הקדמה:
התפיסה המקובלת בין מנהלי פרויקטים בתחום האלקטרוניקה הצבאית היא שאם מערכת הכוח שהזמינו עומדת במפרטים ועברה Certification Testing אז מובטחת אינטגרציה מוצלחת בין
המערכת המבצעית למערכת הכוח. תפיסה זו מוטעית לחלוטין , ולמעשה ברב המקרים נתקלים בבעיות הגורמות לעיכובים בעת האינטגרציה. מקרים אלה נגרמים בשל חוסר הבנה של התנהגות
המערכת המבצעית הנגרמות כתוצאה מהעמסות דינמיות שהיא מאלצת על מערכת הכוח שלא תוכננה לעמוד בהן. אשר על כן בעיות בזמן האינטגרציה שפתרונן לא פשוט לעיתים מצריכות שינוי
בתכנון ו / או מקשות בעמידה בסטנדרטים צבאיים הרלוונטיים למערכות אלו. יתרה מכך, בעיות אלה לא תמיד מתגלות בשלבים הראשונים , אלא מאוחר יותר בהפעלה בשטח המבצעי בזמן
העמסות בלתי צפויות כאמור. תפקידו של מאמר זה להפנות את תשומת הלב לבעיות אלו, ולהציע פתרונות ושינויים שיאפשרו
אינטגרציה מוצלחת והבנה מלאה יותר של התופעות הדינמיות. המאמר ברובו מתייחס למצבים של חיבור מערכת שכבר מכילה את ספק הכוח הפנימי שלה למערכת
כוח חיצונית כמו UPS, ממיר או ספק משנה תדר. במאמר הבאה נתייחס למערכות כוח עם כניסה DC ומוצא AC כממיר וזו עם כניסת AC ומוצא DC
בספק כוח.
זרם התנעה גבוה:
מערכות אלקטרוניות שספקי הכוח מובנים, או אלה שמכילות שנאי כוח , מנועים ,או מדחסים צורכות זרם גבוה מאוד בזמן ההתנעה, זרם זה יכול להגיע לפי חמש עד עשר מהזרם הנצרך בעומס מלא . בהתחשב בעובדה שזרם ההתנעה אינו מצוין בדף הנתונים, או התווית של ספק הכוח הפנימי במערכת המבצעית, מהנדסי הפרויקט אינם מודעים לערכי זרם ההתנעה, ולכן במפרטים למערכת הכוח החיצונית הנתון הזה לא מוזכר . מה שדורשים ממערכת הכוח הוא זרם העומס הנומינלי ולא הרגעי, כך שמערכת הכוח שנרכשת יכולה לספק את הזרם הנומינלי אבל לא את זרמי ההתנעה הגבוהים. המוצא של הממיר או UPS עלול לקרוס בזמן התנעת המערכת .הקריסה נובעת מכך שהUPS מזהה את זרם ההתנעה כקצר במוצא ,ומפעיל הגנות למנוע כשל פנימי. לדוגמה תמונה מס’1 מראה את זרם ההתנעה של ספק כוח שהספקו KW1 , וניתן לראות שזרם ההתנעה מגיע לשיא של A45 בהשוואה ל- A8 זרם מירבי בזמן הרצה. אם הUPS או הממיר החיצוני שמזין מערכת שיש בתוכה ספק כזה , אינו יוכל לספק את זרם ההתנעה מה שיוביל בהכרח לקריסת מתח המוצא שלו. כמובן שאם יש במערכת המבצעית מנוע או מדחס כמו במזגן אויר, בעיה זו תהיה הרבה יותר חמורה שכן מערכות אלה צורכות זרם התנעה גבוה מאוד. הפתרון הוא לרכוש מערכת כוח (ממיר , UPS או משנה תדר) בהספק פי 3 עד 5 ממה שנדרש לצורך העומס הנומינלי. פתרון שני הוא להתקין במערכת המבצעית אמצעים למתן את זרם ההתנעה הגבוה. הטענה כאן היא שאם המפרט למערכת הכוח לא דורש עמידה בזרם ההתנעה אז קרוב לוודאי שמערכת הכוח שנקנתה לא תהיה מתאימה. מתפקידו של המהנדס שאחראי לאפיון מערכת הכוח לציין בבירור את זרם ההתנעה המקסימלי מבחינת גובה ואורך הזמן במצב הכי גרוע . גם כן תפקידו של יצרן מערכת הכוח לדעת מראש מה הוא סוג העומס, ולהציע יחידה עם הספק מתאים.
תמונה 1 קרדיט: NOVA ELECTRIC
מערכות עם ספקי כוח שאינם כוללים PFC )Power Factor Correction) :
במקרה זה המערכת המבצעית כוללת ספק כוח שאינו מצויד במעגל PFC ולכן צורך זרמי כניסה עם Cress Factor גבוה. ספקי כוח מסוג זה שכיחים במדינות לא אירופאיות שבהן אין תקינה הדורשת PFC ולכן צריכת הזרם בכניסה איננו סינוסי . ספקים כאלה גם כן צורכים זרם התנעה גבוה יותר בהשוואה לספקים עם PFC. לכן במקרה כזה ספק מתח AC חיצוני ( ממיר, UPS או משנה תדר ) חייב לספק את הזרמים הגבוהים גם בזמן ההתנעה וגם בזמן פעולה מתמדת. אם הספק יחידה זו הוא גבולי, מתח המוצא יהיה מעוות ועלול להיות בעייתי ליכולת עמידה בהספק הנדרש. הפתרון הוא לרכוש ממיר או UPS בהספק כפול ממה שנדרש. תמונה מס’ 2 מראה את זרם בכניסה לספק כוח שאינו מכיל PFC. במקרה זה הכניסה היא חד מופעית. זרם כניסה המכיל זרמי הרמוניות גבוהים ביותר, ויש לזה משמעות מרובה במערכות המותקנות בספינות צבאיות לרבות צוללות.
תמונה 2 קרדיט: NOVA ELECTR
בעיית התחברויות והזנה לשנאים:
במקרה זה המערכת המבצעית כוללת שנאי כוח בכניסה וזה יכול לגרום לשתי בעיות בזמן התנעה. השנאי יצרוך זרם התנעה גבוה בזמן ההתחברות למערכת הכוח וסביר להניח שאם השנאי אינו
מצויד באמצעים למתן את זרם ההתנעה הראשוני אז מערכת הכוח המזינה תקרוס בשל זרם יתר. הפתרון הוא להוסיף במערכת המבצעית אמצעים למתן זרם התנעה גבוה של השנאי. הבעיה השנייה עם אפליקציה כזו היא כאשר מתח ה AC המוזן למערכת מכיל רכיב של מתח ישר ( DC) זה יכול לגרום לרוויה (סטורציה) של השנאי ואגב כך שיבוש פעולתו. הפתרון הוא לציין במפרט שהמערכת לא סבילה למתח DC כלשהו ולדרוש מהיצרן לבדוק נתון זה.
- בעיות ייצוב דינמי:
בהרבה אפליקציות יש צורך בספק כוח חיצוני על מנת לספק מתח ישר (DC) למערכת המכילה ממיר DC – DC שאופיו הוא constant power, במקרה זה בנוסף לזרם ההתנעה הגבוה, יכולה להיות גם בעיה דינמית שכן הממיר מהווה עומס הדומה להתנגדות שלילית , המערכת הכוללת יכולה להיות בלתי יציבה מבחינה דינמית ולכן מתנדנדת. הפתרון לבעיה זו מצריך מספק הכוח החיצוני להכיל מעגלים לרסן נדנודים . בעיה זו אינה שכיחה במקרים בהם הספק החיצוני גדול בהספקו באופן משמעותי (פי שנים או שלוש) מהממיר בתוך המערכת.
5.בעית זרמי הרמוניות בכניסה של המערכת:
המפרט העיקרי המאפיין את מתח הכניסה למערכות ימיות צבאיות הוא 1399- STD – MIL , וכל מערכת ימית חייבת בעמידות מוחלטת במפרט זה שהוא אחד הקשים ביותר. המפרט דורש עמידות בשינויי מתח סטטיים ודינמיים (טרנזיינטים) שלא במיוחד קשה לעמוד בהם. אבל, הוא גם צורך POWER FATOR גבוה ומגביל את זרמי ההרמוניות (מכפלות של תדר הכניסה) למקסימום של 5% ל- THD ( total harmonic distortion) ומקסימום של 3% להרמוניות נפרדות single harmonic distortion עמידות בזה מצריכה מעגל PFC אקטיבי בספק הכוח של המערכת. מעגל זה עושה את עבודתו ומבטיח עמידות במפרט, אבל עדיין יש בעיה שמקשה בזמן בדיקות תנאי סביבה ( QUALIFICATION TEST), בעיה זו אינה נפוצה אבל היא חשובה. מעגל ה- PFC הדינמי מתוכנן לתת עמידות במוגבלות זרמי ההרמוניות בעומס מלא, אבל בעומסים נמוכים אינו מנחית את זרמי ההרמוניות מספיק כדי להבטיח עמידות במפרט 1399- STD – MIL. כתוצאה מזה נכשלת המערכת בזמן בדקות תנאי סביבה ( QUALIFICATION TESTING ). ברוב ספקי הכוח ניתן להגיע לעמידות במפרט בין 50% ל 100% של עומס מלא , אבל בפחות מ- 50% זרמי הכניסה כוללים הרמוניות גבוהות מדרישת המפרט. לדוגמא אם הספק הפנימי במערכת נדרש לספק עומס מלא של W 3000 אבל במציאות הצריכה של המערכת היא פחות מ W 1500 , אז סביר שבבחינות עמידות במפרט זה , היחידה תכשל וזרמי ההרמוניות יעברו את מגבלות ה- THD וגם SHD (single harmonic distortion). תמונה מס’ 3 ממחישה בעיה זו ומראה זרם סינוסי באיכות טובה בעומס מלא וזרם באיכות ירודה בעומס חלקי. הפתרון לבעיה זו הוא לדרוש במפרט הספק לתכנן את מעגל ה PFC להיות אופטימלי בהספק האמיתי של עומסי המערכת ולא בהרבה יותר. כך יגבר הסיכוי של עמידות ב 1399 בזמן בדיקת זרמי ההרמוניות. יהיו כאלה שיחלקו על פתרון זה , אבל למעשה לא מכיר פתרון טוב יותר.
תמונה 3 קרדיט: NOVA ELECTRIC
תמונה 4 קרדיט: NOVA ELECTRIC
מניעה של זרימת אויר חופשית:
מערכות כוח עם קירור אויר מצריכות שמעבר האויר בתוכה יהיה חופשי ולכן תכנון המערכת הכוללת חייב לאפשר קירור יעיל עם התנגדות מינימלית עד כמה שניתן, למעבר חופשי של אויר, אחרת עליית טמפרטורה בתוך הספק מקטינה משמעותית את אמינות הספק.
