חשמל זה פשוט

בקרב רוב בעלי היאכטות קיים חשש מנושא החשמל, לכן הנטייה הטבעית היא לדחוק נושא זה לתחתית סולם העדיפויות. לביצועי מערכת החשמל השפעה מכרעת על בטיחות ההפלגה ואיכות החיים ביאכטה. למרות מורכבות הנושא, אורי לוינסון, שייט, מדריך שיט ותיק וחשמלאי מנוסה ינסה להוריד את מפלס החשש ולתת לקוראים כלים לפתור בעיות בסיסיות במערכת ולהתאים אותה לצורכיהם.

המרכיבים העיקריים במערכת החשמל הם: מצברים, אלטרנטור, מטען, מבודד טעינה, לוח ראשי, צרכנים "כבדים", צרכנים רגילים, מערכת בקרה, הגנות, כבלים, מפסקים.

מדי פעם, על מנת לפשט את ההסברים, נדמה את המתרחש במערכת החשמל למערכת מים.

מצברים

מצבר הוא מקור אנרגיה המייצר פוטנציאל חשמלי (וולטים) ע"י פעילות כימית (מקביל ללחץ באטמוספרות במערכת מים). בד"כ מורכב מצבר משישה תאים נפרדים המחוברים ביניהם בטור, כלומר קוטב בעל פוטנציאל חיובי וקוטב בעל פוטנציאל שלילי. כל תא מייצר פוטנציאל של שני וולט ולכן בקוטבי המצבר הראשיים נקבל מתח (לחץ) של כשנים עשר וולט (נתון לשנוי לפי מצב הטעינה של המצבר).

המצברים מתחלקים לשני סוגים עיקריים, מצברי התנעה ומצברי פריקה עמוקה.

מצברי התנעה: בנויים לספק זרם (אמפר - ניתן להשוותו למים הזורמים בצינור) גבוה לזמן קצר. בזמן התנעת המנוע, המתנע צורך זרם גבוה למספר שניות. בבואנו לבחור מצבר התנעה יש לשים לב לשני נתונים. הראשון הוא אמפר/שעה (AH ). לדוגמא מצבר של 100 אמפר/שעה מסוגל לספק 100 אמפר למשך שעה אחת, 10 אמפר למשך 10 שעות וכו'. נתון זה מיועד רק לקבלת מידע על גודל המצבר. מעשית אסור לפרוק מצברים אלה פריקה מלאה, פריקה של יותר מ 50% מקצרת את חייהם. הנתון השני הוא זרם התנעה מקסימלי. לדוגמא, על מצבר 100 אמפר/שעה של VARTA מצוין זרם התנעה של 650 אמפר. מצבר זה מסוגל לספק 650 אמפר לזמן קצר הדרוש להתנעת המנוע.

מצברי פריקה עמוקה: מיועדים לספק זרמים נמוכים לזמן ארוך. בבואנו לבחור מצבר פריקה עמוקה לצריכה שוטפת ביאכטה, הנתון החשוב ביותר הוא קיבולת המצבר באמפר/שעה ב- 20 שעות פריקה. למשל על מצבר פריקה עמוקה של חברת EXIDE יופיעו הנתונים הבאים: 245 אמפר/שעה בשימוש איטי נקוב של 20 שעות, ו- 205 אמפר/שעה בשימוש מהיר של 5 שעות. כלומר אותו מצבר ייתן ביצועים טובים יותר ככל שנפרוק אותו לאט יותר. מצברים אלו ניתן לפרוק פריקה עמוקה של עד 80% ללא גרימת נזק. נתון נוסף שמצביע על איכות המצבר, הוא מספר מחזורי פריקה וטעינה מלאים (CYCLES ) שהמצבר אמור לספק. לדוגמא, המצבר האמור של EXIDE מספק 700 מחזורים. קיים בארץ יצרן מצברי פריקה עמוקה טובולריים המספקים 1500 מחזורים. למרות שמפרשית ממוצעת לא תגיע לכזה מספר מחזורים גדול, נתון זה מצביע על איכות ואורך חיי המצבר החשובים מאוד לכולנו.

שיקולים עיקריים בבחירת סוג וגודל מצבר לצריכה שוטפת (domestic battery) :

מספר השעות הנדרש לאספקת זרם ללא טעינה בזמן הפלגה או בעגינה: לדוגמא, על מנת לבצע הפלגת מפרשים רצופה של 20 שעות כאשר בספינה מופעלים הגה אוטומטי, מקרר ותאורה בזרם כולל של כ-10 אמפר בממוצע, עלינו לפרוק מהמצברים 20 H X 10 A = 200 AH (אמפר/שעה). מכיוון שניתן לפרוק עד 80% מהמצבר דרוש לנו מצבר פריקה עמוקה של 250 AHב- 20 שעות, או מצבר התנעה של 400 AH מכיוון שכאמור במצברי התנעה ניתן לפרוק עד 50% .

זמן טעינה: אין מחלוקת שהשאיפה היא לטעון את המצברים במינימום שעות מנוע. זהו שיקול מרכזי בבואנו להחליט בין מצבר אטום רטוב או ג'ל ללא טיפול לבין מצבר רטוב עם טיפול. במערכת שבה מצברים עם אפשרות להוספת מים ואלטרנטור עם ווסת טעינה ימי (יוסבר בהמשך), ניתן לקצר משמעותית את זמן הטעינה לעומת מצברים אטומים הרגישים לטעינה מהירה.

חיבור מקבילי של מצברים. ביאכטות רבות מחוברים מצברים במקביל (פלוס לפלוס ומינוס למינוס) על מנת ליצור בנק מצברים גדול יותר. לדוגמא, 3 מצברים של 80 אמפר/שעה 12 וולט יהפכו לבנק של 240 אמפר/שעה 12 וולט. בבואכם להחליף מצברים יש להשתדל להימנע משיטה זו. עדיף מצבר אחד גדול של 240 אמפר/שעה. מערכת בעלת מצברים קטנים המחוברים ביניהם במקביל תתפקד פחות טוב ותהיה בעלת חיים קצרים יותר.

טעינת מצברים ממתח חוף.

 

graph כל שייט יאכטות המגיע למרינה ומתחבר למערכת החשמל משחרר מעין אנחת רווחה - מעכשיו לא צריך לחסוך בחשמל ועד ההפלגה הבאה המצברים יתמלאו. מחשבה זו לא תמיד נכונה,תלוי בסוג ובעוצמת המטען.

להלן מספר גורמים חשובים לבחירת מטען:

• זרם טעינה: נתון זה חייב להופיע על גבי המטען.היחס הנכון בין זרם המטען לקיבול המצברים הוא בין 1:8 ל 1:10. אם אנו צורכים זרם בזמן הטעינה עדיף יחס 1:8. יש להיות ערים לעובדה שבחלק גדול מהמטענים הזרם המצוין על גבי המטען הוא זרם מקסימאלי ולא זרם רציף.
• בקרת הזרם: שיטת הטעינה האופטימאלית מבחינת אורך חיי המצבר, מהירות טעינה ומילוי מקסימאלי כמתואר בגרף. המתח בגרף מסומן בקו אדום והזרם בכחול.

שלב ראשון: המצבר מרוקן לאחר שימוש. המטען טוען בזרם קבוע התלוי בחוזק המטען ובסוג המצבר. במטענים הטוענים בשיטה זו מכיילים את סוג המצבר בזמן ההתקנה. במצברים המאפשרים הוספת מים הטעינה מהירה, במצברים אטומים הטעינה פחות מהירה. בשלב זה עולה מתח המצבר.

שלב שני: המתח הגיע לרמה הרצויה 14.8וולט במצברים פתוחים, 14.4וולט במצברים אטומים. זרם הטעינה יורד בהדרגה.

שלב שלישי: גמר טעינה, מעבר למצב ציפה (FLOAT ) המטען שומר את המצברים במתח 13.5וולט בקירוב.

בזמן הטעינה מתבצע תהליך כימי שבו משתחרר האלקטרוליט שנספג בלוחיות המצבר לחלל התא. בשלב השני כאשר המצבר כבר טעון והמתח עדיין גבוה מתרחש הליך של ניקוי המשקעים מהלוחות הסופגים (DE-SULPHATION ).

שלב זה יעיל לזמן מוגבל. חריגה מהזמן תגרום נזק למצבר. רק מטען אלקטרוני עם בקרה דיגיטלית מסוגל לחשב את הקצב הנכון והיעיל והזמן האופטימאלי לשלב 2. לאחרונה פותח מטען דיגיטלי של חברת STERLING שפעם בשבוע מבצע את פעולת הניקוי על ידי מעבר לשלב 2 אם לא הייתה פעילות במערכת.

מטען ימי (MARINE ): מטען שאינו מוגדר "ימי" עלול לגרום לעיכול מתכות בכלי השייט.

בקרת חום למצברים: בזמן הטעינה מתחממים המצברים. מטען עם אפשרות להתקנת גשש טמפרטורה על המצבר יהיה בטיחותי יותר ויאריך את חייו.

אפשרות לטעינת מספר מצברים באותו זמן: במטענים בעלי מספר יציאות מבודדות ניתן לטעון באותו זמן בנקים שונים של מצברים מבלי ליצור קשר ביניהם.

כבלים מוליכים

הכבלים משמשים להולכת הזרם החשמלי בין כל מרכיבי המערכת. הם מהווים גורם בעל חשיבות והשפעה רבה על תפקוד הצרכנים. הכבלים עשויים מנחושת מהסיבה שלנחושת התנגדות נמוכה ביותר למעבר זרם חשמלי. שטח החתך של הכבל המיועד לכל צרכן נקבע לפי שני משתנים: המשתנה הראשון: זרם עבודה של הצרכן. לדוגמא כננת עוגן בעלת הספק של 1000וואט במערכת של 12וולט צורכת 1000:12 כ-80 אמפר. משתנה שני הוא המרחק בין מקור הזרם לצרכן (אורך הכבל), ככל שהמרחק גדול יותר הכבל צריך להיות עבה יותר. כבל בעובי קטן מהרצוי יגרום לנפילת המתח שמגיע לצרכן. במקרה של כננת העוגן היא תסתובב לאט יותר ותתחמם.

נחזור להשוואה למים: ברשותנו צינור באורך 30 מטר וקוטר 10 מ"מ, לחץ המים ברשת 12 אטמוספרות, כשנתחיל להזרים מים נקבל מצדו השני פחות מ-12 אטמוספרות, ככל שיגדל זרם המים יגדל גם הפרש הלחצים בין הכניסה ליציאה. אם נקצר את אותו צינור או נחליפו בצינור עבה יותר נקטין את הפרש הלחצים.

קרו לי מספר מקרים שבעלי יאכטות היו בטוחים שהמצברים ביאכטה שלהם אינם תקינים מכיוון שבמכשירים האלקטרוניים הופיעה תצוגה LOW BATT (מצבר חלש), או שהשעונים בלוח החשמל הראו מתח נמוך. הבעיה האמיתית הייתה אחרת, הכבלים בין המצברים ללוח החשמל היו דקים מדי ביחס לכמות הצרכנים שהופעלו בו זמנית ונוצר הפרש גדול בין המתח בצד המצבר למתח בצד הלוח. הפתרון במקרים אילו היה החלפת הכבלים ולא המצברים.

הגנות

לכל מעגל חשמלי ביאכטה חייבת להיות הגנה נגד יתרת זרם וזרם קצר. הרכיב האחראי לכך נקרא פיוז (המונח העברי "נתיך" אינו מתייחס לכל הסוגים). לדוגמא יתרת זרם נוצרת כאשר נפעיל מספר גדול מדי של נורות על קו החשמל של תאורת פנים ביאכטה. זרם קצר לעומת זאת ייווצר כתוצאה מבידוד לקוי בין כבל פלוס לכבל מינוס או כאשר מנוע חשמלי (כננת, מתנע) מקבל מתח ואינו מסתובב מסיבה חיצונית כלשהיא. תפקיד הפיוז הוא לנתק את אותו מעגל כשמתרחש אחד מהמקרים הללו.

סוגי פיוזים-

פיוז רגיל (נתיך): מורכב ממוליך מיוחד שמתחמם וניתק כאשר הזרם דרכו גדול מהערך הנקוב שלו. יש להחליפו לאחר תיקון התקלה.

פיוז חצי אוטומטי: בעל מנגנון תרמי או מגנטי שמזהה זרם גבוה ומנתק את המעגל. משמש גם כמפסק. לאחר תיקון התקלה יש להפעילו.

פיוז אוטומטי: זרם יתר גורם לחימום מנגנון של בימטל (דו-מתכת), לאחר ניתוק המעגל והתקררות המנגנון יחבר הפיוז את המעגל מחדש באופן אוטומטי.

מספר כללים להגנה נכונה-

1. מיקום הפיוז: קרוב ככל הניתן למקור הזרם של אותו מעגל. לדוגמא,זרם קצר בכבלים של מערכת ההתנעה יגרום להתלהטות הכבלים בשניות עם סיכוי גבוה לשריפה. פיוז מתאים ביציאה מהמצברים ימנע נזק גדול יותר או אסון.
2. ערך הפיוז: ערך נקוב של הפיוז יהיה ב 20-30% גבוה מהזרם המתוכנן לזרום במעגל שעליו הוא מגן. במעגלים המפעילים מנועים כגון מקרר, שירותים חשמליים, מתנע וכו' יש להתקין פיוזים יותר חזקים.
3. סוג הפיוז: ברוב המקרים כדאי להשתמש בפיוז חצי אוטומטי משתי סיבות, אין צורך להחליפו לאחר שניתק את המעגל, ואין צורך להתקין מפסק בנוסף אליו. במעגלים של צרכנים גדולים כמו בחרטומן (אוטרסטר), מנוע, כננת וכו' נדרשים פיוזים חצי אוטומטים גדולים ויקרים ההופכים את השימוש בהם ללא כדאי. במקרים אילו נשתמש בנתיך פשוט. במעגלים של כננת עוגן או כננות מפרשים (וינצ'ים) חשמליים ניתן להשתמש בפיוז אוטומטי.

מפסקים ראשיים

המפסקים מחוברים ישירות למצברים (דרך פיוז). ניתוק מפסקים אלה ינתק את כל החשמל בספינה .

קיימות שתי גישות נפוצות בקשר למפסקים ראשיים: ברוב היאכטות האירופיות מותקנים שלושה מפסקים נפרדים זהים, בעלי שני מצבים, מנותק או מחובר. מפסק אחד למצבר מנוע, מפסק שני למצבר שירות ומפסק שלישי לקוטב מינוס המשותף.

לעומת זאת ליאכטות אמריקאיות אופיינית שיטה שונה. מפסק אחד בעל ארבעה מצבים:

• מנותק OFF
• BATT 1 - חיבור למצבר מס' 1
• BATT 2 – חיבור למצבר מס' 2
• BOTH – חיבור לשני המצברים במקביל

לשיטה האירופאית שני יתרונות חשובים הגורמים לי להעדיף אותה:

קיימת הפרדה מלאה בין מצבר שירות למצבר התנעה. בזמן ההתנעה נוצר מפל מתח משמעותי כתוצאה מצריכת זרם גבוהה ע"י המתנע (סטרטר). בזכות ההפרדה לא תשפיע נפילת המתח על הצרכנים המחוברים למצבר השירות. כמו כן מוגנת שיטה זו מטעות נפוצה בקרב שייטים רבים שעקב שכחה או חוסר ידע משאירים את המפסק במצב BOTH או במצב של שימוש במצבר מנוע בזמן הפלגה במפרשים. החיסרון הבולט בשיטה זו הוא חוסר האפשרות להחליף מצברים כשקיימים קשיים בהתנעה. אולם לחסרון זה יש פתרון קל יחסית: הוספת מפסק נוסף למצבי חירום בלבד, המאפשר החלפה בין המצברים או חיבורם במקביל כמו בשיטה השנייה.

לוח החשמל

ללוח החשמל הראשי בכלי השייט שלושה תפקידים עיקריים:

1. תחנת שליטה וחלוקה למעגלים משניים המספקים חשמל לרוב הצרכנים (פרט לצרכנים "כבדים" כמו חרטומן, מתנע, כננת עוגן ועוד).
2. הגנה נגד יתרת זרם וזרם קצר של כל מעגל בנפרד.
3. מתן מידע לגבי מצב מצברים, זרמים ומתחים במערכת.

פלוס מהמצברים יגיע ללוח החשמל מהמפסק הראשי ויחובר ישירות אל הצג המשותף בשורות המפסקים החצי אוטומטיים המורכבים על הפאנל.

צידו השני של כל מפסק מחובר אל המעגל או אל הצרכן שאותו הוא אמור להפעיל.

בתוך הלוח מאחורי הפנל ימוקם סרגל חיבורים המחובר ישירות או דרך מפסק למינוס של המצברים. לסרגל זה יחוברו ישירות מוליכי המינוס של כל הצרכנים המוזנים מלוח החשמל.

ברוב היאכטות החדישות מותקנים בתוך ארון החשמל סרגלי חיבורים מפלסטיק, המשמשים גם לחיבור מינוס ראשי וגם להסתעפות למעגלים השונים. לצערי השיקול היחיד מצד המספנות בבחירת רכיבים אלו הוא חיסכון בזמן התקנה. בשיטה הנכונה והמומלצת, על כל קצה כבל תהיה נעל כבל בצורת טבעת סגורה המהודקת על ידי בורג לסרגל חיבורים או למפסק מתאים.

גם מערכות הבקרה הסטנדרטיות המהוות חלק מלוח החשמל בספינה, רחוקות מלספק. בחלק גדול מהיאכטות קיים שעון מתח אנלוגי בלבד, הנותן תמונת מצב חלקית ולא מדויקת. המתח הרגעי מושפע מצריכת הזרם באותו זמן ולא בהכרח מעיד על מצב המצבר. כלומר בזמן שיופעלו צרכנים רבים יכול מתח המצבר לרדת מתחת ל- 12 וולט ולגרום למפעיל לחשוב שהמצבר ריק. כיבוי הצרכנים יגרום לעליה משמעותית במתח. בנוסף גם חוסר הדיוק והקושי בקריאה במכשיר אנלוגי יגרמו לקבלת תמונת מצב לא נכונה. שגיאה של 1/2 וולט יכולה להיות ההבדל בין טעינה נכונה לטעינת יתר הגורמת נזק למצברים.

מערכת בקרת מצברים דיגיטלית היא פריט חיוני מבחינת בטיחות, נוחות וניצול נכון של מערכת החשמל. קיימות היום מערכות המספקות נתונים מדויקים כגון: מתח של כל בנק מצברים, זרם צריכה, זרם טעינה ומצב מצברים אמיתי ע"י עדכון שוטף של מספר אמפר/שעות שנצרך מהמצבר. נתון זה מאפשר להתייחס למצבר כמו אל מיכל מים שבכל רגע נתון אנו יודעים כמה ליטרים ניתן עדיין לצרוך עד למילוי הבא.

בזמן הטעינה תציג המערכת גם את הזרם הנכנס למצבר ונוכל לדעת כמה שעות מנוע או טעינת חוף ידרשו למילויו. קריאת הזרם הדיגיטלית מאפשרת לדעת את צריכת הזרם המדוייקת של כל צרכן, מונעת שכחה של צרכנים שאינם דרושים ומסייעת לאיתור מהיר של תקלות במערכת.