מאת: פרופסור אלי פלקסר. בשני העשורים האחרונים, בעקבות התפתחות הטכנולוגיה, הקטנת הממדים והוזלת עלויות הרכיבים האלקטרוניים – ממירי ההספק הממותגים תפסו את חלק הארי בשוק המרות האנרגיה. שוק זה, כולל באופן עקרוני 4 סוגי המרה:
DC-DC, AC-DC, DC-AC ו AC-AC. בעוד שלושת הראשונים, ממומשים באופן ישיר בהמרה יחידה, הסוג הרביעי ממומש בהמרה כפולה AC-DC-AC, דבר המצריך שימוש בסוללה נטענת ולמעשה מורכב משני ממירים טוריים DC-AC ו AC-DC. במאמר זה, אנו נציג פיתוח חדשני של המרה ישירה, מיוצבת, מבוקרת ומוגנת מסוג AC-AC. פיתוח זה עשוי להיות מחליף לשנאים באפליקציות רבות; ולהוות בעתיד, את השדרה המרכזית בהמרת מתחי רשת – בדומה לספקי הכוח הממותגים כיום.
ממירים ממותגים קיימים בשוק כבר עשרות שנים. פיתוח התקני מצב מוצק (SCR, TRIAC, PBJT) בשנות החמישים של המאה העשרים, אפשרה, בשנות השישים של המאה, פיתוח נרחב בממירי DC-DCי(Converter) ובממירי AC-DC (Inverter). בשנת 1975 הייתה פריצת דרך נוספת כאשר יצא לשוק בקר יעודי למימוש המרת AC-DC או במילים אחרות ספק כוח ממותג. מאז, הספקים הממותגים תופסים נתח גדל והולך בשוק הספקים. בשנים האחרונות כמעט ואין שימוש בספקים ליניאריים, פרט לצרכים מיוחדים של מערכות בעלות רעש נמוך מאד. לעומת זאת בתחום המרות ה AC-AC כמעט ואין חידוש או פריצות דרך עד לימים אלו.
הצורך בהמרה וייצוב של מערכות AC היא ברורה וידועה. איכות לא תקינה באספקת המתח על קווי הרשת גורמת לנזקים של ביליוני דולרים בשנה בעולם כולו. פגיעה באיכות האספקה יכולה להיות מהסיבות הבאות: ירידה מהמתח התקני, עליה על המתח התקני, נחשול חיובי או שלילי, עיוותים הרמוניים ושינויי תדר. את הנזקים ניתן לראות בשתי רמות:
• נזקים ישירים הנגרמים מפגיעה פיזית בציוד ובמכשור, המצריכים החלפה או תיקון של הציוד.
• נזקים עקיפים הנובעים מהשבתת קווי יצור תעשייתיים או מכשור רפואי המחייבים הפעלה רציפה ללא הפרעות. במערכות כאלה, הפסקה בתהליך, ולו הקצרה ביותר, מחייבת אתחול, ניקוי וכיול של המערכת. כלומר, גם במקרה שהמכשור לא נפגע נוצרים הפסדים כתוצאה מבזבוז זמן.
על פי הערכה של חברת EPRI – Electric Power Research Institute, הנזק הנגרם לשוק האמריקאי מליקויים באספקת המתח ברשת החשמל, הוא בין 15 ל 24 מיליארד דולר בשנה.
פתרונות קיימים
על מנת להתגבר על הבעיה שתוארה למעלה פותחו במשך השנים טכנולוגיות ומוצרים שונים, אשר בין הנפוצים שבהם ניתן למצוא:
•Buck-Boost Transformers (BBT).
•Constant Voltage Transformer (CVT).
•Variable Auto Transformer (Variac).
•Servo Voltage Stabilizer (SVS).
•Uninterruptible Power Supply (UPS).
לכל אחד מהטכנולוגיות המוזכרות יש, כמובן, יתרונות וחסרונות. להלן נתאר בקצרה את התכונות של המוצרים הנ”ל.
Buck-Boost Transformers (BBT)
ה – BBT הוא שנאי חד פאזי שתוכנן והוריד או להעלות את מתח הרשת בסדר גודל של 5%-20%. במידה ומתח המקור חורג מהתחום האמור, יעילות ההתקן יורדת באופן ניכר. חריגה מהתחום המותר יכולה להביא גם לנזקים בלתי הפיכים להתקן ולמכשיר הניזון ממנו. במילים אחרות, מתח הרשת חייב להיות קרוב לתחום ההפעלה של המכשיר הניזון. יתר על כן, אסור בתכלית האיסור להשתמש ב BBT בכדי לפתור בעיית תנודות במתחי הרשת – ה BBT יגביר התנודות. ממדי ה BBT ומשקלו הם גבוהים ומצריכים פיזור חום גבוה. באיור 1 ניתן לראות תמונה אופיינית של BBT בינוני.
Constant Voltage Transformer (CVT)
ה CVT הוא שנאי המיועד לייצב את מתח האספקה למכשור כנגד שינויים במתח הרשת. היציבות מושגת ע”י עבודה בתחום הרוויה של הליבה המגנטית. כפי שניתן לראות באיור 2, באזור הרוויה של הליבה (החלק האדום), שינויים גדולים במתח הכניסה גורמים לשינויים קטנים במתח המוצא. שני אפקטים שליליים מתקבלים כתוצאה מהעבודה באזור הרוויה. הראשון – היעילות יורדת לרמות של 80%-90% לעומת יעילות של מעל 95% בעבודה באזור הליניארי. ירידה ביעילות גורמת, כמובן, לבזבוז אנרגיה ולעלייה בפיזור החום. השני – מתקבלים עיוותים בצורת הגל הסינוסואידית ועלייה בהרמוניות. בכדי להתגבר על תופעה זו, מוסיפים ב CVT, בצד המשני של השנאי, קבל מותאם לתדר הרשת שיוצר תהודה המסננת, במידת מה, את ההרמוניות. כמו ה BBT גם ה CVT הוא בעל ממדים ומשקל גבוהים המצריכים פיזור חום גבוה.
Variable Auto Transformer (Variac)
ה VRIAC הוא שנאי בעל ליפוף עצמי המיועד לווסת את מתח האספקה לעומס בתחום רחב מאד. זהו ההתקן הנפוץ ביותר כיום בשימושים מעבדתיים ותעשייתיים. הוויסות נעשה באופן מכאני ע”י שינוי מיקום המגע החשמלי לאורך הליפופים המרכיבים את השנאי (בדומה לפוטנציומטר). בעומס נמוך ה VARIAC מבזבז אנרגיה בצורת חימום הליבה המגנטית. איור 3 מציג תמונה של VARIAC בינוני חד פאזי, כפי שנראה, הממדים הם גדולים והמערכת מסורבלת ולא קומפקטית.
Servo Voltage Stabilizer
(SVS)
ה SVS הוא VARIAC מכאני המבוקר אלקטרונית, המיועד לייצוב מתח האספקה לערך קבוע מראש תחת שינויים גדולים במתח הרשת. ההתקן עושה שימוש ברכיבי מצב מוצק לבקרת מנוע סרוו בחוג סגור. כפי שמתואר באיור 4, המנוע מוצמד מכאנית לזרוע המניע באופן רציף את מנגנון הוויסות של VARIAC. מתח המוצא המיוצב, נדגם ע”י מערכת אלקטרונית ומושווה לערך יחוס קבוע מראש. ערך השגיאה מתורגם להיסט בחוג בקרה פרופורציונאלי, המייצב את ערך המוצא לערך הרצוי. האופי המכאני של המערכת גורם לאורכי חיים קצרים יחסית ולתחזוקה רבה (MTBF= 1Y). כמו כן, זמני התגובה הם איטיים ביותר (~10%/Sec), ואין הנחתה של הרמוניות.
Uninterruptible Power Supply (UPS)
ה UPS הוא, למראית עין, הפתרון האולטימטיבי לבעיה שהצגנו – פתרון העונה על כל המכשולים שבייצוב מתח הרשת. למעשה, UPS הוא ממיר כפול המיישר מתח AC למתח DC הנאגר בסוללות גדולות. מתח הסוללות מומר חזרה למתח AC בעל עוצמה ותדר רצויים. בנוסף, ה UPS יכול לספק אנרגיה גם במצב של הפסקה באספקת מתח הרשת. על אף יתרונות אלה, ל UPS חסרונות רבים מטעמים אחרים. ההתקן מצריך סוללות גדולות ויקרות מאד, המאלצות הקצאת מקום נרחב בשטח המבנה לאכלוס ההתקן. הסוללות ומנגנון הטעינה שלהם מייקרים את המערכת בסדר גודל – כך שעלותה של מערכת להספק גבוה מסתכמת בעשרות אלפי דולרים, ועלות הנדל”ן המוקצה לאכלוס, אף גבוה יותר. יותר מזה, בעיית אי היציבות במתח האספקה ל UPS יכולה להוות בעיה משל עצמה. במידה ומתח הרשת יורד לעיתים תכופות מתחת לערך מסוים, אפילו לזמן קצר, ה UPS יעבור ממצב טעינה למצב פעולה לפרק זמן מינימאלי מוגדר מראש (גדול מהזמן בו המתח ירד). פעולה חוזרת של מהלך כזה תגרום לריקון הסוללות. באיור 5 מוצגת מערכת UPS להספק גבוה, ניתן לראות שמדובר בהתקנים בעלי ממדים של חדרים ואף של אולמות.
המרה ישירה של זרם חילופין
בשנת 2009 חברת הזנק ישראלית – Power Offer – הציגה לראשונה טכנולוגיה המאפשרת המרה ישירה, מיוצבת ומבוקרת של זרם חילופין, ללא שימוש בסוללות. החברה משתמשת בטכנולוגיה המאפשרת סנתוז, בזמן אמת, של מתח מוצא מבוקש, מתוך מתח הרשת הלא מיוצב ובאותו תדר. איור 6 מתאר את מבנה המערכת של Power Offerי. PLL דוגם את מתח הרשת וננעל עליו. מעבד DSP מהיר, בעל אלגוריתם ייחודי, משתמש באות ה PLL לסנתוז אות יחוס סינוסי טהור, שמתוכו מחושבים אותות מיתוג PWM, המדרבנים מתגים אלקטרוניים מהירים המחוברים לגשר מסוג H, כפי שמופיע באיור 7. מוצא הגשר נדגם בזמן אמת לתוך חוג בקרה PID, המייצב את מתח המוצא לערך רצוי שנקבע ע”י המשתמש בתקשורת טורית עם ה DSP (או לערך קבוע מראש). ארכיטקטורת התוכנה של ה DSP כוללת את הפרמטרים הבאים: דגימת מתחי המבוא והמוצא וסינונם, דגימת זרמי הגשר וסינונם, גלאי חציית האפס עבור האותות הנ”ל, מימוש ה PLL, סנתוז אות הייחוס הסינוסי, מימוש חוג הבקרה הסגור PID, ותקשורת לתוכנת הבקרה. כפועל יוצא של האלגוריתם, המערכת מספקת הגנה מפני קצר ועומס יתר ותגובתה היא בסדר גודל של מיקרו שנייה. המערכת מתאימה לעבוד עם כל עקבה אפשרית: עומס התנגדותי, עומס אינדוקטיבי או עומס קיבולי. היות והמערכת מסנתזת אות סינוס טהור, רמת ההרמוניות במוצא היא מזערית. איור 8 מראה את תפוקת המערכת כאשר במבוא מסופק מתח רשת מעוות באמפליטודה מקסימאלית של 360 וולט. במוצא אנו רואים גל סינוסי נקי באמפליטודה של 200 וולט כפי שנקבע ע”י המשתמש. לשם המחשת תהליך הסנתוז בזמן אמת, מוצג גם גל משולש שסונתז מתוך גל הסינוס במקור. לפי צורת הגל המשולש ניתן לקבל מושג על זמן התגובה המהיר של המערכת.
המערכת של Power Offer קטנה ב 90%, קלה ב 90% וזולה ב 30% בהשוואה לפתרונות החלקיים שהוצגו בחלק הראשון של המאמר, ומכילה את כל הפרמטרים הנדרשים ממערכת להמרת מתח חילופין. באיור 9 רואים השוואה ויזואלית בין מערכת קונבנציונאלית המבוססת על טכנולוגיה אלקטרומגנטית לבין השנאי האלקטרוני של Power Offer. בטבלה 1 מוצגת השוואת הפרמטרים בטכנולוגיות שהוצגו למעלה ביחס לטכנולוגיה החדשה.
סיכום
אנו הצגנו מערכת להמרה ישירה של זרם חילופין. המערכת מספקת מתח חילופין מיוצב, מווסת, מוגן ונקי מהרמוניות, בטווח רחב מאד וביעילות של 97%. הטכנולוגיה ניתנת למימוש במערכות בעלות הספקים שונים, ממאות וואטים עד עשרות קילו וואטים. מכאן, שניתן יהיה לשלבה, בנוסף למערכות תעשייתיות ורפואיות, גם במוצרי צריכה ביתיים – דבר שיאפשר יצור מוצרים אחידים לכל רשתות המתח בעולם. אנו מאמינים שבעתיד הטכנולוגיה תהווה תחליף לרוב השנאים הרגילים, כמו שהספקים הממותגים החליפו את הספקים הליניאריים.
