La unidad de fuente de alimentación UNS 0868 sirve como componente principal responsable del suministro y la gestión de energía dentro de los sistemas de excitación de la serie ABB UNITROL® F, legítimamente considerado como el 'corazón' de todo el sistema de control. Su principal objetivo de diseño es proporcionar energía operativa de CC altamente confiable, redundante y estable para la electrónica de control del sistema de excitación. Esto garantiza el funcionamiento continuo e ininterrumpido de todas las funciones de regulación, control y protección en diversas condiciones de funcionamiento del generador, incluido el arranque, el apagado e incluso eventos transitorios como fallas de la red.
Dentro del sistema de excitación, la electrónica de control (como el tablero de control SDCS-CON-2, el dispositivo de procesamiento de señales UNS 1860, la interfaz de E/S UNS 0863, etc.) requieren voltajes de CC limpios y estables. Sin embargo, los niveles de voltaje y la calidad de las fuentes de energía disponibles en entornos industriales (como las baterías de las estaciones y la energía auxiliar de CA) a menudo no cumplen con estos requisitos. El UNS 0868 está diseñado específicamente para abordar este problema, cumpliendo las funciones críticas de adaptación de energía, conmutación de redundancia y aislamiento eléctrico. Su filosofía de diseño principal se centra en la disponibilidad y la seguridad. Al incorporar entradas de energía duales y un concepto de redundancia N+1, evita que una sola falla en la fuente de energía provoque un apagado completo del sistema de control de excitación, salvaguardando así el generador y la red eléctrica.
Esta unidad es un dispositivo independiente 'montado en placa' instalado dentro del gabinete de excitación, conectado a baterías externas, fuentes de alimentación de CA y cargas internas a través de bloques de terminales estándar.
2. Características clave
Las funciones de la UNS 0868 se centran integralmente en la conversión, distribución y gestión de energía, manifestándose específicamente en los siguientes aspectos:
2.1. Entradas de energía redundantes duales
Canales de entrada: Proporciona dos canales de entrada de energía independientes.
Entrada CC: Se conecta al banco de baterías de la central eléctrica. Esta es la fuente de energía principal y más confiable del sistema.
Entrada de CA: Se conecta al lado secundario del transformador de excitación o a la fuente de alimentación de CA auxiliar de la planta. Esta fuente sirve como respaldo o complemento de la batería.
Conmutación automática sin interrupciones: las dos entradas están desacopladas internamente mediante diodos. Siempre que cualquiera de las fuentes de energía sea normal, se garantiza que se mantendrá la salida de la unidad, lo que permite una verdadera conmutación perfecta y elimina un único punto de falla.
2.2. Múltiples salidas de voltaje CC estables
El UNS 0868 genera dos salidas DC independientes con diferentes características para alimentar diferentes partes del sistema:
Salida Principal 240 VDC: Esta salida está diseñada específicamente para la placa de alimentación SDCS-POW-4 instalada dentro de la unidad principal UNITROL® F. La placa POW-4, a su vez, genera los diversos voltajes CC de bajo nivel requeridos por el sistema de control (por ejemplo, ±15 V, +5 V, +24 V). Esta salida es la fuente de energía definitiva para la lógica de control y el procesamiento de señales.
Salida auxiliar de 24 VCC: Se trata de un voltaje de 24 VCC aislado galvánicamente, utilizado específicamente como:
Voltaje de interrogación: Proporciona el potencial común para los 16 circuitos de entrada digital en la interfaz de E/S UNS 0863.
Suministro de uso general: alimenta a otros consumidores de 24 V, como transductores, acopladores de bus, etc.
2.3. Monitoreo integral de energía e indicación de estado
Monitoreo del voltaje de entrada: La unidad monitorea continuamente el estado de los voltajes de entrada de CC y CA.
Salida de señal de falla: cuando falla cualquiera de los voltajes de entrada, la unidad proporciona una señal de alarma a través de un contacto de falla del relé (señal de FALLA). Esta señal puede ser adquirida por el sistema de control de supervisión para alertar al personal operativo sobre el estado de la energía.
Indicación de estado LED: Los indicadores LED AC ON y DC ON en el panel frontal proporcionan una visualización visual del estado de presencia de las dos fuentes de alimentación de entrada.
2.4. Soporte para operación redundante en paralelo
Paralelo de salidas de 24 V: en sistemas de excitación de doble canal (AFT), se permite conectar en paralelo las salidas de 24 V CC de dos unidades UNS 0868. La unidad incorpora diodos de desacoplamiento para este propósito y proporciona terminales de conexión en paralelo dedicados (6/7 y 8/9), lo que garantiza que si una unidad de alimentación falla por completo, la otra pueda hacerse cargo sin problemas de toda la carga de 24 V, logrando una redundancia N+1 en el nivel de fuente de alimentación.
2.5. Retención y amortiguación
Interfaz de condensador externo: la salida de 240 V CC está diseñada con terminales (18/20) para conectar un condensador externo. Esto permite que la energía almacenada en el capacitor mantenga la salida de 240 V CC durante breves interrupciones de la energía de entrada de CC (por ejemplo, de milisegundos a cientos de milisegundos), lo que garantiza que el sistema de control no se reinicie ni funcione mal debido a caídas instantáneas de energía. Su capacidad de mantenimiento se mide en 2,2 mF/s y el valor del condensador se puede seleccionar en función del tiempo de mantenimiento requerido del sistema.
3. Principio de funcionamiento y mecanismo de procesamiento de señales
El funcionamiento interno del UNS 0868 implica un sofisticado proceso de conversión y control de energía. Las siguientes secciones profundizan en su principio de funcionamiento completo desde la entrada hasta la salida.
3.1. Mecanismo de conmutación de redundancia y procesamiento de entrada dual
a. Recepción de entrada y adaptación del alcance:
El UNS 0868 viene en dos versiones para adaptarse a diferentes estándares globales de centrales eléctricas:
Versión 1: Para sistemas de 24/48 VDC y sistemas de 34 VAC.
Versión 2: Para sistemas de 110/250 VDC y sistemas de 170 VAC.
El circuito interno, particularmente el convertidor frontal, está diseñado para adaptarse automáticamente al amplio rango de voltaje de entrada especificado para su versión.
b. Desacoplamiento de diodos y lógica 'O':
este es el núcleo de la implementación de redundancia. La entrada de CC y la entrada de CA se combinan antes de ingresar al convertidor de conmutación posterior, cada una a través de su diodo dedicado. Estos dos diodos forman una puerta lógica 'O' simple:
Si la entrada de CC es normal, la corriente fluye desde el lado de CC.
Si la entrada de CC se pierde pero la entrada de CA es normal, la corriente fluye desde el lado de CA.
Los diodos evitan que la corriente regrese de una fuente a la otra fuente defectuosa, logrando un aislamiento eléctrico perfecto y una conmutación de corriente no circulante. Este proceso se implementa exclusivamente en hardware, es extremadamente rápido (microsegundos) y no tiene retraso de conmutación.
3.2. Principio de conversión de refuerzo DC-DC
a. Conversión de conmutación de alta frecuencia:
independientemente de si la energía proviene de la entrada de CC o CA (la CA se rectifica primero a CC), la potencia de CC combinada no se utiliza directamente. Se alimenta a un convertidor elevador CC-CC de conmutación de alta frecuencia. El núcleo de este convertidor es un transistor de conmutación de alta velocidad (por ejemplo, MOSFET) que se enciende y apaga repetidamente a alta frecuencia (normalmente de decenas a cientos de kHz).
b. Almacenamiento y liberación de energía:
cuando el interruptor está encendido, la energía se almacena en un inductor. Cuando el interruptor se apaga, el inductor, para mantener su corriente, genera una fuerza contraelectromotriz. Este voltaje se suma al voltaje de entrada, produciendo un pulso más alto que el voltaje de entrada.
do. Rectificación y filtrado:
este pulso de alta frecuencia y alto voltaje pasa a través de un transformador de alta frecuencia (que proporciona aislamiento) y un diodo rectificador, y luego es suavizado por un capacitor de salida, lo que finalmente produce un voltaje de salida estable de 240 VCC. Un bucle de control de retroalimentación preciso (modulación PWM) garantiza que el voltaje de salida permanezca estable a 240 V ±10 %, independientemente de las fluctuaciones dentro del rango de voltaje de entrada permitido.
3.3. Principio de generación de salida aislada de 24 V
El voltaje del bus de 240 VCC se procesa adicionalmente para generar la salida de 24 V. Este proceso normalmente lo realiza otro convertidor CC-CC independiente, cuyo núcleo también es un circuito de conmutación de alta frecuencia.
Aislamiento galvánico: El transformador de alta frecuencia de este convertidor está aislado, lo que significa que su primario (lado de 240 V) y su secundario (lado de 24 V) están eléctricamente completamente separados. Esto es crucial ya que interrumpe la conexión eléctrica entre los circuitos de control (lado de 24 V) y los circuitos de alimentación principales (lado de 240 V), lo que mejora significativamente la inmunidad al ruido y la seguridad del sistema al evitar problemas causados por diferencias de potencial de tierra.
Regulación y limitación de corriente: este circuito también cuenta con regulación de voltaje para garantizar una salida estable de 24 V. Además, está diseñado para ser a prueba de cortocircuitos, lo que significa que incluso si los terminales de salida sufren un cortocircuito accidental, el circuito entrará en un modo de limitación de corriente o se apagará, recuperándose automáticamente una vez que se elimine la falla, sin causar daños a la unidad.
3.4. Principio de funcionamiento del circuito de monitoreo
a. Detección de voltaje:
La unidad contiene circuitos comparadores de voltaje que muestrean continuamente los voltajes de entrada de CC y CA.
b. Juicio lógico y salida de señal:
LED de estado: cuando el voltaje muestreado excede un cierto umbral establecido, el comparador activa el LED AC ON o DC ON correspondiente para que se ilumine.
Señal de FALLO: La lógica de monitoreo está diseñada de manera que: la señal de FALLO se activa (contactos abiertos) solo cuando ambos voltajes de entrada fallan simultáneamente. Si solo falla una entrada, la señal FAIL no se activa porque la otra aún puede mantener la operación. Esto evita falsas alarmas innecesarias. La señal de FALLO la proporciona una salida de contacto de relé, lo que ofrece un método de indicación de fallo pasivo, libre de potencial y aislado que se puede conectar de forma segura a cualquier sistema de monitoreo externo.
3.5. Mecanismos de protección
Fusibles de entrada: La unidad incorpora fusibles (F1, F2) tanto en el lado de entrada de CA como de CC internamente. Estos sirven para desconectar rápidamente la fuente de energía en caso de una falla interna grave (por ejemplo, un cortocircuito en el transistor de conmutación), evitando la escalada de fallas y protegiendo las baterías y el sistema de distribución aguas arriba.
Bloqueo por subtensión: en la versión 'b', la unidad cuenta con una función de bloqueo por subtensión. Inhibe que el convertidor arranque o funcione cuando el voltaje de entrada es demasiado bajo, evitando posibles daños por funcionamiento en condiciones de voltaje anormales.
4. Integración y configuración del sistema
4.1. Conexiones eléctricas
Terminales de entrada:
Terminales 1(L), 2(N): Conecte a la entrada de CA.
Terminales 4(-), 5(+): Conecte a la entrada de CC (observe la polaridad).
Terminales de salida:
Terminales 17(+), 19(-): Salida de 240 VCC a la placa de alimentación POW-4.
Terminales 6(+), 8(-): Salida de tensión de interrogación de 24 VCC.
Terminales 7, 9: Se utilizan para poner en paralelo las salidas de 24 V.
Terminal de señal:
4.2. Arquitectura de aplicación dentro del sistema de excitación
En un sistema UNITROL® F típico, la salida de 240 VCC del UNS 0868 se conecta directamente a la entrada de la placa de alimentación SDCS-POW-4 dentro de la unidad de control principal. Luego, la placa POW-4 proporciona voltajes de operación de varios niveles a través de cables planos a la placa de control SDCS-CON-2, al dispositivo de procesamiento de señales UNS 1860, etc. La salida de 24 VCC se conecta a la interfaz de E/S UNS 0863 para alimentar sus entradas digitales y relés internos.
4.3. Puesta en servicio y control de funcionamiento
Confirmación de versión: Primero, confirme que la versión UNS 0868 (V1 o V2) coincida con la batería del sitio y los voltajes de CA auxiliares.
Verificación de encendido: Después de aplicar energía, observe si los indicadores LED AC ON y DC ON se iluminan.
Medición de voltaje: Utilice un multímetro para medir la salida de 240 V CC (terminales 17/19) y la salida de 24 V CC (terminales 6/8); Los voltajes deben estar dentro de la tolerancia permitida.
Simulación de falla: desconecte una fuente de alimentación de entrada y observe si la otra puede mantener la salida sin problemas y verifique el estado de la señal de FALLA.
5. Escenarios de aplicación
El UNS 0868 está diseñado para entornos industriales que requieren alta confiabilidad, utilizado principalmente en:
Sistemas de Excitación de Centrales Eléctricas: Gabinetes de excitación UNITROL® F en diversos tipos de centrales eléctricas (térmicas, hidráulicas, nucleares, turbinas de gas, etc.).
Procesos industriales críticos: procesos críticos impulsados por grandes motores síncronos, como en plantas químicas, almacenamiento de energía de aire comprimido y metalurgia.
Marine Power Systems: Control de excitación para generadores marinos.
Cualquier sistema de control que requiera alta disponibilidad y garantía de suministro de energía redundante.
