Intelligente Power-Module Energie sparende Antriebe für Kompressoren entwickeln

Autor / Redakteur: Alberto Guerra * / Gerd Kucera

Miniaturisierung bedeutet bei den Power-Modulen der Serie µIPM ein 12 mm x 12 mm kleines Gehäuse mit 60% weniger Montagefläche gegenüber bisherigen IC zur Regelung von 3-Phasen-Motoren.

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Bild 1: Die oberflächenmontierbaren Power-Module µIPM ergänzen die iMOTION-Plattform und sind zur Low-Power-Regelung von 3-Phasen Motoren ausgelegt
Bild 1: Die oberflächenmontierbaren Power-Module µIPM ergänzen die iMOTION-Plattform und sind zur Low-Power-Regelung von 3-Phasen Motoren ausgelegt
(Bild: IRF)

Angesichts der globalen Notwendigkeit, den Energieverbrauch und die Kohlenstoffemissionen zu senken, werden die verbindlichen Ökodesign-Richtlinien strenger und sie umfassen ein breiteres Spektrum von Produkttypen und Design-Kriterien. Die europäische ErP-(Energy-related Products-)Richtlinie (2009/125/EC) gibt in Bezug auf Energieverbrauch und Energieeffizienz den Produkten strenge Zielsetzungen vor, die sowohl komplette Haushaltsgeräte als auch Einbaugruppen wie Ventilatoren und Umwälzpumpen umfassen. Diese Vorgaben müssen erfüllt werden, um für das Produkt die erforderliche CE-Kennzeichnung zu erhalten, wenn es in der EU in den Handel soll.

Darüber hinaus zwingt die Energiekennzeichnung von Haushaltsgeräten die Hersteller dazu, sich um eine bessere Effizienz zu bemühen, um ihren Marktanteil zu halten. Die europäischen Zielsetzungen wurden in der jüngsten Energiekennzeichnungsrichtlinie (Energy Labelling Directive 2010/30/EU) verschärft, nachdem immer mehr Geräte den Spitzenwert „Effizienzklasse A“ erreichten und die EU davon ausgeht, dass neue Technologien zu weiteren Reduzierungen des Energieverbrauchs eines Produkts der Klasse A um 50% führen. In der Praxis werden die Energieeffizienz-Ziele der jüngsten Ökodesign-Vorschriften die OEMs dazu zwingen, vorhandene Entwicklungen durch energieeffizientere Systeme zu ersetzen.

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Bisherige Methode der Kompressor-Entwicklung

Nimmt man den Kühlschrank als Beispiel für ein typisches Haushaltsgerät, auf das die ErP- und Energiekennzeichnungs-Richtlinien zutreffen, dann ist der Kompressor ein entscheidendes Subsystem, das für einen beträchtlichen Anteil an der insgesamt verbrauchten Energie verantwortlich ist. Durch eine Verbesserung der herkömmlichen Ein-Aus-Regelung des Kompressors mithilfe höher entwickelter Techniken können Entwickler nicht nur einen wesentlichen Teil der verbrauchten Energie einsparen, sondern auch Verbesserungen erzielen wie einen geräuschärmeren Betrieb sowie eine verbesserte Temperaturregelung.

Die etablierte Vorgehensweise bei der Entwicklung besteht in der größenmäßigen Auslegung des Kompressorsystems, um die maximal erforderliche Kühlkapazität unter Worst-Case-Betriebsbedingungen zu gewährleisten (beispielsweise im Sommer sowie unter Berücksichtigung des Öffnens und Schließen der Kühlschranktür). Auch wenn diese Maximalforderung kaum je gebraucht wird, zieht ein System mit einfacher Ein/Aus-Regelung die Nennleistung immer, sobald es eingeschaltet ist. Deshalb verbraucht das System übermäßig viel Energie einfach nur um die gewünschte Temperatur unter den meisten Betriebsbedingungen beizubehalten.

Die Verwendung eines Kompressors mit fester Drehzahl und einfacher Ein-Aus-Regelung kann zudem zu einer verhältnismäßig instabilen Kühlraumtemperatur führen. Das liegt daran, dass die Temperatur rasch unter den gewünschten Einstellwert fällt, wenn der überdimensionierte Kompressor eingeschaltet wird, und steigt dann über den eingestellten Wert, bevor die rasche Kühlung wieder einsetzt. Ein derart abruptes Umschalten zwischen dem abgeschalteten Zustand und Betrieb mit voller Drehzahl ruft außerdem merkliche Veränderungen der Störgeräusche hervor, die beim Nutzer einen negativen Eindruck hinterlassen.

Elektronische Regelung spart viel Energie

Eine elektronische Drehzahlregelung für den Kompressor unter Verwendung eines Wechselrichterantriebs vermag den Gesamtenergieverbrauch dadurch beträchtlich zu senken, dass die Kompressordrehzahl entsprechend der Betriebsart des Haushaltsgeräts eingestellt werden kann. Zum Beispiel kann der Motor zum raschen Herunterkühlen eine kurze Zeit mit voller Drehzahl betrieben werden, um dann mit deutlich geringerer Geschwindigkeit zu laufen, um den Kühlraum stabil und beständig auf dem Temperatursollwert zu halten.

Die Entwicklung der Regel- und Stromversorgung

Mit diesem Lösungsansatz können Schaltungsentwickler einen Kompressor mit geringerer Maximalkapazität spezifizieren und dadurch sowohl Kosten sparen und die Größe zu reduzieren als auch den Strombedarf zu senken. Dadurch, dass ein weites Spektrum von Betriebsdrehzahlen zur Verfügung steht, können Haushaltsgeräte-Entwickler neue Produkte herausbringen, die weniger Energie verbrauchen und weniger Störgeräusche verursachen, weil sie für einen sanften Übergang zwischen dem ein- und dem ausgeschalteten Betrieb sorgen, sowie eine konstantere Temperatur mit einer geringeren Fluktuation um den Sollwert herum aufrechterhalten.

Um die Motordrehzahl als Reaktion auf die gemessene Temperatur sowie sämtliche anderen relevanten Daten wie die Erfassung von offener/geschlossener Tür zu kontrollieren, kann ein digitaler Signalprozessor zur Berechnung der passenden Regelsignale für den Wechselrichter Verwendung finden, der die Signalformen zur Motorregelung generiert. Die Feld-orientierte Steuerung (FOC) stellt die bevorzugte Regeltechnik für bürstenlose Motoren dar. Wobei man generell davon ausgeht, dass sie eine lineare Drehmomentregelung mit geringen Störgeräuschen, einen breiten Drehzahlbereich und minimalen Verschleiß der Motorlager bietet.

Der FOC-Algorithmus kann mithilfe eines universellen digitalen Signalprozessors (DSP) oder eines digitalen Signal-Controllers (DSC) in Software ausgeführt werden. Eine andere Methode besteht in der Verwendung eines integrierten Controllers, der einen Großteil der Motorregel-Funktionalität in anpassbarer Hardware implementiert. Zu den Vorteilen dieses Lösungsansatzes zählen eine verringerte Zahl von Komponenten, eine schnellere Ausführung des Algorithmus und ein einfacheres Design, das keinerlei Codierung der Steuersoftware benötigt.

Die digitalen Control-ICs iMOTION™ (ai mo shan)* von International Rectifier implementieren die Motor Control Engine™ von IR. Dabei handelt es sich um ein Hardware-IP, das in der Lage ist, den geberlosen FOC-Algorithmus in ungefähr 11 µs auszuführen. Die Entwickler können den Algorithmus zur Motorregelung unter Einsatz der iMOTION-Tools sowie der MCE-Bibliothek anpassen. Hierzu sind im Controller wichtige Systemfunktionen integriert, beispielsweise ein 8051-basierter Mikrocontroller für die User-Anwendung, sowie eine eingebettete Analog Signal Engine, welche die Signalaufbereitungs- und Signalwandlungs-Schaltungen für die geberlose Einstrom-Shunt-Regelung implementiert.

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