtelut, suuret häviöt ja hidas reagointi nopeisiin kuormitusolosuhteiden muutoksiin.

FOC pitää vääntömomenttia keskeisenä osana ohjausstrategiaansa. Tämä tekniikka toimii mallintamalla tarkasti moottorin sisäisen magneettikentän. Se hyödyntää tätä matemaattista mallia ennustaakseen moottorin tilan, mukaan lukien roottorin asennon, minä tahansa hetkenä. Kun kuormitusolosuhteet muuttuvat ja vaikuttavat anturitietoihin, FOC reagoi säätämällä virran ja jännitteen syöttöä kullekin vaiheelle. Tämä nopea mukautuminen varmistaa, että moottori toimii optimaalisella hyötysuhteella vaihtelevissa kuormitus- ja nopeusolosuhteissa.

Yksi FOC:n keskeisistä eduista on sen kyky vähentää harmonista säröä sähköjärjestelmässä. Menetelmä varmistaa, että moottoriin syötettävä virran aaltomuoto on tasainen sinimuotoinen käyrä. Tämä vähentää harmonisten virtojen aiheuttamia häviöitä, minkä seurauksena moottori tuottaa vähemmän lämpöä ja koko järjestelmän hyötysuhde paranee.

Roottorin tilan määrittäminen matemaattisen mallin avulla eliminoi tarpeen sisällyttää asento- tai pyörimisliikeantureita järjestelmäsuunnitteluun. Algoritmi pystyy arvioimaan roottorin kulman pelkästään virtatakaisinkytkennän avulla, joka saadaan yksinkertaisella shunttivastuksella.

Nopea prosessointi

Matemaattinen malli vaatii monimutkaista aritmetiikkaa, joka perustuu toistuviin kertolaskuihin sekä sini- ja kosinifunktioihin. Tämä aiheuttaa ongelmia perinteisille mikro-ohjaimille (MCU), sillä niiden käskykannat eivät yleensä ole optimoituja tällaisiin erityistehtäviin. Näiden ohjaimien hyödyntämiseksi kehittäjien on toteutettava ohjelmistopohjaisia funktioita, jotka perustuvat trigonometriafunktioiden hakutaulukoihin sekä monivaiheiseen monimutkaisten kertolaskujen emulointiin. Vaihtoehtona on digitaalisen DSP-signaaliprosessorin käyttö, sillä se tarjoaa tarvittavan laitteistotuen näille laskutoimituksille. DSP:ltä saattaa kuitenkin puuttua tarvittava infrastruktuuri keskeytysohjattuun tulo/lähtöohjaukseen, joka on myös olennainen moottorinohjausta varten.

Vaikka pumppumoottorit voivat käyttää suhteellisen yksinkertaisia moottorinohjaustekniikoita, koska ne eivät altistu kompressorin kaltaisille suurille vääntömomentin muutoksille, käyttäjävaatimukset voivat monimutkaistaa suunnittelua. Yksinkertaisten, usein BLDC-moottorien ohjauksessa käytettyjen trapezoidimuotoisten ohjaussignaalien aiheuttama vääntömomentin vaihtelu tuottaa ei-toivottua melua ja tärinää. Tämä on ongelma erityisesti kotitalousympäristöissä, joissa ihmiset saattavat nukkua lähellä lämpöpumpun ulkoyksikköä.

Tämän seurauksena järjestelmäsuunnittelijat saattavat kokea tarpeen käyttää useita mikro-ohjaimia (MCU) mahdollisesti yhdessä digitaalisen signaaliprosessorin (DSP) kanssa FOC-laskelmien toteuttamiseksi. Kuitenkin tarkka huomio kunkin alajärjestelmän vaatimuksiin voi johtaa ratkaisuun, jossa yksi järjestelmäpiiri (SoC) pystyy hallitsemaan kaikki lämpöpumpun keskeiset toiminnot.

Integroitu suunnittelu

FOC:n ja muiden kehittyneitä aritmeettisia ja trigonometrisia funktioita tarvitsevien algoritmien toteuttamiseen yksi ratkaisu on käyttää nopeaa Arm Cortex-M -prosessoria yhdessä piirille integroitujen kiihdyttimien kanssa. Esimerkkinä tästä on Toshiban TMPM4KL, joka hyödyntää Arm Cortex-M4 -suoritinta RISC-arkkitehtuurilla ja jopa 160 MHz kellotaajuudella.

Keskeinen lisäys prosessoriytimeen on Advanced Vector Engine (A-VE), joka tarjoaa laitteistopohjaisen tuen ja tarvittavat käskyt suorittamaan FOC:n edellyttämät kehittyneet DSP-laskennat tehokkaasti.

Kuva 2. Vektorinohjauskomponentit ja kiihdytystuki A-VE:ssä.

PWM-suorituskykyä voidaan parantaa käyttämällä piirille integroituja laitteistoyksiköitä, kuten Toshiban A-PMD. Tämäntyyppinen yksikkö sisältää aaltomuodon muodostuspiirin, joka on yhdistetty synkroniseen liipaisupiiriin. Kolmessa vaiheessa aaltomuodon muodostuspiiri tuottaa sopivat PWM-signaalit jokaisen syklin aikana.

Moduuli mahdollistaa myös kuolleen ajan (dead-time) lisäämisen jokaiselle vaiheelle, mikä on keskeinen osa PWM-algoritmeja, estäen shoot-through-ilmiön (tilanne, jossa molemmat transistoreista johtavat yhtä aikaa ja aiheuttavat oikosulun tehon vaiheissa).

Näitä toimintoja voidaan ohjata automaattisesti, perustuen yhden virtashuntin antamiin mittaustietoihin.

RD219-referenssisuunnittelu yhdistää TMPM4KL-prosessorin huolellisesti valittuihin tukikomponentteihin. Esimerkiksi kompressoriosiossa, TK20A60W5 600V DT-MOS MOSFET takaa matalat johtohäviöt ja tarjoaa pienen parasiittisen kapasitanssin, mikä mahdollistaa nopean ja tehokkaan kytkennän.

Moottorivaiheen kytkentäohjausta yksinkertaistaa TPD4204F, joka yhdistää tasonmuunnoksella varustetun porttiohjain-IC:n sekä superjunction-MOSFETit, mikä tehostaa ja selkeyttää ohjausprosessia.

Lisämoottorien ohjaus voidaan toteuttaa sensorittomalla sinimuotoisella ohjauksella, käyttämällä TC78B011FTG-moottorinohjausajuria. Kaikkia toimintoja voidaan hallita TMPM4KL-prosessorilla, joka kiihdyttimien (accelerators) ansiosta pystyy ohjaamaan kahta moottoria FOC:lla, suorittamaan PFC-säätöä sekä hallitsemaan pumppumoottoreiden ohjausta ja solenoidiventtiileitä.

Kuva 3. Keskeiset komponentit lämpöpumpun suunnittelussa.

Tämän referenssisuunnittelun tuloksena syntyy tehokas perusta lämpöpumppujen rakentamiseen, hyödyntäen edistynyttä piiteknologiaa digitaaliseen ohjaukseen sekä suorituskykyisiä teholaitteita, jotka maksimoivat laajan kaistaeron puolijohteiden ja piiteknologian hyödyt.