Figura 1: Proiectul Rolls-Royce de navă fără pilot (sursa imaginii: Rolls-Royce)
Situaţia actuală în sistemele de alimentare pentru domeniul maritim
Noile generaţii de surse de alimentare pentru navele fără pilot sunt încă în definire, fiind însă important de înţeles specificul segmentului maritim, care este unic în termeni de mediu şi norme.
Datorită naturii acestui domeniu, cerinţele impuse produselor şi sistemelor implementate în navigaţie şi instalaţii aflate departe de ţărm sunt mai dificile faţă cele necesare curent în mediile industriale şi de birou de pe uscat. Suplimentar, regulile şi standardele internaţionale aplicate marinei industriale sunt foarte complexe, necesitând o cunoaştere profundă a aplicaţiilor şi a locului unde vor fi implementate. Proiectanţii de surse de alimentare trebuie să cunoască multe lucruri despre distribuţia de tensiune specifică marinei, combinarea reţelelor de curent continuu şi curent alternativ, norme de siguranţă şi multe altele precum “Zone operaţionale” care pot fi total diferite de la navă la navă sau în funcţie de marfa transportată.
Zone
În general, pe o navă pot fi distinse două zone: “puntea şi puntea deschisă” şi “zona de alimentare generală” care este în esenţă formată din toate celelalte spaţii din navă.
Un exemplu de cerinţe specifice pe zonă îl reprezintă emisia electromagnetică şi imunitatea (EMC). Zonele de punte deschisă şi punte au câteva cerinţe suplimentare asupra EMC, deoarece aici se află multe echipamente sensibile, precum: aparatură de comunicaţii, dispozitive radar şi de navigaţie. Aceste cerinţe privitoare la emisii sunt mult sub cunoscutul nivel B al EN55022, iar măsurătorile pornesc deja de la 10kHz, în loc de uzualul 150kHz.
Limitările mecanice şi cerinţele de climă sunt de asemenea mai ridicate faţă de aplicaţiile industriale medii. Nivelele de vibraţii de până la 4g sunt uzuale, precum şi fluctuaţii de temperatură mari, de la -25°C la + 70°C, iar umiditatea relativă este mare, neputând fi exclusă condensarea.
Figura 2: Powerbox PT571 – sursă de tensiune pentru utilizare marină, proiectată optimizat pentru răcire prin conducţie în medii cu spaţiu limitat.
Reguli
Este uzual să spunem că fiecare ţară cu sector maritim are propria autoritate de certificare, lucru care îi obligă pe proiectanţii de sisteme de alimentare să urmărească aplicaţia finală, unde sursa de alimentare va fi instalată.
În general există un grup comun de standarde şi procese de calificare, bazat pe rădăcini similare pentru toate certificările ţărilor, deşi, de la ţară la ţară, în cadrul sub segmentelor maritime există un număr de cerinţe foarte specifice ce cresc complexitatea. Dificultatea este aceea că nu există un procentaj de-facto de “standarde comune” faţă de specifice, fiind astfel necesar ca proiectanţii de sisteme de alimentare să înceapă orice proiect prin analizarea unui număr mare de documente, înainte de a proiecta orice.
Cu scopul e a dezvolta un mod de lucru sustenabil, pentru a asigura că soluţiile de dispozitive de alimentare pot fi utilizate peste tot în lume, proiectanţii surselor de alimentare pentru marină obişnuiesc să combine cerinţele din toate ţările active în construcţia de nave şi operarea maritimă, pentru a stabili un tabel de referinţe în cruce cu echivalenţe şi acţiuni specifice în cazul unor abateri majore (de exemplu, cerinţe ridicate la şocuri şi vibraţii). Odată stabilit acest tabel de echivalenţe, este selectată cerinţa cea mai dură din fiecare categorie şi este utilizată ca referinţă pentru proiectare, verificare şi calificare a sursei de alimentare finale. Acest lucru este realizat în cooperare apropiată cu clientul final, reducând riscul nerespectării unor specificaţii şi ratarea calificării finale. Pornind de la această metodologie de proiectare, prin combinare cu o cunoaştere profundă a standardelor şi normelor locale, rezultă un protocol de testare care răspunde cerinţelor internaţionale şi locale. Acest protocol este apoi aplicat tuturor produselor, simplificând aprobarea finală, dar şi asigurându-se faptul că sursa de alimentare poate fi utilizată la înlocuire sau ca upgrade de sistem în orice ţară.
Uzual, clienţii din marină se aşteaptă ca sursele de alimentare să se conformeze, să fie certificate şi să dețină logo-ul de aprobare GL (Germanischer Lloyd), iar prin teste extinse să respecte EN60945 pentru aprobări extinse de către Bureau Veritas (BV), Lloyds Register (LRS), America Bureau of Shipping (ABS), Det Norske Veritas (DNV), Korean Register of Shipping (KR) şi multe altele din lumea maritimă.
Figura 3: Powerbox PT577 – Sursă de tensiune pentru în format de casetă cu diode integrate ORing
Mai multă putere într-o amprentă mai mică
Odată cu creşterea numărului de dispozitive electronice embedded, industria maritimă necesită mai multă funcţionalitate într-un spaţiu mai mic. Astăzi, proprietarii de nave doresc să-şi echipeze vasele cu conexiune internet în bandă largă, atât pentru pasageri, cât şi pentru echipaj, pe cât posibil cu aceleaşi caracteristici ca pe uscat.
Mai mult, sistemele integrate de urmărire a poziţiei de exemplu, necesită surse de alimentare foarte compacte, operate în medii strâmte, fără ventilator. Astfel de surse de alimentare trebuie să fie proiectate pentru răcire prin conducţie, cu atenţie ridicată la plasarea componentelor disipative şi optimizarea răcirii (figura 2).
Pentru majoritatea sistemelor de distribuţie a puterii, unităţile sunt de preferat în format casetă, care este simplu de instalat, întreţinut şi upgradat. Casetele pentru marină sunt uzual fixate pe şină DIN, deşi proiectanţii electrici din industria navelor solicită ca sursele de alimentare să fie conforme cu instalaţiile de răcire prin conducţie independente oriunde pe navă, aceasta însemnând că designul trebuie să fie înalt optimizat pentru răcire prin conducţie (figura 3).
Capsularea a mai multă putere în cutii mai mici, cu răcire prin conducţie optimizată, necesită un înalt grad de integrare a circuitelor de putere. Randamentul trebuie să fie cât se poate de mare, deoarece o carcasă mică înseamnă o suprafaţă de răcire mai mică. Prin utilizarea celor mai recente circuite rezonante şi metode de control a comutaţiei, este obţinut un randament de până la 95%, deşi proiectanţii de putere explorează noi tehnologii, precum control digital şi cele mai recente generaţii de FET-uri de putere GaN (Gallium Nitride), urmărind un randament mai ridicat şi o curbă mai netedă, păstrând randamentul ridicat de la sarcini foarte mici, până la sarcina cea mai mare. Toate noile tehnologii sunt explorate prin natura cerinţelor domeniului (adesea navele se află în mijlocul oceanului şi la săptămâni de orice loc de pământ), verificându-se siguranţa în funcţionare extremă şi rezistenţa la condiţii extreme. Acesta este un proces în derulare, care este obligatoriu pentru navele fără pilot, la care operaţiile de întreţinere sunt aproape imposibile.
Siguranţă în funcţionare şi timp de oprire zero sunt reguli. Pentru aceasta, sursele de alimentare trebuie să fie capabile de a fi legate în paralel pentru o operare redundantă. Este foarte uzual să se adauge un bloc extern ORing (uzual cu dimensiuni similare cu sursele de alimentare) pe care electricienii îl interconectează la sursele de alimentare.
Această cale convenţională are tendinţa de a dispare, iar circuitele electronice pentru legare în paralel tind să fie integrate chiar în sursa de alimentare. Adăugarea acestei funcţii în unitatea de putere economiseşte spaţiu pentru echipamente vitale, dar aduce noi cerinţe la adresa proiectantului pentru a integra mai mult, într-o capsulă mai mică.
Figura 4: Rolls-Royce oX – centrul de control de pe uscat (sursa imaginii: Rolls-Royce)
Ce urmează în marină?
Soluţiile de alimentare pentru industria maritimă şi-au dovedit robusteţea şi conformitatea la cerinţele internaţionale.
Proiectanţii explorează noi tehnologii pentru a îmbunătăţi permanent randamentul şi pentru a scădea consumul energetic şi disiparea.
Navele fără pilot vor necesita un nivel de siguranţă în funcţionare ce va fi aproape de miticul “Zero Erori” şi abilitatea surselor de alimentare de a fi controlate şi monitorizate de la un birou central (Figura 4), care ar putea fi amplasat pe cealaltă parte a planetei. Pentru proiectanţii de putere va fi o provocare uimitoare să combine tehnologiile de ultimă oră în comutaţie, management termic, control şi inteligenţă.
Suntem în apropierea unei noi ere, în care sursele de alimentare vor deveni auto-controlate şi capabile să detecteze din vreme semnele unor erori şi să aplice acţiuni de corecţie. Este un vis, sau realitate? În opinia mea acum se bate la uşă, iar în curând vom fi acolo!
Bibliografie:
Maritime Unmanned Navigation Through Intelligence In Networks (MUNIN) www.unmanned-ship.org/munin
Autor: Patrick Le Fèvre, Director Marketing & Communication
Powerbox | www.prbx.com
