Soluzioni ottimizzate per pompe di calore

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Soluzioni ottimizzate per pompe di calore
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La pompa di calore è diventata la scelta migliore per il riscaldamento e la climatizzazione a basse emissioni di carbonio. Grazie al suo elevato coefficiente di prestazione (COP), essa è in grado di fornire un controllo della temperatura molto più efficiente, a casa e in ufficio, rispetto ai sistemi convenzionali, come le caldaie a gas.

Per garantire l’utilizzo più ampio possibile di questa tecnologia nella corsa verso lo zero netto di emissioni, i produttori dovranno considerare attentamente la distinta base e i costi del sistema. I progetti di riferimento forniscono a questi ultimi una guida preziosa che illustra come una varietà di componenti possa fornire più funzionalità della somma delle loro parti, tenendo conto del modo in cui diverse tecnologie possono supportarsi a vicenda. Il risultato è un design che minimizza il costo del sottosistema e riduce i tempi di sviluppo.

Il concetto alla base della pompa di calore è potente ma semplice: essa sfrutta uno scambio di calore con l’ambiente che circonda l’edificio tramite la compressione ed espansione selettiva di un gas refrigerante. Utilizzando questo processo, la pompa di calore garantisce un utilizzo ottimale dell’energia e può fornire più di 7 kW di calore utilizzando solo 1 kW di energia elettrica in condizioni ottimali. Alcuni aspetti pratici e le variazioni di temperatura che si registrano nel corso dell’anno riducono l’efficienza calcolata. Ciò nonostante, è comune ottenere valori compresi tra 2,5 e 5. Tali risultati reggono bene il confronto con le prestazioni di una caldaia ad acqua convenzionale. Quest’ultima fornirà solo il 90% circa dell’energia erogata come calore utile, corrispondente ad un COP inferiore a 1.

Il controllo del motore è fondamentale per uno scambio termico efficace, al fine di ridurre le perdite e di garantire un utilizzo ottimale dell’energia. I controllori dei motori sono posizionati principalmente in diversi siti all’interno delle pompe di calore, che di norma sono organizzati in due moduli. Uno di questi si trova di solito all’esterno.  Esso contiene un serbatoio che fornisce il refrigerante utilizzato in tutto il sistema di riscaldamento e raffreddamento, insieme a un compressore, a una ventola e a un’unità evaporatore/condensatore.

Nella maggior parte dei casi, un’unità interna più piccola contiene i motori che dirigono il flusso del fluido attraverso l’impianto di riscaldamento. Quest’ultima contiene anche una seconda unità evaporatore/condensatore e il pannello dell’interfaccia utente. Le due unità scambiano calore tra l’ambiente interno e quello esterno utilizzando un processo di refrigerazione che utilizza cicli accoppiati di compressione-condensazione o espansione-evaporazione, a seconda che l’ambiente interno necessiti di riscaldamento o di raffreddamento.

Toshiba ha sviluppato il progetto di riferimento RD219 per aiutare gli specialisti del supporto a fornire un sistema efficiente di pompe di calore. Alla base è presente una singola MCU combinata con componenti di alimentazione a basse perdite in un’architettura che ottimizza la distinta base.

Un approfondimento sulla conversione di potenza

La tecnologia di conversione della potenza svolge un ruolo fondamentale in tutto il progetto. Il compressore e le pompe per fluidi e aria rappresentano i siti chiave per i controllori dei motori. Le pompe e le valvole di circolazione, basate su motori o solenoidi, aiutano a controllare il flusso del gas o del liquido refrigerante attraverso il sistema di riscaldamento dell’ambiente interno. È possibile utilizzare motori sincroni a magneti permanenti a bassa potenza (PMSM) o i motori DC senza spazzole (BLDC) per azionare ventole aggiuntive che aumentano la velocità di distribuzione dell’aria interna.

Poiché le pompe di calore consumano una notevole quantità di energia, una rettifica efficiente della rete AC è un requisito importante per i sistemi elettronici di alimentazione. I progetti dovranno eseguire la correzione del fattore di potenza (PFC) per impedire il raggiungimento degli alti livelli di potenza reattiva che vengono generati da semplici circuiti di rettifica, anche con l’aiuto del livellamento capacitivo. I circuiti PFC attivi offrono migliori capacità di correzione, e utilizzano una configurazione boost-chopper per controllare il flusso di energia su più operazioni di commutazione per ciclo AC. Questo circuito modella la forma d’onda della corrente per seguire il profilo sinusoidale della tensione di ingresso. In tal modo, fornisce un fattore di potenza vicino all’unità.

Sebbene i progettisti possano scegliere fra diversi metodi di PFC, la modalità a conduzione continua (CCM) fornirà il valore più basso di ripple di corrente. Una conseguenza di questa opzione è la potenziale generazione di una corrente di recupero inverso, la quale si sovrappone alla corrente che attraversa l’induttore del circuito quando tutti transistor di potenza sono spenti. L’aggiunta di un diodo Schottky come il TRS24N65FB di Toshiba contribuisce a ridurre al minimo le perdite. La sua tecnologia al carburo di silicio consente di ottenere una minore carica immagazzinata e quindi basse perdite di commutazione. Un transistor bipolare a gate isolato a commutazione rapida, come il GT30J65MRB, migliora ulteriormente l’efficienza.

Ai fini dell’ottimizzazione dell’efficienza di conversione dell’energia in una pompa di calore, il motore più critico è quello del compressore. Quest’ultimo, basato in genere su un’architettura AC, subirà maggiori variazioni delle condizioni operative, prodotte dalla pressione alternata del gas. Ciò comporta grandi differenze nei requisiti di coppia.

Controllo orientato al campo

La chiave per massimizzare l’efficienza di questo motore è utilizzare il controllo avanzato orientato al campo (FOC) anziché metodi più semplici, come la conversione tensione-frequenza. Il FOC regola continuamente la corrente fornita ai tre gruppi di avvolgimenti dello statore all’interno di un tipico motore BLDC, per forzare il rotore a spostarsi da una posizione all’altra. Per contro, i metodi di controllo più semplici presentano diverse vulnerabilità come, tra l’altro, oscillazioni di coppia elevate, perdite eccessive e una reazione lenta a variazioni rapide delle condizioni di carico.

Lo schema FOC considera la coppia un elemento centrale del proprio funzionamento. Questa tecnica funziona modellando accuratamente il campo magnetico all’interno del motore. Il modello matematico viene usato per prevedere in qualsiasi momento lo stato del motore, inclusa la posizione del rotore. Quando le condizioni di carico cambiano e alterano gli ingressi dei sensori, l’algoritmo FOC risponde per regolare l’alimentazione di corrente e la tensione per ciascuna fase. Questa capacità di risposta assicura il funzionamento del motore con un’efficienza ottimale in presenza di requisiti di carico e di velocità variabili.

Un vantaggio chiave dello schema FOC risiede nella sua capacità di ridurre la distorsione armonica nel sistema elettrico. Esso garantisce la conformità della forma d’onda della corrente applicata al motore con una sinusoide regolare. Ciò riduce le perdite associate alle correnti armoniche. Il motore genera meno calore e l’efficienza complessiva del sistema migliora.

L’utilizzo di un modello matematico per determinare lo stato del rotore evita la necessità di includere sensori di posizione o di rotazione nel progetto del sistema. L’algoritmo è in grado di stimare l’angolo del rotore utilizzando solo la risposta di corrente fornita da un semplice resistore di shunt.

Elaborazione ad alta velocità

Il modello matematico richiede calcoli aritmetici complessi, che si basano su moltiplicazioni ripetute combinate con le funzioni trigonometriche seno e coseno. Questo rappresenta un problema per le MCU tradizionali. Esse dispongono raramente di istruzioni ottimizzate per attività così specifiche. Per utilizzare tali dispositivi, gli sviluppatori devono introdurre funzioni software basate su tabelle di ricerca per le funzioni trigonometriche, combinate con l’emulazione multi-istruzione di moltiplicazioni complesse. L’alternativa consiste nell’utilizzare un processore di segnali digitali (DSP) che richiede il supporto hardware per queste operazioni, sebbene questa opzione potrebbe non offrire l’infrastruttura necessaria per il controllo degli ingressi/uscite basato sugli interrupt, che è anche richiesto per il controllo dei motori.

Sebbene i motori delle pompe possano utilizzare tecniche di controllo del motore relativamente semplici, non essendo soggetti a grandi variazioni di coppia del compressore, essi potrebbero incorrere in complicazioni del progetto in presenza di alcuni requisiti dell’utente. Le variazioni di coppia di semplici segnali di controllo trapezoidali spesso utilizzati per controllare i motori BLDC danno origine a rumori e vibrazioni indesiderate. Questo è un problema negli ambienti domestici, in cui è possibile che le persone dormano vicino all’unità esterna della pompa di calore.

Di conseguenza, per eseguire i calcoli FOC, i progettisti di sistemi potrebbero avvertire la necessità di impiegare più MCU, possibilmente in combinazione con un processore di segnali digitali (DSP). Tuttavia, una particolare attenzione alle esigenze di ciascuno di questi sottosistemi consente di ottenere una soluzione in cui un dispositivo system-on-chip (SoC) può gestire tutte le principali funzioni di una pompa di calore.

Progettazione integrata

Per il FOC e altri algoritmi che richiedono funzioni aritmetiche e trigonometriche avanzate, una soluzione consiste nell’utilizzare un processore Arm Cortex-M ad alta velocità in combinazione con degli acceleratori su chip. Il TMPM4KL di Toshiba ne costituisce un esempio: esso utilizza il core di processore basato su core RISC Arm Cortex-M4 che opera a velocità fino a 160 MHz. Un complemento essenziale al processore principale è l’Unità Vettoriale Avanzata (A-VE). Quest’ultima fornisce il supporto hardware e le istruzioni necessarie per eseguire le funzioni DSP avanzate richieste dall’algoritmo FOC.

È possibile migliorare le prestazioni PWM utilizzando unità hardware su chip, come l’A-PMD di Toshiba. Questo tipo di unità adotta un circuito di generazione di onde accoppiato a un circuito sincrono di generazione del segnale di trigger. Il circuito di generazione delle onde crea segnali PWM appropriati, in tre fasi, all’interno di ciascun ciclo. Il modulo include la possibilità di inserire un intervallo di tempo morto per ogni fase, che costituisce un elemento fondamentale degli algoritmi PWM per prevenire le sovracorrenti nelle fasi di alimentazione. Queste funzioni possono essere programmate automaticamente in base ai dati ricevuti da un singolo shunt di corrente.

Il progetto di riferimento RD219 abbina il SoC TMPM4KL ad altri componenti di supporto selezionati con cura. Ad esempio, nella sezione del compressore, il MOSFET DT-MOS TK20A60W5 da 600V garantisce basse perdite di conduzione e capacità parassite ridotte per una commutazione rapida ed efficiente. Il controllo della commutazione di fase del motore risulta semplificato dal TPD4204F, che integra un IC gate driver a traslazione di livello dotato di MOSFET a supergiunzione.

Utilizzando il driver per il controllo motore TC78B011FTG è possibile assicurare il controllo su ulteriori motori tramite uno schema sinusoidale senza sensori. Il tutto può essere gestito dal SoC TMPM4KL che, grazie ai suoi acceleratori, è in grado di controllare due motori tramite schema FOC, di gestire l’algoritmo PFC e di comandare i controllori pompa-motore con valvole azionate a solenoide.

Il progetto di riferimento risultante fornisce la base per la costruzione di pompe di calore efficienti utilizzando una combinazione di dispositivi avanzati su silicio per il controllo digitale e di dispositivi di alimentazione ad alte prestazioni che sfruttano al massimo le tecnologie a banda larga e su silicio.

di Frank Malik, Radoslav ValchevToshiba Electronics Europe

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