Soluzioni di alimentazione per il settore marittimo

Sappiamo tutti delle macchine self-driving e altri eccitanti progetti in cui è coinvolta l’industria automobilistica, ma pochi di noi hanno sentito parlare di navi senza equipaggio e altri progetti associati che renderanno possibile a grandi flotte di navigare da porto a porto senza equipaggi operativi. Anche se a uno stadio embrionale, i progetti come la navigazione senza equipaggio marittimo attraverso l’intelligenza in rete hanno permesso di indagare la reale fattibilità di questi progetti e permesso di sviluppare i banchi di test per il futuro. L’uso di navi senza equipaggio richiederà un’estrema affidabilità a partire dal generatore principale fino al singolo punto di carico, le sfide e le richieste imposte ai progettisti di potenza saranno pertanto ben al di là di qualsiasi esperienza fatta fino ad oggi.

Alimentatori di ultima generazione per il marittimo

Le future generazioni di alimentatori destinati alle navi senza equipaggio sono ancora in fase di definizione, anche se già da ora è importante capire la specificità del segmento marittimo, che è abbastanza unico in termini di esigenze ambientali e regolamentari. Vista la particolarità di questo settore, i requisiti imposti ai prodotti e ai sistemi collocati negli impianti navali e offshore sono più stringenti di quelli attualmente richiesti per le applicazioni industriali. Inoltre, le normative e gli standard internazionali applicabili all’industria marittima sono molto complessi, richiedendo una conoscenza approfondita dell’applicazione e di dove sarà realizzata. I progettisti devono essere consapevoli della specifica distribuzione della tensione in ambiente marittimo, combinando reti Dc e Ac, norme di sicurezza e molti altri aspetti come le “zone operative”, che possono variare enormemente da nave a nave e anche con la natura della merce che viene trasportata.

Le zone operative e i requisiti

Generalmente su una nave si distinguono due zone: il “ponte di comando e il ponte aperto”, e la “zona di alimentazione generale”, che si riferisce sostanzialmente a tutti gli altri spazi della nave. Un esempio di requisito specifico per le zone sono le norme Emc, relative all’emissione e all’immunità elettromagnetica. Nelle aree ponte si applicano ulteriori requisiti sull’Emc, in quanto molte attrezzature sensibili, come i dispositivi di comunicazione o i dispositivi di radar e di navigazione, sono alloggiate in questi settori. Questi requisiti Emc impongono di stare ben al di sotto del noto livello B della norma EN55022 e le misure si applicano a partire dai 10 kHz invece dei soliti 150 kHz. I limiti per quanto riguarda i requisiti meccanici e climatici sono superiori rispetto all’applicazione industriale media. Sono frequenti i livelli di vibrazione fino a 4g, così come le ampie variazioni di temperatura da -25 a + 70 °C e anche le condizioni di umidità elevate impongono di tener conto della possibile condensa, che non può essere esclusa.

Regole e certificazioni

In ogni paese il settore marittimo ha la propria autorità di certificazione, con specifiche richieste, questo impone ai progettisti di considerare l’applicazione finale in cui saranno installati gli alimentatori. In generale, in tutti i paesi c’è un insieme comune di standard di certificazione e processi di qualificazione che hanno radici analoghe, anche se da paese a paese e a seconda del sotto settore marittimo, ci sono anche una serie di requisiti molto specifici che aumentano la complessità. La difficoltà è che non esiste una percentuale di fatto come “standard comune” rispetto a quelli specifici, quindi si richiede ai progettisti di avviare qualsiasi nuovo progetto solo dopo aver esaminato un gran numero di documenti - un lavoro che richiede molto tempo, impegnativo e allo stesso modo necessario. Al fine di sviluppare un modo di lavorare “sostenibile”, per garantire che le soluzioni di potenza possano essere utilizzate in tutto il mondo, i progettisti di alimentatori marini combinano i requisiti di tutti i paesi attivi nella costruzione e nelle operazioni marittime, per stabilire un cross reference equivalente con azioni specifiche in caso di maggiori scostamenti, ad esempio maggiori richieste di shock e vibrazioni. Una volta stabilita una tabella di equivalenza, vengono selezionati i requisiti più complessi di ciascuna categoria e utilizzati come riferimento per la progettazione, la verifica e la qualificazione dell’alimentazione finale. Ciò avviene in stretta collaborazione con il cliente finale, riducendo il rischio di fallire la certificazione finale. Combinando questa metodologia di progettazione con una conoscenza approfondita degli standard locali e delle normative, si ottiene un protocollo che soddisfi i requisiti internazionali e locali. Questo protocollo viene quindi applicato a tutti i prodotti, semplificando non solo gli approval finali, ma anche confermando che il power supply può essere utilizzato per sostituire o aggiornare il sistema in qualsiasi paese. Solitamente i clienti del settore marino si aspettano che i power supply siano certificati ed etichettati con il logo di approvazione di Germanischer Lloyd a causa delle estese prove di conformità necessarie per soddisfare l’EN60945, per gli approval di Bureau Veritas, Lloyds Register, America Bureau of Shipping, Det Norske Veritas, Korean Register of Shipping e molti altri organi certificati, nel mondo marittimo.

Più potenza in una superficie più piccola

Con l’aumentata quantità di elettronica integrata, l’industria marittima richiede più funzionalità in uno spazio più piccolo. Attualmente i proprietari navali vogliono dotare le loro navi con connessioni a Internet a banda larga sia per i passeggeri che per l’equipaggio, incontrando, per quanto possibile, le stesse condizioni della terra ferma. Un ulteriore esempio sono i sistemi di rilevamento incorporati al monitor, essi richiedono alimentatori molto compatti che operano in un ambiente confinato senza ventilazione. Tali alimentatori devono essere progettati per il raffreddamento per conduzione, con un’attenzione particolare posta al posizionamento dei componenti dissipativi ed un raffreddamento per conduzione ottimizzato il PT571 di Powerbox è ottimizzato per il conduction cooling. Per la maggior parte dei sistemi di distribuzione di potenza, le unità sono preferibilmente in formato cassette, quindi più semplici da installare, mantenere e aggiornare. Le “cassettes” marine sono di solito montate su Din rail Sebbene i progettisti elettrici all’interno dell’industria navale richiedano che l’alimentazione elettrica sia anche conforme alle installazioni di raffreddamento a conduzione autonoma in qualsiasi punto della nave, vale a dire - come per gli alimentatori integrati - che il design deve essere altamente ottimizzato per il conduction cooling. Il PT577 è un alimentatore marino in formato cassette con diodi ORing incorporati. Alloggiare più potenza in un case più piccolo con un conduction cooling ottimizzato richiede un elevato grado di integrazione dei circuiti di potenza. L’efficienza deve essere la più alta possibile perché in un piccolo box la superficie di raffreddamento è più piccola. Utilizzando i circuiti risonanti più recenti e sistemi di switching control, si raggiungono livelli di efficienza del 95%, anche se i progettisti stanno esplorando nuove tecnologie come il controllo digitale e l’ultima generazione di Fet di potenza al nitruro di gallio (GaN), mirando ad una maggiore efficienza con una curva piatta, mantenendo l’efficienza elevata, da carichi molto bassi a molto alti. Tutte le nuove tecnologie vengono esplorate, (le imbarcazioni sono spesso in mezzo agli oceani e a settimane dalla terra) applicando livelli di affidabilità estremamente elevati, pertanto tutte le nuove tecnologie devono essere testate per essere utilizzate in condizioni estreme. Questo è un processo continuo, tassativo per le navi del futuro senza equipaggio, dove la manutenzione durante il funzionamento è quasi impossibile. La regola è: sicurezza e zero fermate. Di conseguenza gli alimentatori dovrebbero essere in grado di essere collegati in parallelo per l’operazione di ridondanza. È pratica comune aggiungere un ORing block esterno (di solito con dimensioni simili al power supply) che gli elettricisti collegano alle alimentazioni. Questo sistema convenzionale tenderà a scomparire e il circuito di parallelizzazione integrato all’alimentatore stesso prenderà il sopravvento. L’aggiunta di questa funzione nelle power units consente di risparmiare spazio per le apparecchiature più importanti, ma richiede che i progettisti integrino di più in un package più piccolo.

Cosa c’è nel futuro della marina?

Le soluzioni di potenza esistenti per l’industria marina hanno dimostrato la loro robustezza e soddisfano le conformità internazionali. I progettisti di potenza stanno esplorando nuove tecnologie per migliorare in modo incessante l’efficienza e ridurre il consumo di energia e la dissipazione. Le navi senza equipaggio richiederanno un livello di affidabilità prossimo a “zero difetti” e la capacità dell’alimentatore di essere controllato e monitorato da un ufficio centrale che potrebbe essere dall’altra parte del pianeta. Per il progettista di sistemi di potenza sarà una sfida incredibile il dover combinare tecnologie di ultima generazione in switching, la gestione termica, il controllo e intelligenza. Siamo vicini a una nuova era in cui gli alimentatori diventeranno autocontrollati e in grado di diagnosticare i primi segnali di fallimento per applicare l’azione correttiva.

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