Das Netzteil UNS 0868 dient als Kernkomponente für die Stromversorgung und -verwaltung innerhalb der Erregersysteme der ABB UNITROL® F-Serie und wird zu Recht als „Herz“ des gesamten Steuerungssystems angesehen. Sein primäres Designziel besteht darin, eine äußerst zuverlässige, redundante und stabile Gleichstrom-Betriebsleistung für die Steuerelektronik des Erregersystems bereitzustellen. Dies gewährleistet den kontinuierlichen und unterbrechungsfreien Betrieb aller Regelungs-, Steuerungs- und Schutzfunktionen unter verschiedenen Betriebsbedingungen des Generators, einschließlich Start- und Abschaltvorgängen und sogar vorübergehenden Ereignissen wie Netzfehlern.
Innerhalb des Erregersystems benötigt die Steuerelektronik (wie die Steuerplatine SDCS-CON-2, das Signalverarbeitungsgerät UNS 1860, die I/O-Schnittstelle UNS 0863 usw.) saubere, stabile Gleichspannungen. Allerdings erfüllen die Spannungsniveaus und die Qualität der in industriellen Umgebungen verfügbaren Stromquellen (z. B. Stationsbatterien und Hilfswechselstrom) diese Anforderungen häufig nicht. Der UNS 0868 wurde speziell zur Lösung dieses Problems entwickelt und erfüllt die entscheidenden Aufgaben der Leistungsanpassung, Redundanzschaltung und elektrischen Isolierung. Die zentrale Designphilosophie konzentriert sich auf Verfügbarkeit und Sicherheit. Durch die Integration von zwei Stromeingängen und einem N+1-Redundanzkonzept wird verhindert, dass ein Ausfall einer einzelnen Stromquelle zu einer vollständigen Abschaltung des Erregersteuerungssystems führt, wodurch der Generator und das Stromnetz geschützt werden.
Bei diesem Gerät handelt es sich um ein eigenständiges, auf der Platine montiertes Gerät, das im Erregerschrank installiert und über Standardklemmenblöcke an externe Batterien, Wechselstromquellen und interne Lasten angeschlossen wird.
2. Hauptmerkmale
Die Funktionen der UNS 0868 konzentrieren sich umfassend auf die Stromumwandlung, -verteilung und -verwaltung und manifestieren sich insbesondere in den folgenden Aspekten:
2.1. Zwei redundante Stromeingänge
Eingangskanäle: Bietet zwei unabhängige Stromeingangskanäle.
DC-Eingang: Anschluss an die Batteriebank des Kraftwerks. Dies ist die primäre und zuverlässigste Stromquelle für das System.
AC-Eingang: Anschluss an die Sekundärseite des Erregertransformators oder die AC-Hilfsstromversorgung der Anlage. Diese Quelle dient als Backup oder Ergänzung zur Batterie.
Automatische nahtlose Umschaltung: Die beiden Eingänge sind intern über Dioden entkoppelt. Solange eine der Stromquellen normal ist, bleibt die Leistung des Geräts garantiert erhalten, was ein wirklich nahtloses Umschalten ermöglicht und einen Single Point of Failure eliminiert.
2.2. Mehrere stabile Gleichspannungsausgänge
Der UNS 0868 erzeugt zwei unabhängige Gleichstromausgänge mit unterschiedlichen Eigenschaften, um verschiedene Teile des Systems mit Strom zu versorgen:
240 VDC Hauptausgang: Dieser Ausgang ist speziell für die SDCS-POW-4-Stromversorgungsplatine konzipiert, die in der Haupteinheit von UNITROL® F installiert ist. Die POW-4-Karte wiederum erzeugt die verschiedenen, von der Steuerung benötigten Gleichspannungen mit niedrigem Pegel (z. B. ±15 V, +5 V, +24 V). Dieser Ausgang ist die ultimative Energiequelle für die Steuerlogik und Signalverarbeitung.
24-V-Gleichstrom-Hilfsausgang: Hierbei handelt es sich um eine galvanisch getrennte 24-V-Gleichstromspannung, die speziell verwendet wird als:
Abfragespannung: Stellt das gemeinsame Potenzial für die 16 digitalen Eingangskreise der UNS 0863-E/A-Schnittstelle bereit.
Allzweckversorgung: Versorgt andere 24-V-Verbraucher wie Wandler, Buskoppler usw.
2.3. Umfassende Leistungsüberwachung und Statusanzeige
Eingangsspannungsüberwachung: Das Gerät überwacht kontinuierlich den Status der DC- und AC-Eingangsspannungen.
Fehlersignalausgang: Wenn eine der Eingangsspannungen ausfällt, liefert das Gerät über einen Relaisfehlerkontakt (FAIL-Signal) ein Alarmsignal. Dieses Signal kann vom Überwachungskontrollsystem erfasst werden, um das Betriebspersonal über den Stromstatus zu informieren.
LED-Statusanzeige: Die LED-Anzeigen AC ON und DC ON auf der Vorderseite bieten eine visuelle Anzeige des Anwesenheitsstatus der beiden Eingangsstromquellen.
2.4. Unterstützung für parallelen redundanten Betrieb
24-V-Ausgangsparallelschaltung: In Zweikanal-Erregersystemen (AFT) dürfen die 24-V-Gleichstromausgänge von zwei UNS 0868-Einheiten parallel geschaltet werden. Das Gerät verfügt zu diesem Zweck über Entkopplungsdioden und verfügt über dedizierte Parallelschaltklemmen (6/7 und 8/9), die sicherstellen, dass bei einem vollständigen Ausfall eines Netzteils das andere nahtlos die gesamte 24-V-Last übernehmen kann, wodurch eine N+1-Redundanz auf der Stromversorgungsebene erreicht wird.
2.5. Hold-up und Pufferung
Externe Kondensatorschnittstelle: Der 240-V-DC-Ausgang ist mit Klemmen (18/20) zum Anschluss eines externen Kondensators ausgestattet. Dadurch kann die im Kondensator gespeicherte Energie den 240-V-DC-Ausgang bei kurzen Unterbrechungen der DC-Eingangsleistung (z. B. Millisekunden bis Hunderte von Millisekunden) aufrechterhalten und so sicherstellen, dass das Steuerungssystem aufgrund plötzlicher Leistungseinbrüche nicht zurückgesetzt wird oder nicht funktioniert. Seine Aufrechterhaltungsfähigkeit wird mit 2,2 mF/s gemessen und der Kondensatorwert kann basierend auf der erforderlichen Überbrückungszeit des Systems ausgewählt werden.
3. Funktionsprinzip und Signalverarbeitungsmechanismus
Der interne Betrieb des UNS 0868 umfasst einen ausgeklügelten Prozess der Energieumwandlung und -steuerung. Die folgenden Abschnitte befassen sich mit dem gesamten Funktionsprinzip von der Eingabe bis zur Ausgabe.
3.1. Dual-Input-Verarbeitung und Redundanz-Schaltmechanismus
A. Eingangsempfang und Reichweitenanpassung:
Der UNS 0868 ist in zwei Versionen erhältlich, um unterschiedlichen globalen Kraftwerksstandards gerecht zu werden:
Version 1: Für 24/48 VDC-Systeme und 34 VAC-Systeme.
Version 2: Für 110/250 VDC-Systeme und 170 VAC-Systeme.
Die internen Schaltkreise, insbesondere der Front-End-Konverter, sind so konzipiert, dass sie sich automatisch an den für seine Version angegebenen weiten Eingangsspannungsbereich anpassen.
B. Diodenentkopplung und „ODER“-Logik:
Dies ist der Kern der Redundanzimplementierung. Der Gleichstromeingang und der Wechselstromeingang werden kombiniert, bevor sie über jeweils eine eigene Diode in den nachfolgenden Schaltwandler gelangen. Diese beiden Dioden bilden ein einfaches „ODER“-Logikgatter:
Wenn der DC-Eingang normal ist, fließt Strom von der DC-Seite.
Wenn der DC-Eingang verloren geht, der AC-Eingang jedoch normal ist, fließt Strom von der AC-Seite.
Die Dioden verhindern, dass Strom von einer Quelle in die andere fehlerhafte Quelle zurückfließt, wodurch eine perfekte elektrische Isolierung und ein nicht zirkulierendes Stromschalten erreicht wird. Dieser Vorgang ist rein hardwaremäßig implementiert, extrem schnell (Mikrosekunden) und weist keine Schaltverzögerung auf.
3.2. DC-DC-Boost-Umwandlungsprinzip
A. Hochfrequenz-Schaltumwandlung:
Unabhängig davon, ob die Energie vom Gleich- oder Wechselstromeingang kommt (Wechselstrom wird zunächst in Gleichstrom gleichgerichtet), wird die kombinierte Gleichstromleistung nicht direkt genutzt. Es wird in einen hochfrequent schaltenden DC-DC-Aufwärtswandler eingespeist. Der Kern dieses Wandlers ist ein Hochgeschwindigkeits-Schalttransistor (z. B. MOSFET), der sich wiederholt mit hoher Frequenz (typischerweise einige zehn bis Hunderte von kHz) ein- und ausschaltet.
B. Energiespeicherung und -abgabe:
Wenn der Schalter eingeschaltet ist, wird Energie in einem Induktor gespeichert. Wenn der Schalter ausgeschaltet wird, erzeugt der Induktor eine gegenelektromotorische Kraft, um seinen Strom aufrechtzuerhalten. Diese Spannung addiert sich zur Eingangsspannung und erzeugt einen Impuls, der höher als die Eingangsspannung ist.
C. Gleichrichtung und Filterung:
Dieser Hochfrequenz-Hochspannungsimpuls durchläuft einen Hochfrequenztransformator (der für Isolierung sorgt) und eine Gleichrichterdiode und wird dann von einem Ausgangskondensator geglättet, was letztendlich eine stabile Ausgangsspannung von 240 VDC ergibt. Eine präzise Rückkopplungsregelschleife (PWM-Modulation) sorgt dafür, dass die Ausgangsspannung unabhängig von Schwankungen innerhalb des zulässigen Eingangsspannungsbereichs stabil bei 240 V ±10 % bleibt.
3.3. Prinzip der isolierten 24-V-Ausgangserzeugung
Die 240-V-DC-Busspannung wird weiterverarbeitet, um den 24-V-Ausgang zu erzeugen. Dieser Prozess wird typischerweise von einem weiteren, unabhängigen DC-DC-Wandler übernommen, dessen Kern ebenfalls ein Hochfrequenz-Schaltkreis ist.
Galvanische Trennung: Der Hochfrequenztransformator in diesem Konverter ist isoliert, d. h. seine Primärseite (240-V-Seite) und Sekundärseite (24-V-Seite) sind elektrisch vollständig getrennt. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da dadurch die elektrische Verbindung zwischen den Steuerkreisen (24-V-Seite) und den Hauptstromkreisen (240-V-Seite) unterbrochen wird, wodurch die Störfestigkeit und Sicherheit des Systems erheblich verbessert wird, indem Probleme durch Erdpotentialunterschiede verhindert werden.
Regelung und Strombegrenzung: Dieser Schaltkreis verfügt außerdem über eine Spannungsregelung, um einen stabilen 24-V-Ausgang zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es kurzschlussfest ausgelegt, d. h. selbst wenn die Ausgangsklemmen versehentlich kurzgeschlossen werden, wechselt der Stromkreis in einen Strombegrenzungsmodus oder schaltet sich ab und erholt sich automatisch, sobald der Fehler behoben ist, ohne dass es zu Schäden am Gerät kommt.
3.4. Funktionsprinzip des Überwachungsschaltkreises
A. Spannungsmessung:
Das Gerät enthält Spannungskomparatorschaltungen, die kontinuierlich die DC- und AC-Eingangsspannungen messen.
B. Logische Beurteilung und Signalausgabe:
Status-LEDs: Wenn die abgetastete Spannung einen bestimmten eingestellten Schwellenwert überschreitet, lässt der Komparator die entsprechende AC-ON- oder DC-ON-LED aufleuchten.
FAIL-Signal: Die Überwachungslogik ist so ausgelegt, dass: Das FAIL-Signal nur dann aktiviert wird (Kontakte öffnen), wenn beide Eingangsspannungen gleichzeitig ausfallen. Wenn nur ein Eingang ausfällt, wird das FAIL-Signal nicht aktiviert, da der andere weiterhin den Betrieb aufrechterhalten kann. Dadurch werden unnötige Fehlalarme vermieden. Das FAIL-Signal wird von einem Relaiskontaktausgang bereitgestellt und bietet eine passive, potenzialfreie und isolierte Fehleranzeigemethode, die sicher an jedes externe Überwachungssystem angeschlossen werden kann.
3.5. Schutzmechanismen
Eingangssicherungen: Das Gerät verfügt intern über Sicherungen (F1, F2) sowohl auf der AC- als auch auf der DC-Eingangsseite. Diese dienen dazu, im Falle eines schwerwiegenden internen Fehlers (z. B. Schalttransistor-Kurzschluss) die Stromquelle schnell zu trennen, eine Fehlereskalation zu verhindern und die vorgeschalteten Batterien und das Verteilungssystem zu schützen.
Unterspannungssperre: In der „b“-Version verfügt das Gerät über eine Unterspannungssperrfunktion. Es verhindert, dass der Wandler startet oder arbeitet, wenn die Eingangsspannung zu niedrig ist, und verhindert so mögliche Schäden durch den Betrieb unter anormalen Spannungsbedingungen.
4. Systemintegration und -konfiguration
4.1. Elektrische Anschlüsse
Eingangsanschlüsse:
Klemmen 1(L), 2(N): An den AC-Eingang anschließen.
Klemmen 4(-), 5(+): An DC-Eingang anschließen (Polarität beachten).
Ausgangsklemmen:
Klemmen 17(+), 19(-): Ausgang 240 VDC an die POW-4-Stromversorgungsplatine.
Klemmen 6(+), 8(-): Ausgang 24 VDC Abfragespannung.
Klemmen 7, 9: Dienen zur Parallelschaltung der 24-V-Ausgänge.
Signalanschluss:
4.2. Anwendungsarchitektur innerhalb des Anregungssystems
In einem typischen UNITROL® F-System ist der 240-V-DC-Ausgang des UNS 0868 direkt mit dem Eingang der SDCS-POW-4-Stromversorgungsplatine in der Hauptsteuereinheit verbunden. Die POW-4-Karte stellt dann über Flachkabel verschiedene Betriebsspannungen an die Steuerplatine SDCS-CON-2, das Signalverarbeitungsgerät UNS 1860 usw. bereit. Der 24-V-DC-Ausgang ist mit der E/A-Schnittstelle UNS 0863 verbunden, um die digitalen Eingänge und internen Relais mit Strom zu versorgen.
4.3. Inbetriebnahme und Funktionsprüfung
Versionsbestätigung: Stellen Sie zunächst sicher, dass die UNS 0868-Version (V1 oder V2) mit der Batterie- und Hilfswechselspannung des Standorts übereinstimmt.
Einschaltprüfung: Beobachten Sie nach dem Anlegen der Stromversorgung, ob die LED-Anzeigen „AC ON“ und „DC ON“ aufleuchten.
Spannungsmessung: Messen Sie mit einem Multimeter den 240-V-DC-Ausgang (Klemmen 17/19) und den 24-V-DC-Ausgang (Klemmen 6/8); Spannungen sollten innerhalb der zulässigen Toleranz liegen.
Fehlersimulation: Trennen Sie eine Eingangsstromquelle und beobachten Sie, ob die andere den Ausgang nahtlos aufrechterhalten kann, und überprüfen Sie den Status des FAIL-Signals.
5. Anwendungsszenarien
Der UNS 0868 ist für industrielle Umgebungen konzipiert, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, und wird hauptsächlich verwendet in:
Kraftwerkserregersysteme: UNITROL® F-Erregerschränke in verschiedenen Kraftwerkstypen (Wärmekraftwerke, Wasserkraftwerke, Kernkraftwerke, Gasturbinen usw.).
Kritische Industrieprozesse: Kritische Prozesse, die von großen Synchronmotoren angetrieben werden, beispielsweise in Chemiefabriken, Druckluftspeichern und Metallurgie.
Marine Power Systems: Erregungssteuerung für Schiffsgeneratoren.
Jedes Steuerungssystem, das eine hohe Verfügbarkeit und redundante Stromversorgung erfordert.
