אבטחת איכות הספקת-הכוח החשמלי בתוך מערכות אוטומטיות

כפי שנסקר במאמר קודם של DigiKey על הספקת-כוח מזוהמת מרשת החשמל, ישנם חצי תריסר בעיות איכות הספקת-הכוח (כולל נחשולי מתח, הפסקות חשמל, אי-יציבות התדר ורעש) העלולות לנבוע מתנודות ברשת החשמל המקומית. העניינים מסתבכים עוד יותר כאשר השינויים עלולים לנבוע גם מכל יחידת ציוד אוטומציה המוזנת מרשת החשמל. למרבה המזל, קיים שפע של רכיבים כדי להתמודד עם בעיות של עקביות הספקת-הכוח מרשת החשמל. ספקי-כוח אלו ורכיבי הספקת-כוח אחרים גורמים למכונות לבצע את המיטב ולמנוע ממכונות להשפיע לרעה על רשת הספקת החשמל המקומית.

איור 1‏: ספק-כוח חד-פאזי זה מסדרת CP‏ מבית PULS מורכב על מסילת DIN שהיא כה נפוצה באוטומציה תעשייתית. המאפיינים כוללים חסינות גבוהה לטרנזיינטים ולנחשולי הספק כמו גם פליטה אלקטרומגנטית נמוכה, מגע ממסר DC-OK, רזרבות הספק יציאה של 20% (נידונות בהמשך מאמר זה) ונחשול זרם התנעה מינימלי. ספקי-הכוח עם הציפוי המיוחד מבצעים גם פונקציות תיקון גורם הספק (PFC‏) אקטיבי. (מקור התמונה: EE World‏)

שני הסוגים העיקריים של בעיות איכות הספקת-הכוח הנובעות מתוך הציוד עצמו הן רעש והפרעות הרמוניות.

רעש חשמלי בהספקת-כוח חשמלי מתייחס לשינויי מתח בתדר גבוה. תדר גבוה הוא יחסי - אך תמיד מציין תדרים הגבוהים משמעותית מתדר ה- AC של המערכת. במישור הזמן, זרם AC‏ אמור להופיע כגל סינוסואידלי חלק. רעש גורם לגל לא-אחיד ומחוספס.

תמיד קיים רעש כלשהו בהספקת החשמל של מכונות, הנגרם עקב התנגדות חוטי ההולכה המעורבים. רעש כזה נקרא רעש תרמי ובאופן כללי הוא מהווה הפרעה זניחה. רעש משמעותי יותר העלול להזיק נגרם על ידי עומסים מקומיים כגון מכשירי ריתוך ומנועים חשמליים. רעש מרכיבים ומערכות כאלו קשה לרוב לכימות - ומהווה את הסיכון הגדול ביותר לגרום להתחממות-יתר, לבלאי ואפילו לתקלות בתתי-רכיבים של הציוד המושפע.

הרמוניות חשמליות הן הפרעות מתח או זרם בתדרים שהן כפולות שלמות של תדר ה- AC של המערכת. הן נגרמות על ידי עומסים לא-לינאריים כגון מיישרים, ספקי-כוח של מחשבים, תאורה פלואורסצנטית וסוגים מסוימים של מנועים חשמליים עם מהירות משתנה. הרמוניות הזרם נוטות להיות גדולות יותר מהרמוניות המתח ולמעשה נוטות לדחוף את זו האחרונה.

איור 2: צורות-גל של הרמוניות שהן כפולות שלמות של תדר בסיסי כלשהי אשר (במערכות הספקת חשמל) יכולות להשתלב עם צורת-הגל הבסיסית ולגרום לבעיות. ההרמוניות נובעות בדרך כלל מעומס חשמלי כלשהו או בתוך יחידה קשורה של מכונה. (מקור התמונה: Design World)

הרמוניות חשמליות אלו (עקב האופן שבו הן גורמות לייצור חום) יכולות לפגוע דרמטית בנצילות ובחיים של מנועים חשמליים. הן גם עשויות לגרום לתנודות ולפולסי מומנט ביציאה המכנית של מנועים חשמליים, המקצרות את אורך החיים של תתי-הרכיבים להעברת הכוח המשולבים במנועים - במיוחד המסבים תומכי-הצירים.

הפרמטרים העיקריים של מערכת הספקת-הכוח

שני מפרטים חשובים עבור ספקי-כוח כוללים את גורם ההספק ואת זמן ההחזקה.

גורם ההספק הוא יחס חסר-יחידות המשמש לתיאור ההפרש בין ההספק האמיתי לבין ההספק הנראה במערכות AC. ההספק הנראה הוא השילוב של ההספק האמיתי וההספק הראקטיבי. ההספק הראקטיבי בתורו נמשך מרשת החשמל, מאוחסן לרגע, ואז מוחזר מבלי שהוא נצרך. זה נגרם בדרך כלל על ידי עומסים השראתיים או קיבוליים, המובילים לזרם ולמתח שאינם בפאזה. הספק ראקטיבי מגדיל את העומס על מערכות הפילוג, מפחית את איכות הספקת-הכוח ומוביל לעלויות אנרגיה גבוהות יותר.

אידיאלית, למערכת יהיה גורם הספק של אחד - כלומר אין הספק ראקטיבי במערכת. תכנים עם גורמי הספק מתחת ל- 0.95 גורמים לעומס מוגדל על מערכת הפילוג ועלולים לגרום לחיובי הספק ראקטיבי.

איור 3‏: מוצג כאן מודול הספקת-כוח AC ל- DC‏ 100‏-85 וואט סדרת TML 100C‏ מבית TRACO Power. תיקון גורם-הספק (PFC‏) אקטיבי מבטיח גורם הספק טוב יותר מ- 0.95‏ (עבור _AC‏V‏ 230‏) וטוב יותר מ- 0.99‏ (עבור _AC‏V‏ 115‏). (מקור התמונה: TRACO Power)

זמן ההחזקה הוא משך הזמן שספק-כוח יכול להמשיך לספק כוח בתחום המתח המוגדר שלו לאחר הפסקת חשמל. בדקו את המקרה של ספקי-כוח אל-פסק (UPS) וגנרטורים - שני סוגים של הספקת-כוח לגיבוי המשמשים להבטחת רציפות הפעולות האוטומטיות במהלך הפסקות חשמל ונפילות מתח. כפי שיתואר ביתר פירוט בסעיף האחרון של מאמר זה, UPS חייב לספק כוח במשך כל פרק זמן משמעותי. אך בתלות בתכן ה- UPS, זה עשוי להכניס השהיה של עד msec‏ 25 בין התקלה בהספקת החשמל מהרשת ועד לתחילת הספקת החשמל מה- UPS.

זמן ההחזקה של ספק-כוח מאפשר לספק-הכוח לגשר על פער זה, בעיקר באמצעות ההספק האגור בקבלים. למעשה, ספקי-כוח ממותגים נוטים להיות בעלי זמני החזקה ארוכים יותר מאשר ספקי-כוח לינאריים הודות לקבלי המתח-הגבוה-יותר שלהם.

מאפיינים אחרים לטיפול בבעיות הספקת-כוח מושרות-מכונות

ממירי הספקת-כוח עם הארקה, בידוד וסינון מספקים את הבסיס עבור ספק-כוח איכותי.

הארקה: הארקה נכונה היא חיונית כדי שספק-הכוח יתפקד כראוי. הוא מספק מתח ייחוס (ממנו נמדדים כל יתר המתחים) ומסלול חזרה עבור זרם החשמל. קראו את המאמר של DigiKey מה שאתם צריכים לדעת על חישה והגנה של תקלות הארקה למידע נוסף בנושא זה.

בידוד: למרות שספקי-כוח לא-מבודדים יכולים להיות יעילים יותר וקומפקטיים יותר, בידוד בין מתחי הכניסה והיציאה מגן מפני מתחים מסוכנים העוברים ליציאה במקרה של תקלה ברכיב. בידוד עשוי להידרש גם כדי להגן על מפעילים ממתחים מסוכנים או כדי להגן על ציוד מפני טרנזיינטים וגאויות (Swells‏).

צורות הבידוד כוללות:

• בידוד פיזי בין רכיבים
• צימוד השראתי דרך שנאי - ממירי הספקת-כוח המשנים את המתח של מערכת הספקת-הכוח
• צימוד אופטי - שהוא מתאים ביותר עבור העברת אותות בין חלקים שונים של מערכת הספקת-הכוח תוך הבטחת רמה גבוהה ביותר של בידוד

איור 4: ספקי-כוח מתפקדים לעיתים כממירי הספק עבור 1) שינוי המתח או התדר של מקור AC‏, או 2) יישור או המרה אחרת של הספק AC‏ להספק DC‏. מקרה לדוגמה: לממיר מאופנן-תדר-פולסים (PFM‏) AC ל- DC‏ W‏ 400‏ V‏ 48‏ זה מבית .Vicor Corp‏ יש סינון והגנת נחשולי מתח משולבים. אזהרה אחת: ממיר Vicor Integrated Adapter‏ (VIA‏) מקבל רק כניסה ממקור זרם AC סינוסואידלי מיושר חיצוני - כאשר גורם ההספק מותאם על ידי המודול. ההרמוניות תואמות ל- IEC 61000-3-2‏ וסינון פנימי מאפשר תאימות לדרישות הנחשולים וה- EMI החלות. (מקור התמונה: .Vicor Corp‏)

מסננים חשמליים ושיכוך נחשולים: שיכוך נחשולים מסיר טרנזיינטים וגאויות (Swells‏) ומגן על ציוד חשמלי מפני האפקטים של תנאי מתח-יתר אלו. לעומת זאת, מסננים חשמליים מחליקים את מתח המערכת כדי להסיר רעש והרמוניות. קראו על מסננים בספקי-כוח תעשייתיים המשמשים במטוסים גדולים (עם מקורות חשמל Hz‏ 400‏) במאמר של digikey.com פעולת ספקי-כוח ממקור של Hz‏ 400‏. או שקלו סוג אחר של מסנן חשמלי הנפוץ במיוחד במתקנים אוטומטיים בקרבת נקודת השימוש - מסנני LC - כדי להשלים את דוחפי המנועים. מסנני LC הם סוג של מכל או מעגל תהודה (נקרא גם מעגל מכוונן) עם משרן L וקבל C ליצירת יציאה בתדר מוגדר. מסנני LC עבור מנועים משמשים בדרך כלל למטרת המרת מתח יציאה PWM מלבני של הדוחף לגל סינוס חלק עם אדווה שיורית נמוכה. היתרונות כוללים הארכת חיי המנוע הודות למניעת dV/dt גבוה, מתח-יתר, התחממות-יתר והפסדי זרמי מערבולת (Eddy‏).

איור 5‏: זהו מסנן גל סינוס LC מבית .Schaffner EMC Inc‏ העוזר לדוחפי מנועים לספק גל סינוס חלק לתוך ליפופי מנועים מחוברים ללא שיאי מתח. המסנן גם מאפשר התקנות עם כבלי מנוע ארוכים יותר. (מקור התמונה: Schaffner EMC, Inc.‎)

מגני נחשולים פועלים באמצעות חסימה או מקצר זרם - או שילוב של אמצעי חסימת נחשולים ומקצר.

הגנת נחשולים באמצעות חסימה: את הזרם ניתן לחסום באמצעות משרנים המשככים שינויי זרם פתאומיים. עם זאת, רוב מגני המתח מקצרים כאשר מתרחש מתח-יתר, ומסיטים את הזרם חזרה לקווי פילוג הכוח שם הוא מתפזר על ידי ההתנגדות בחוטי המעגל.

הגנה מפני נחשולים באמצעות מקצר: מקצר מהיר (מופעל כאשר המתח עולה על רמה מוגדרת) פועל באמצעות מרווח ניצוץ, שפופרת פריקה או התקן מוליך-למחצה. רק לעיתים נדירות (במהלך נחשולים גדולים או ממושכים מאוד) הנחשולים מתיכים את קווי החשמל של המגן או את הרכיבים הפנימיים. קבלים עשויים גם כן לשכך שינויי מתח פתאומיים.

המפרטים העיקריים עבור מגני נחשולים כוללים מתח ההידוק, זמן התגובה ודירוג האנרגיה. מתח ההידוק - המכונה גם המתח המותר - הוא המתח המקסימלי שיכול לעבור דרך מגן הנחשול. אופייני להתקני V‏ 120‏ הוא מתח הידוק של V‏ 220‏. דירוג האנרגיה (בדרך כלל ב- Joules‏) הוא ההספק המקסימלי שניתן לספוג לפני שרכיבים בתוך מגן הנחשולים נשרפים.

מפרט חשוב אך לעתים קרובות מתעלמים ממנו עבור מגני נחשולים הוא מה קורה כאשר מגן הנחשולים אינו פועל עקב תקלה. אם הנחשול עולה על דירוג האנרגיה של המגן ותתי-רכיבים פנימיים מתקלקלים, מגן זה כבר לא יוכל עוד להגן מפני נחשולים נוספים. אך אין זה אומר שהספקת-הכוח מנותקת: כמה מגני נחשולים (כגון אלו המתוכננים להגן על שרת או על זיכרון אלקטרוני אחר) ימשיכו לספק כוח לאחר תקלה. האינדיקציה היחידה לכך שכבר לא קיימת הגנת נחשולים עשויה להיות נורת אזהרה. מגני נחשולים אחרים אכן מנתקים את הספקת-הכוח או מפחיתים את העברת ההספק כאשר הם בתקלה.

ספקי-כוח אל-פסק (UPS) משלימים את הגנרטורים ביישומים קריטיים

ספקי-כוח אל-פסק וגנרטורים עבור הספקת-כוח לגיבוי מבטיחים את רציפות הפעולה במהלך הפסקות חשמל ונפילות מתח. ספקי-כוח אל-פסק משתמשים בסוללות והם לרוב מתוכננים לספק כוח לפרקי-זמן של מספר דקות עד מספר שעות. גנרטורים משתמשים במנוע ליצירת כוח לפרקי-זמן ממושכים המוגבלים רק על ידי הדלק הזמין.

ספקי-כוח אל-פסק מגיבים מיידית להפסקת חשמל ומבטיחים שהספקת-הכוח תהיה ללא-הפסקה. לגנרטורים לעומת זאת יש זמן הפעלה של מספר שניות לפחות. עבור יישומים בהם נדרשת הספקת-כוח רצופה, יש לשלב ספק-כוח אל-פסק עם גנרטור כדי לספק חשמל בזמן שהגנרטור מותנע.

איור 6‏: ספק כוח אל-פסק (UPS‏) A‏ 5‏ _DC‏V‏ 24‏ זה מורכב על מסילת DIN ומספק כוח במשך 25 דקות כגיבוי בעומס מלא. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

ספקי-כוח אל-פסק מגנים על ציוד מפני הפסקות חשמל. ספקי-כוח אל-פסק מרשת-החשמל (Off-Line), הנקראים גם תלויי מתח ותדר, הם עם יחס עלות-תועלת מיטבי אך יש להם שני חסרונות עיקריים:

• בתנאים רגילים, ספקי-כוח אל-פסק מרשת-החשמל מעבירים זרם ישירות ליציאה מעבר לסוללות. כאשר מעגלי ה- UPS מגלים הפסקת חשמל, מתג יחבר את הסוללות ליציאה דרך מהפך. המשמעות היא שהספקת-הכוח עשויה להתנתק למשך כ- msec‏ 25.
• ספקי-כוח אל-פסק מרשת-החשמל מספקים הגנה מועטת או כלל לא מפני בעיות איכות הספקת-הכוח כגון נחשולים ורעש.

לעומת זאת, ספקי-כוח אל-פסק אינטראקטיביים-מהקו, הנקראים גם בלתי-תלויי-מתח (VI), פועלים באופן זהה למעשה ל- UPS תלויי-מתח-ותדר, אך יש להם מייצב מתח נוסף לשיפור איכות יציאת ההספק בפעולה רגילה. מערכות כאלה עדיין מציגות זמן מיתוג שבמהלכו הספקת-הכוח מנותקת - אך בדרך כלל מדובר רק ב- msec‏ 5 בערך, וזה בתוך זמן ההחזקה של מרבית ספקי-הכוח.

ספקי-כוח אל-פסק (UPS) המחוברים-ישירות-לעומס (On-Line), שהם בלתי-תלויים בתדר ובמתח רשת החשמל, לוקחים את תחכום הספקת-הכוח צעד אחד קדימה, ומעניקים את ההגנה הטובה ביותר. בספקי-כוח אל-פסק אלו העומס מחובר ישירות לסוללות שמהן הוא צורך את ההספק, והן בתורן נטענות באופן קבוע מרשת החשמל. הספקת-כוח ה- AC מרשת החשמל מיושרת ל- DC, כך שניתן לטעון את הסוללות. מהפך ממיר את המתח מהסוללות ל- AC, וממיר נוסף מעלה מתח זה לרמת מתח רשת החשמל. התוצאה היא שבעיות איכות הנובעות מרשת החשמל אינן משפיעות על היציאה, ואיכות הספקת-הכוח לעומס וההגנה הן ברמות גבוהות ביותר. אם זאת נצילות האנרגיה היא נמוכה יותר במידה ניכרת ועלות ספק-הכוח אל-פסק היא גבוהה יותר.

רק עבור העומסים הרגישים והקריטיים ביותר, ספק-כוח אל-פסק (UPS) מרשת-החשמל (Off-Line) ביחד עם ספק-כוח עם די זמן החזקה מהווים בחירה טובה יותר.

סיכום

קביעת דרישות התכן לאיכות הספקת-הכוח היא הצעד הראשון למניעת עלויות השבתה ותחזוקה כתוצאה מהספקת-כוח מזוהמת מרשת-החשמל, מרעש חשמלי ומהרמוניות. דרישות אלה משתנות משמעותית בהתאם לתכן המכונה ולפונקציות שלה. עם זאת, לאחר שהפרמטרים הללו נקבעים, מהנדסי התכנון יכולים להגדיר כראוי ספקי-כוח עם מסננים, שיכוך נחשולים, הספקת-כוח לגיבוי ואכשור הספקת-הכוח. זה יכול לשפר משמעותית את האמינות של ציוד אוטומטי.