L'unità di alimentazione UNS 0868 funge da componente principale responsabile dell'alimentazione e della gestione dell'alimentazione all'interno dei sistemi di eccitazione della serie ABB UNITROL® F, giustamente considerati il 'cuore' dell'intero sistema di controllo. Il suo obiettivo progettuale principale è fornire potenza operativa CC altamente affidabile, ridondante e stabile per l'elettronica di controllo del sistema di eccitazione. Ciò garantisce il funzionamento continuo e ininterrotto di tutte le funzioni di regolazione, controllo e protezione in varie condizioni operative del generatore, inclusi l'avvio, l'arresto e persino eventi transitori come i guasti della rete.
All'interno del sistema di eccitazione, l'elettronica di controllo (come la scheda di controllo SDCS-CON-2, il dispositivo di elaborazione del segnale UNS 1860, l'interfaccia I/O UNS 0863, ecc.) richiedono tensioni CC pulite e stabili. Tuttavia, i livelli di tensione e la qualità delle fonti di alimentazione disponibili negli ambienti industriali (come le batterie delle stazioni e l’alimentazione CA ausiliaria) spesso non soddisfano questi requisiti. La norma UNS 0868 è progettata specificamente per affrontare questo problema, svolgendo i ruoli critici di adattamento dell'alimentazione, commutazione di ridondanza e isolamento elettrico. La sua filosofia di progettazione principale è incentrata sulla disponibilità e sulla sicurezza. Incorporando doppi ingressi di alimentazione e un concetto di ridondanza N+1, impedisce che un guasto a una singola fonte di alimentazione provochi l'arresto completo del sistema di controllo dell'eccitazione, salvaguardando così il generatore e la rete elettrica.
Questa unità è un dispositivo autonomo 'montato su scheda' installato all'interno dell'armadio di eccitazione, collegato a batterie esterne, fonti di alimentazione CA e carichi interni tramite morsettiere standard.
2. Caratteristiche principali
Le funzioni della UNS 0868 sono incentrate in modo completo sulla conversione, distribuzione e gestione dell'energia, manifestandosi specificamente nei seguenti aspetti:
2.1. Doppi ingressi di alimentazione ridondanti
Canali di ingresso: Fornisce due canali di ingresso di alimentazione indipendenti.
Ingresso CC: si collega al banco batterie della centrale elettrica. Questa è la fonte di alimentazione primaria e più affidabile per il sistema.
Ingresso CA: si collega al lato secondario del trasformatore di eccitazione o all'alimentazione CA ausiliaria dell'impianto. Questa fonte funge da backup o supplemento alla batteria.
Commutazione automatica senza soluzione di continuità: i due ingressi sono disaccoppiati internamente tramite diodi. Finché una qualsiasi delle fonti di alimentazione è normale, è garantito il mantenimento dell'uscita dell'unità, consentendo una commutazione senza soluzione di continuità ed eliminando un singolo punto di guasto.
2.2. Uscite di tensione CC multiple stabili
L'UNS 0868 genera due uscite CC indipendenti con caratteristiche diverse per alimentare diverse parti del sistema:
Uscita principale da 240 VCC: questa uscita è progettata specificamente per la scheda di alimentazione SDCS-POW-4 installata all'interno dell'unità UNITROL® F principale. La scheda POW-4, a sua volta, genera le varie tensioni CC di basso livello richieste dal sistema di controllo (ad esempio, ±15 V, +5 V, +24 V). Questa uscita è la fonte di energia definitiva per la logica di controllo e l'elaborazione del segnale.
Uscita ausiliaria da 24 V CC: si tratta di una tensione da 24 V CC isolata galvanicamente, utilizzata specificamente come:
Tensione di interrogazione: fornisce il potenziale comune per i 16 circuiti di ingresso digitali sull'interfaccia I/O UNS 0863.
Alimentazione per uso generale: alimenta altri consumatori a 24 V, come trasduttori, accoppiatori bus, ecc.
2.3. Monitoraggio completo dell'alimentazione e indicazione dello stato
Monitoraggio della tensione di ingresso: l'unità monitora continuamente lo stato delle tensioni di ingresso CC e CA.
Uscita segnale di guasto: quando viene a mancare la tensione di ingresso, l'unità fornisce un segnale di allarme tramite un contatto di guasto del relè (segnale di guasto). Questo segnale può essere acquisito dal sistema di controllo di supervisione per avvisare il personale operativo sullo stato dell'alimentazione.
Indicazione dello stato del LED: gli indicatori LED AC ON e DC ON sul pannello frontale forniscono una visualizzazione visiva dello stato di presenza delle due fonti di alimentazione in ingresso.
2.4. Supporto per il funzionamento ridondante parallelo
Collegamento in parallelo delle uscite a 24 V: nei sistemi di eccitazione a doppio canale (AFT), le uscite a 24 V CC di due unità UNS 0868 possono essere collegate in parallelo. L'unità incorpora diodi di disaccoppiamento a questo scopo e fornisce terminali di parallelo dedicati (6/7 e 8/9), garantendo che se un'unità di alimentazione si guasta completamente, l'altra può assumere senza problemi l'intero carico a 24 V, ottenendo una ridondanza N+1 a livello di alimentazione.
2.5. Hold-up e Buffering
Interfaccia condensatore esterno: l'uscita da 240 V CC è progettata con terminali (18/20) per il collegamento di un condensatore esterno. Ciò consente all'energia immagazzinata nel condensatore di mantenere l'uscita a 240 V CC durante brevi interruzioni dell'alimentazione CC in ingresso (ad esempio, da millisecondi a centinaia di millisecondi), garantendo che il sistema di controllo non si ripristini o non funzioni correttamente a causa di cali di potenza istantanei. La sua capacità di sostegno è misurata come 2,2 mF/s e il valore del condensatore può essere selezionato in base al tempo di mantenimento richiesto dal sistema.
3. Principio di funzionamento e meccanismo di elaborazione del segnale
Il funzionamento interno dell'UNS 0868 comporta un sofisticato processo di conversione e controllo della potenza. Le sezioni seguenti approfondiscono il suo principio di funzionamento completo dall'input all'output.
3.1. Meccanismo di elaborazione a doppio ingresso e commutazione di ridondanza
UN. Ricezione dell'ingresso e adattamento della portata:
UNS 0868 è disponibile in due versioni per soddisfare diversi standard globali delle centrali elettriche:
Versione 1: Per sistemi a 24/48 VCC e sistemi a 34 VCA.
Versione 2: Per sistemi a 110/250 VCC e sistemi a 170 VCA.
La circuiteria interna, in particolare il convertitore front-end, è progettata per adattarsi automaticamente all'ampio intervallo di tensione di ingresso specificato per la sua versione.
B. Diode Decoupling and 'OR' Logic:
This is the core of the redundancy implementation. L'ingresso DC e l'ingresso AC vengono combinati prima di entrare nel successivo convertitore di commutazione, ciascuno attraverso il proprio diodo dedicato. Questi due diodi formano una semplice porta logica 'OR':
Se l'ingresso CC è normale, la corrente fluisce dal lato CC.
Se l'ingresso CC viene perso ma l'ingresso CA è normale, la corrente fluisce dal lato CA.
I diodi impediscono alla corrente di rifluire da una sorgente all'altra sorgente difettosa, ottenendo un perfetto isolamento elettrico e una commutazione di corrente non circolante. Questo processo è implementato esclusivamente nell'hardware, è estremamente veloce (microsecondi) e non presenta ritardi di commutazione.
3.2. Principio di conversione DC-DC Boost
UN. Conversione di commutazione ad alta frequenza:
indipendentemente dal fatto che l'energia provenga dall'ingresso CC o CA (la CA viene prima raddrizzata in CC), la potenza CC combinata non viene utilizzata direttamente. Viene alimentato in un convertitore boost DC-DC con commutazione ad alta frequenza. Il nucleo di questo convertitore è un transistor di commutazione ad alta velocità (ad esempio MOSFET) che si accende e si spegne ripetutamente ad alta frequenza (tipicamente da decine a centinaia di kHz).
B. Immagazzinamento e rilascio di energia:
quando l'interruttore è acceso, l'energia viene immagazzinata in un induttore. Quando l'interruttore si spegne, l'induttore, per mantenere la corrente, genera una forza controelettromotrice. Questa tensione si aggiunge alla tensione di ingresso, producendo un impulso superiore alla tensione di ingresso.
C. Rettifica e filtraggio:
questo impulso ad alta frequenza e alta tensione passa attraverso un trasformatore ad alta frequenza (che fornisce isolamento) e un diodo raddrizzatore, quindi viene livellato da un condensatore di uscita, producendo infine una tensione di uscita stabile di 240 V CC. Un preciso circuito di controllo del feedback (modulazione PWM) garantisce che la tensione di uscita rimanga stabile a 240 V ±10%, indipendentemente dalle fluttuazioni all'interno dell'intervallo di tensione di ingresso consentito.
3.3. Principio di generazione di uscite isolate a 24 V
La tensione del bus CC a 240 V viene ulteriormente elaborata per generare l'uscita a 24 V. Questo processo è generalmente gestito da un altro convertitore CC-CC indipendente, il cui nucleo è anch'esso un circuito di commutazione ad alta frequenza.
Isolamento galvanico: il trasformatore ad alta frequenza in questo convertitore è isolato, il che significa che il primario (lato 240 V) e il secondario (lato 24 V) sono elettricamente completamente separati. Questo è fondamentale in quanto interrompe il collegamento elettrico tra i circuiti di controllo (lato 24 V) e i circuiti di alimentazione principali (lato 240 V), migliorando significativamente l'immunità al rumore e la sicurezza del sistema prevenendo problemi causati dalle differenze di potenziale di terra.
Regolazione e limitazione di corrente: questo circuito dispone anche di regolazione della tensione per garantire un'uscita stabile a 24 V. Inoltre, è progettato per essere a prova di cortocircuito, il che significa che anche se i terminali di uscita vengono cortocircuitati accidentalmente, il circuito entrerà in modalità di limitazione di corrente o si spegnerà, ripristinandosi automaticamente una volta risolto il guasto, senza causare danni all'unità.
3.4. Principio di funzionamento del circuito di monitoraggio
UN. Rilevamento della tensione:
l'unità contiene circuiti comparatori di tensione che campionano continuamente le tensioni di ingresso CC e CA.
B. Giudizio logico e uscita del segnale:
LED di stato: quando la tensione campionata supera una determinata soglia impostata, il comparatore fa illuminare il LED AC ON o DC ON corrispondente.
Segnale FAIL: La logica di monitoraggio è progettata in modo tale che: il segnale FAIL viene attivato (contatti aperti) solo quando entrambe le tensioni di ingresso vengono a mancare contemporaneamente. Se solo un ingresso si guasta, il segnale FAIL non si attiva perché l'altro può ancora mantenere il funzionamento. In questo modo si evitano inutili falsi allarmi. Il segnale FAIL è fornito da un'uscita a contatto relè, che offre un metodo di indicazione di guasto passivo, privo di potenziale e isolato che può essere collegato in modo sicuro a qualsiasi sistema di monitoraggio esterno.
3.5. Meccanismi di protezione
Fusibili di ingresso: l'unità incorpora internamente fusibili (F1, F2) su entrambi i lati di ingresso CA e CC. Questi servono a disconnettere rapidamente la fonte di alimentazione in caso di grave guasto interno (ad esempio, cortocircuito del transistor di commutazione), prevenendo l'escalation del guasto e proteggendo le batterie a monte e il sistema di distribuzione.
Blocco per sottotensione: nella versione 'b', l'unità è dotata di una funzione di blocco per sottotensione. Impedisce l'avvio o il funzionamento del convertitore quando la tensione di ingresso è troppo bassa, prevenendo potenziali danni derivanti dal funzionamento in condizioni di tensione anomale.
4. Integrazione e configurazione del sistema
4.1. Collegamenti elettrici
Terminali di ingresso:
Terminali 1(L), 2(N): collegare all'ingresso CA.
Terminali 4(-), 5(+): Collegare all'ingresso CC (rispettare la polarità).
Terminali di uscita:
Terminali 17(+), 19(-): uscita 240 VCC alla scheda di alimentazione POW-4.
Morsetti 6(+), 8(-): tensione di interrogazione in uscita 24 VCC.
Morsetti 7, 9: utilizzati per collegare in parallelo le uscite a 24 V.
Terminale di segnale:
4.2. Architettura applicativa all'interno del sistema di eccitazione
In un tipico sistema UNITROL® F, l'uscita da 240 V CC dell'UNS 0868 è collegata direttamente all'ingresso della scheda di alimentazione SDCS-POW-4 all'interno dell'unità di controllo principale. La scheda POW-4 fornisce quindi tensioni operative di vari livelli tramite cavi piatti alla scheda di controllo SDCS-CON-2, al dispositivo di elaborazione del segnale UNS 1860, ecc. L'uscita a 24 V CC è collegata all'interfaccia I/O UNS 0863 per alimentare gli ingressi digitali e i relè interni.
4.3. Messa in servizio e controllo funzionale
Conferma della versione: verificare innanzitutto che la versione UNS 0868 (V1 o V2) corrisponda alla batteria del sito e alle tensioni CA ausiliarie.
Controllo dell'accensione: dopo aver collegato l'alimentazione, osservare se gli indicatori LED AC ON e DC ON si illuminano.
Misurazione della tensione: utilizzare un multimetro per misurare l'uscita a 240 V CC (terminali 17/19) e l'uscita a 24 V CC (terminali 6/8); le tensioni dovrebbero rientrare nella tolleranza consentita.
Simulazione di guasto: scollegare una fonte di alimentazione in ingresso e osservare se l'altra riesce a mantenere ininterrottamente l'uscita e verificare lo stato del segnale FAIL.
5. Scenari applicativi
L'UNS 0868 è progettato per ambienti industriali che richiedono elevata affidabilità, utilizzato principalmente in:
Sistemi di eccitazione per centrali elettriche: armadi di eccitazione UNITROL® F in vari tipi di centrali elettriche (termiche, idroelettriche, nucleari, turbine a gas, ecc.).
Processi industriali critici: processi critici guidati da grandi motori sincroni, come negli impianti chimici, nello stoccaggio di energia tramite aria compressa e nella metallurgia.
Marine Power Systems: controllo dell'eccitazione per generatori marini.
Qualsiasi sistema di controllo che richiede elevata disponibilità e garanzia di alimentazione ridondante.
