Sprawność jest jednym z najważniejszych parametrem stosowanym do oceny pomp hydraulicznych przez użytkowników. Wymagana wysoka sprawność doprowadziła producentów pomp do wykorzystania złożonych topologii i technik sterowania w napędzie pompy. Przekładają się one na nowe rozwiązania w sekcji zasilania pompy. Piotr Pupar, dyrektor działu rozwiązań technicznych firmy Future Electronics, objaśnia szczegóły.

W niniejszym artykule została przedstawiona jedna z metod stosowana przez producentów, aby spełnić wymagania systemu zasilania. Metoda ta to zintegrowany moduł zasilania (Integrated Power Module, IPM). Jest to urządzenie często spotykane na europejskim rynku przemysłowych silników elektrycznych. Teoretycznie moduł ten pozwala znacząco uprościć projekt z punktu widzenia wykonawcy pompy, eliminując dziesiątki elementów dyskretnych. Pojawia się pytanie, czy dostępne na rynku gotowe rozwiązania spełniają wymagania producentów pomp?

Władze wymagają większej wydajności

Pompy cyrkulacyjne o mocy hydraulicznej poniżej 2,5 kW są używane w dziesiątkach milionów gospodarstw domowych i biurowcach na całym świecie – głównie w systemach dystrybucji wody i centralnego ogrzewania. Sumaryczna energia przez wiele takich urządzeń stanowi znaczącą część całkowitej energii zużywanej na świecie, a zatem u zużycia paliw kopalnych. Wartość ta jest szacowana na 50 TWh w skali roku.

Z tego powodu Unia Europejska dostrzega możliwość znacznego zaoszczędzenia energii poprzez poprawę sprawności tych powszechnie wykorzystywanych pomp. Unijna dyrektywa 2005/32/EC z 2009. roku wymaga od producentów poprawy sprawności, osiągając sprawność mierzoną indeksem EEI (Energy Efficiency Index) poniżej 0,27 w 2013 roku i poniżej 0,23 w 2015 roku.

Główną strategią, którą producenci pomp stosują, aby spełnić te wymagania, jest użycie zaawansowanych elektronicznych systemów kontroli, które pozwalają zmniejszyć zużycie energii nawet o 80% w stosunku do tradycyjnych rozwiązań.

Indukcyjne silniki prądu zmiennego są mniej wydajne

Projektant systemu hydraulicznego musi wybrać pompę, która utrzyma najwyższą sprawność podczas największego obciążenia hydraulicznego. Tym samym pompa pracuje mniej wydajnie, jeśli obciążenie jest mniejsze od maksymalnego. Sprawność spada, gdy pompa cały czas pracuje z maksymalną szybkością dostosowaną do największego obciążenia.

Tradycyjne rozwiązania zawierały indukcyjne silniki prądu zmiennego o regulowanej szybkości, które wciąż są w powszechnym użyciu. Ten typ silnika jest jednak ze swej natury mniej wydajny, niż silniki typu PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor, silnik synchroniczny o magnesach trwałych). Silniki tego typu są nazywane silnikami bezszczotkowymi. Wymagają złożonego systemu sterowania, aby dopasować przepływ prądu przez statory do magnesów umieszczonych w wirniku w ten sposób, aby zmaksymalizować moment obrotowy.

Ponieważ silniki PMSM zazwyczaj pracują z większą szybkością, niż tradycyjne silniki indukcyjne AC, do obsługi takiego samego obciążenia hydraulicznego wymagana jest mniejsza pompa. Producenci pomp wybierają PMSM również ze względu na łatwiejszy montaż i większą niezawodność.

Rys. 1. Typowy stopień zasilania układu PMSM

Typowy schemat stopnia mocy PMSM jest pokazany na rysunku 1. Prostownik na wejściu i trójfazowe inwertery zasilają silnik. Algorytmy sterujące przełączaniem są zazwyczaj wykonywane przez mikrokontroler lub procesor sygnałowy. Standardowe elementy do określonych zastosowań znajdują się w ofercie dostawców, takich jak Fairchild Semiconductor.

Nowa generacja zintegrowanych modułów zasilania

Najważniejszą część zaawansowanego PMSM jest moduł kontrolny i schemat kontroli, który realizuje. To najbardziej istotny wybór z punktu widzenia producenta, który stanowi klucz do spełnienia wymagań norm takich, jak 2005/EC/32.

Jednak sam układ zasilania PMSM, widoczny na rysunku 1, stanowi skomplikowany obwód złożony z wielu elementów. W typowej pompie stosowanej w przemyśle lub w domu obwód ten musi być wytrzymały, niezawodny i kompaktowy, nie podnosząc przy tym ceny całości. Uzyskanie tych właściwości projektując układ od zera wymaga znacznego czasu i wysiłku.

Z tego powodu producenci elementów zasilających, tacy jak STMicroelectronics, Fairchild czy International Rectifier (IR) wprowadzili na rynek szereg gotowych układów zasilania odpowiednich  do silników pomp. Te inteligentne moduły zwierają zazwyczaj następujące elementy, pokazane na rysunku 2:

• Stopień mocy zbudowany z sześciu tranzystorów z izolowaną bramką (IGBT) lub MOSFET i sześciu diod ograniczających.
• Układ napędu złożony z trzech wysokonapięciowych sterowników bramki z rezystorami na bramce i diodami bootstrap.
• Elementy chroniące przed przepięciem, spadkiem napięcia, przeciążeniem i przegrzaniem oraz dodatkowe funkcje, takie jak pomiar prądu i czasu martwego.

Rys. 2. Typowy system zasilania napędu ze stopniem mocy zbudowanym z modułów IPM SLLIMM-nano firmy STMicroelectronics, oznaczonych niebieskim kolorem

Moduły IPM SLLIMM-nano firmy STMicroelectronics, pokazane na obrazku 2, są przeznaczone do pracy z mocą do 100 W. W praktyce specyfikacja większości pomp cyrkulacyjnych zakłada wartość od 50 do 150 W. Układy o takiej specyfikacji znajdują się w ofercie również innych producentów, w tym Fairchild oraz IR, którzy dostarczają moduły o podobnej skali integracji, co układy SLLIMM-nano. Fairchild oferuje serię Motion SPM 5, natomiast IR produkty o nazwie uIPM Integrated Power Modules. Produkty te przedstawiono w tabelach 1, 2 oraz 3.

Tab. 1. Seria Motion SPM 5 (Fairchild Semiconductor)

Tab. 2. Seria uIPM Integrated Power Modules

Tab. 3. Rodzin SLIMM-nano (STMicroelectronics)

Na pierwszy rzut oka wszystkie te moduły wydają się podobne. Występują jednak między nimi istotne różnice, na które producent pompy musi zwracać uwagę. Można wyróżnić trzy istotne cechy   modułów:

• dopuszczalne napięcie,
• wymiary,
• wbudowane funkcje ochrony.