Controller mit Leistungselektronik für Klimaanlage
Andy Fischer
Problemstellung
Die Firma Swisens AG aus Horw entwickelt Messgeräte zur Identifizierung von Luftpartikeln. Diese Messtationen sind den klimatischen Gegebenheiten der Umgebungsluft ausgesetzt. Für konstante Temperaturbedingungen im Messraum verfügt der Aufbau über ein anliegendes Klimagerät (Abbildung 1). Der aktuell verbaute Kontroller regelt die Zieltemperatur im Zweipunktbetrieb.
Das abrupte Ein –und Ausschalten der Motoren sorgt für Vibrationen, wodurch die Messungen beeinträchtigt werden können. Nun soll ein Prototyp entworfen werden, der genutzt werden kann, um die Aktoren drehzahlvariabel zu steuern.
Lösungskonzept
Zur Abstrahierung der Aufgabe wurde das Gesamtkonzept auf vier Bereiche aufgeteilt. Die Leistungselektronik wurde für einen Nennbetriebspunkt von 800W entworfen und beinhaltet die Netzkopplung, eine Netzfilterstufe, eine PFC (Power Factor Correction) Schaltung inklusive
Aufwärtssteller, eine Inverterstufe, ein Ausgangsfilter und schliesslich das Kühlkonzept. Der Steuerbereich mit dem Mikrocontroller (MCU) als zentrale Komponente verfügt über mehrere Kommunikationsschnittstellen (RS485, IO-Link und I2C), diverse IO‘s (24V und 3,3V), eine Temperaturmessung und dient hauptsächlich zum Ansteuern der Inverterstufe.
Für einen sicheren Betrieb wurde eine galvanische Trennung zwischen dem Leistungs –und Steuerbereich realisiert.
Als viertes Element des Lösungskonzepts befasst sich die Software auf der MCU mit dem Datenaustausch zwischen dem Prototyp und einer externen Steuerung und generiert die erforderlichen Schaltmuster für einen drehzahlvariablen Betrieb. Der entwickelte Prototyp ist in der Abbildung 2 ersichtlich.
Realisierung
Das Layout der Leiterplatte wird hauptsächlich durch die Leistungselektronik bestimmt. Die Hauptaufgabe bestand darin, die Platine kompakt zu gestalten und trotzdem keine Kopplung von Störsignale unter den verschiedenen Schaltungen zuzulassen.
Ergebnisse
Die vorgestellten Konzepte konnten durch Messungen erfolgreich getestet werden. Die Abbildung 3 zeigt den Verlauf der Netzspannung und des Netzstromes im Nennbetriebspunkt. Der Leistungsfaktor erreicht dabei einen Wert von 0.99.
Die Inverterstufe wird mit einer Frequenz von 100kHz getaktet. Entsprechend kann die nachfolgende
Filterstufe klein dimensioniert werden. Der Kurvenverlauf der Ausgangsspannung bei 10Hz ist anhand
der Abbildung 4 erkennbar.
Studienbetreuer Prof. Dr. Adrian Omlin
Preisstifter Swisens AG
