Kraftforsyninger til maritime applikasjoner – og de mange utfordringene

Vi er alle kjent med selvkjørende biler og mange andre spennende prosjekter som bilindustrien er engasjert i, men langt færre har hørt om ubemannede skip og lignende prosjekter, som vil kunne operere store flåter av fartøyer, i stand til å navigere fra havn til havn uten mannskap om bord. Selv om de er i tidlige faser, har prosjekter som Maritime Unmanned Navigation Through Intelligence In Networks (MUNIN) utforsket  mulighetene for slike prosjekter, og etablert testfasiliteter for fremtidig utviklingsarbeid.

Nyeste teknologi for maritim
Fremtidige generasjoner av strømforsyninger for ubemannede skip er fremdeles i definisjonsfasen, samtidig som det er viktig å forstå den spesielle karakteren ved det maritime segmentet, som er ganske unikt når det gjelder miljømessige behov og reguleringer. Denne bransjens særegenheter gjør at kravene som settes til produkter og systemer som implementeres i skips- og offshoreinstallasjoner er større enn hva som i dag kreves for landbaserte industri- og kontormiljø. I tillegg er de internasjonale reguleringer og standarder som gjelder for den maritime industrien svært komplekse, og krever dybdekunnskap om applikasjonen og hvor den skal brukes. Strømforsyningsdesignere må ha kunnskap om spenningsdistribusjon spesifikk for maritime anvendelser, kombinasjoner av DC- og AC-nettverk, sikkerhetsreguleringer og mange andre aspekter, som ”brukssoner” som kan variere enormt fra skip til skip, og også i forhold til hva slags varer som transporteres.

Sonene
Generelt er det to soner som skiller seg ut på et skip;  ”bro og åpent dekk” og ”generell strømsone”, der sistnevnte i utgangspunktet refererer til alle andre områder på skipet.

Et eksempel på et spesifikt krav per sone, er det som angår elektromagnetisk utstråling og immunitet (EMC). Områdene som omfatter åpent dekk og bro legger ekstra begrensninger rundt EMC, ettersom en mengde følsomt utstyr er plassert i disse områdene, slik som kommunikasjon-, radar- og navigasjonsenheter.  Disse EMC-kravene ligger godt under den kjente standarden EN55022 Nivå B, og målingene starter på 10kHz i stedet for de vanlige 150kHz.

De mekaniske og klimatiske kravene er også høyere enn for en gjennomsnittlig industriapplikasjon. Vibrasjonsnivåer opp til 4g er vanlig, så vel som store temperaturvariasjoner, fra -25 til + 70 grader C, i tillegg til høy relativ fuktighet som gjør at muligheten for kondensering må tas i betraktning. 

Reglene
Alle land med en maritim sektor har sin egen sertifiseringsmyndighet med spesifikke krav for lokal sertifisering, noe som tvinger designere til å holde seg oppdatert på sluttapplikasjonen der strømforsyningene skal installeres. Generelt fins det for alle lands sertifiseringer en felles gruppe standarder og kvalifiseringsprosesser som  har noenlunde samme røtter, selv om det fra land til land og mellom ulike undersegmenter også er mange svært spesifikke krav som øker kompleksiteten. Vanskeligheten ligger i at det ikke er noen de-facto prosentandel av ”felles standarder” vs. spesifikke standarder, og at designerne derfor må starte ethvert nytt prosjekt med å studere et stort antall dokumenter før de begynne å konstruere noe som helst – en haug med tidkrevende, men meget nødvendig, hardt arbeid.

Arbeidsmetode
For å kunne utvikle en bærekraftig arbeidsmetode for å sikre at kraftforsyningsløsningene kan anvendes verden over, har designere av maritime strømforsyninger pleid å kombinere kravene fra alle land aktive i maritim konstruksjon og operasjon, for å etablere en kryssreferansetabell med ekvivalente og spesifikke tiltak i tilfelle større avvik - for eksempel høyere krav til støt og vibrasjoner. Så snart en slik ekvivalenstabell er etablert, velges de tøffeste kravene fra hver kategori og benyttes som en referanse for design, verifisering og kvalifisering av den endelige strømforsyningen. Dette gjøres i tett samarbeid med sluttkunden, noe som reduserer risikoen for å underspesifisere kraftforsyningen og for å feile i den endelige kvalifiseringen.

Testprotokoll
Kombinasjonen av denne designmetodikken og dybdekunnskap om lokale standarder og reguleringer resulterer i en testprotokoll som møter internasjonale og lokale krav. Denne testprotokollen anvendes så for alle produkter, hvilket forenkler ikke bare sluttgodkjenningen, men bekrefter i tillegg at strømforsyningen kan benyttes til erstatninger eller systemoppgraderinger i et hvilket som helst land.

Vanligvis forventer maritime kunder at strømforsyningene samsvarer med og kan sertifiseres og stemples med typegodkjenningslogoen til Germanischer Lloyd (GL) på grunn av den omfattende testingen for å møte EN60945 for utvidete godkjenninger av Bureau Veritas (BV), Lloyds Register (LRS), America Bureau of Shipping (ABS), Det Norske Veritas (DNV), Korean Register of Shipping (KR) og mange andre  sertifiseringsorganer i den maritime verden.

Mer kraft på mindre fotavtrykk
Med økende grad av innvevd elektronikk krever den maritime industrien stadig mer funksjonalitet på mindre plass. I dag ønsker skipseiere å utstyre sine fartøy med bredbånd internettforbindelser for både passasjerer og besetning, samtidig som de ønsker – så langt det er mulig – de samme funksjonene som på land.

Som et annet eksempel kommer posisjonssporingssystemer innebygd i skjermen, noe som krever svært kompakte kraftforsyninger som kan fungere med begrenset plass og uten kjølevifte. Slike kraftforsyninger må designes for ledningsbasert avkjøling og med spesiell oppmerksomhet på plassering av dissiperende komponenter og optimalisert ledningsavkjøling (figur 02).

For de fleste kraftdistribusjonssystemer leveres kraftenhetene fortrinnsvis i kassettformat, slik at de skal være enklere å installere, vedlikeholde og oppgradere. De maritime kassettene monteres vanligvis på DIN-skinner, selv om designere av elektriske systemer innen skipsindustrien krever at strømforsyningen også er kompatibel med frittstående ledningsavkjølte installasjoner hvor som helst på skipet, hvilket betyr – som for de innvevde strømforsyningene – at designet må være høyt optimalisert for ledningsavkjøling (figur 03).

Begrenset kjøleflate
Å pakke mer effekt inn i en mindre boks med optimalisert ledningsavkjøling krever høy grad av integrering av kraftkomponentene. Effektiviteten må være så høy som mulig, ettersom en liten kapsling også betyr at kjøleflaten er mindre. Ved å benytte de nylig utviklede resonantkretsene og og svitsjestyringsmetodene, oppnås det effektivitetsnivåer opp til 95%. Samtidig utforsker kraftelektronikkdesignerne nye teknologier, slik som digital styring og de nyeste generasjonene av Gallium Nitrid (GaN) kraft-FETs, rettet mot enda høyere effektivitet, fra lave til høye laster. Alle nye teknologier blir utforsket, selv om typen anvendelser – ship er ofte langt til havs og ukevis fra land – betyr at det kreves ekstremt høy pålitelighet, og dermed må nye teknologier verifiseres for bruk under disse ekstreme forholdene. Dette er en løpende prosess som er obligatorisk for fremtidige ubemannede skip, der vedlikehold under operasjon er nærmest umulig. Pålitelighet og null nedetid er regelen. På samme måte bør kraftforsyninger kunne koples i parallell for redundant operasjon. Det er vanlig praksis å implementere en ekstern ORing blokk (vanligvis med like dimensjoner som strømforsyningen) som elektrikerne kopler sammen med strømforsyningene. Denne konvensjonelle måte å gjøre det på ser ut til å forsvinne, og elektroniske parallelliseringskretser innebygd i selve strømforsyningen vil ta over.  Ved å integrere denne funksjonen i strømforsyningen sparer man plass til viktig utstyr, men dette betyr også at kraftelektronikkdesignerne må integrere mer elektronikk i en mindre pakke.

Hva blir det neste innen maritimt?
Eksisterende kraftløsninger for den maritime industrien har vist seg robuste, og møter internasjonale reguleringer.  Designere av kraftelektronikksystemer utforsker nye teknologier for hele tiden å øke effektiviteten, og samtidig redusere effektforbruket og varmetapet. Ubemannede skip vil kreve en grad av pålitelighet som vil ligge nær det mytiske ”null feil” nivået, og muligheten for at strømforsyninger kan styres og overvåkes fra et sentralt kontor (Figur 04) som for den sakens skyld kan være på den andre side av kloden! For designeren vil det være en enorm utfordring å kombinere de nyeste teknologiene innen svitsjing, termisk kontroll, styring og intelligens. Vi er på terskelen til en ny æra der kraftforsyninger vil bli selvstyrte og i stand til å diagnostisere tidlige tegn på feilfunksjon, for å kunne iverksette korrigerende tiltak. Er dette drøm eller realitet? Etter min mening banker det allerede på døren, og vi vil snart være der!

Referanser:
Maritime Unmanned Navigation Through Intelligence In Networks (MUNIN)
www.unmanned-ship.org/munin/