De UNS 0868-voedingseenheid fungeert als het kernonderdeel dat verantwoordelijk is voor de stroomvoorziening en het beheer binnen de bekrachtigingssystemen van de ABB UNITROL® F-serie en wordt terecht beschouwd als het 'hart' van het gehele besturingssysteem. Het primaire ontwerpdoel is het leveren van zeer betrouwbare, redundante en stabiele gelijkstroomvoeding voor de besturingselektronica van het bekrachtigingssysteem. Dit garandeert de continue en ononderbroken werking van alle regel-, besturings- en beveiligingsfuncties onder verschillende bedrijfsomstandigheden van de generator, inclusief opstarten, uitschakelen en zelfs tijdelijke gebeurtenissen zoals netstoringen.
Binnen het bekrachtigingssysteem vereist besturingselektronica (zoals de SDCS-CON-2-besturingskaart, het UNS 1860-signaalverwerkingsapparaat, de UNS 0863 I/O-interface, enz.) schone, stabiele gelijkspanningen. De spanningsniveaus en kwaliteit van de stroombronnen die beschikbaar zijn in industriële omgevingen (zoals stationbatterijen en wisselstroomvoeding) voldoen echter vaak niet aan deze vereisten. De UNS 0868 is specifiek ontworpen om dit probleem aan te pakken en vervult de cruciale rollen van stroomaanpassing, redundantieschakeling en elektrische isolatie. De kernontwerpfilosofie draait om beschikbaarheid en veiligheid. Door dubbele stroomingangen en een N+1-redundantieconcept te integreren, voorkomt het dat een enkele stroombronstoring een volledige uitschakeling van het bekrachtigingscontrolesysteem veroorzaakt, waardoor de generator en het elektriciteitsnet worden beschermd.
Deze eenheid is een zelfstandig 'op een bord gemonteerd' apparaat dat in de bekrachtigingskast wordt geïnstalleerd en via standaard klemmenblokken wordt aangesloten op externe batterijen, wisselstroombronnen en interne belastingen.
2. Belangrijkste kenmerken
De functies van de UNS 0868 zijn uitgebreid gecentreerd rond stroomconversie, -distributie en -beheer, wat specifiek tot uiting komt in de volgende aspecten:
2.1. Dubbele redundante voedingsingangen
Ingangskanalen: Biedt twee onafhankelijke ingangskanalen voor voeding.
DC-ingang: wordt aangesloten op de accubank van de krachtcentrale. Dit is de primaire en meest betrouwbare stroombron voor het systeem.
AC-ingang: wordt aangesloten op de secundaire zijde van de bekrachtigingstransformator of de wisselstroomvoeding van de installatie. Deze bron dient als back-up of aanvulling op de accu.
Automatisch naadloos schakelen: de twee ingangen zijn intern ontkoppeld via diodes. Zolang een van de stroombronnen normaal is, blijft de output van de unit gegarandeerd behouden, waardoor echt naadloos schakelen mogelijk is en een enkel storingspunt wordt geëlimineerd.
2.2. Meerdere stabiele DC-spanningsuitgangen
De UNS 0868 genereert twee onafhankelijke DC-uitgangen met verschillende kenmerken om verschillende delen van het systeem van stroom te voorzien:
240 VDC hoofduitgang: Deze uitgang is speciaal ontworpen voor de SDCS-POW-4-voedingskaart die in de hoofdunit van UNITROL® F is geïnstalleerd. Het POW-4-bord genereert op zijn beurt de verschillende lage gelijkspanningen die nodig zijn voor het besturingssysteem (bijv. ±15V, +5V, +24V). Deze uitgang is de ultieme energiebron voor de besturingslogica en signaalverwerking.
24 VDC hulpuitgang: Dit is een galvanisch geïsoleerde 24V DC-spanning, specifiek gebruikt als:
Ondervragingsspanning: Biedt het gemeenschappelijke potentieel voor de 16 digitale ingangscircuits op de UNS 0863 I/O-interface.
Voeding voor algemeen gebruik: voedt andere 24V-verbruikers, zoals transducers, buskoppelingen, enz.
2.3. Uitgebreide stroombewaking en statusindicatie
Ingangsspanningsbewaking: Het apparaat bewaakt voortdurend de status van zowel de DC- als de AC-ingangsspanning.
Foutsignaaluitgang: Wanneer een van de ingangsspanningen uitvalt, geeft de unit een alarmsignaal via een relaisfoutcontact (FAIL-signaal). Dit signaal kan door het toezichthoudende controlesysteem worden verkregen om het operationele personeel te waarschuwen voor de stroomstatus.
LED-statusindicatie: AC ON- en DC ON-LED-indicatoren op het voorpaneel geven een visuele weergave van de aanwezigheidsstatus van de twee ingangsstroombronnen.
2.4. Ondersteuning voor parallelle redundante werking
24V-uitgang parallelschakeling: In tweekanaals (AFT) bekrachtigingssystemen mogen de 24V DC-uitgangen van twee UNS 0868-eenheden parallel worden aangesloten. De unit is voor dit doel uitgerust met ontkoppelingsdiodes en beschikt over speciale parallelschakelingsklemmen (6/7 en 8/9), die ervoor zorgen dat als één voedingsunit volledig uitvalt, de andere naadloos de volledige 24V-belasting kan overnemen, waardoor N+1 redundantie op het niveau van de voeding wordt bereikt.
2.5. Ophouden en bufferen
Externe condensatorinterface: De 240V DC-uitgang is ontworpen met klemmen (18/20) voor het aansluiten van een externe condensator. Hierdoor kan de in de condensator opgeslagen energie de 240V DC-uitgang behouden tijdens korte onderbrekingen van de DC-ingangsstroom (bijvoorbeeld milliseconden tot honderden milliseconden), waardoor wordt gegarandeerd dat het besturingssysteem niet wordt gereset of defect raakt als gevolg van onmiddellijke stroomonderbrekingen. Het behoudvermogen wordt gemeten als 2,2 mF/s, en de condensatorwaarde kan worden geselecteerd op basis van de vereiste vertragingstijd van het systeem.
3. Werkingsprincipe en signaalverwerkingsmechanisme
De interne werking van de UNS 0868 omvat een geavanceerd proces van stroomconversie en -controle. In de volgende secties wordt dieper ingegaan op het volledige werkingsprincipe, van input tot output.
3.1. Dubbele invoerverwerking en redundantie-schakelmechanisme
A. Ingangsontvangst en bereikaanpassing:
De UNS 0868 wordt geleverd in twee versies om tegemoet te komen aan verschillende wereldwijde normen voor energiecentrales:
Versie 1: Voor 24/48 VDC-systemen en 34 VAC-systemen.
Versie 2: Voor 110/250 VDC-systemen en 170 VAC-systemen.
De interne circuits, met name de front-end converter, zijn ontworpen om zich automatisch aan te passen aan het brede ingangsspanningsbereik dat voor de versie is gespecificeerd.
B. Diode-ontkoppeling en 'OR'-logica:
dit is de kern van de redundantie-implementatie. De DC-ingang en AC-ingang worden gecombineerd voordat ze de volgende schakelomzetter binnenkomen, elk via een speciale diode. Deze twee diodes vormen een eenvoudige 'OR'-logische poort:
Als de DC-ingang normaal is, vloeit er stroom vanaf de DC-zijde.
Als de DC-ingang verloren gaat, maar de AC-ingang normaal is, vloeit er stroom vanaf de AC-zijde.
De diodes voorkomen dat stroom terugvloeit van de ene bron naar de andere defecte bron, waardoor een perfecte elektrische isolatie en niet-circulerende stroomschakeling wordt bereikt. Dit proces wordt puur hardwarematig geïmplementeerd, is extreem snel (microseconden) en kent geen schakelvertraging.
3.2. DC-DC Boost-conversieprincipe
A. Hoogfrequente schakelconversie:
Ongeacht of de energie afkomstig is van de DC- of AC-ingang (AC wordt eerst gelijkgericht naar DC), het gecombineerde gelijkstroomvermogen wordt niet direct gebruikt. Het wordt naar een hoogfrequent schakelende DC-DC-boostconverter gevoerd. De kern van deze converter is een snelle schakeltransistor (bijvoorbeeld MOSFET) die herhaaldelijk wordt in- en uitgeschakeld op een hoge frequentie (meestal tientallen tot honderden kHz).
B. Energieopslag en -vrijgave:
Wanneer de schakelaar is ingeschakeld, wordt energie opgeslagen in een inductor. Wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld, genereert de inductor, om zijn stroom te behouden, een tegen-elektromotorische kracht. Deze spanning wordt opgeteld bij de ingangsspanning, waardoor een puls ontstaat die hoger is dan de ingangsspanning.
C. Rectificatie en filtering:
Deze hoogfrequente, hoogspanningspuls gaat door een hoogfrequente transformator (die voor isolatie zorgt) en een gelijkrichtdiode, en wordt vervolgens afgevlakt door een uitgangscondensator, wat uiteindelijk een stabiele uitgangsspanning van 240 VDC oplevert. Een nauwkeurige feedbackregellus (PWM-modulatie) zorgt ervoor dat de uitgangsspanning stabiel blijft op 240V ±10%, ongeacht schommelingen binnen het toegestane ingangsspanningsbereik.
3.3. Principe van het genereren van geïsoleerde 24V-uitgangen
De 240V DC-busspanning wordt verder verwerkt om de 24V-uitgang te genereren. Dit proces wordt doorgaans afgehandeld door een andere, onafhankelijke DC-DC-omzetter, waarvan de kern ook een hoogfrequent schakelcircuit is.
Galvanische isolatie: De hoogfrequente transformator in deze omvormer is geïsoleerd, wat betekent dat de primaire (240V-zijde) en secundaire (24V-zijde) elektrisch volledig gescheiden zijn. Dit is van cruciaal belang omdat hierdoor de elektrische verbinding tussen de stuurcircuits (24V-zijde) en de hoofdstroomcircuits (240V-zijde) wordt verbroken, waardoor de ruisimmuniteit en veiligheid van het systeem aanzienlijk worden verbeterd door problemen veroorzaakt door aardpotentiaalverschillen te voorkomen.
Regeling en stroombegrenzing: Dit circuit beschikt ook over spanningsregeling om een stabiele 24V-uitvoer te garanderen. Bovendien is het ontworpen om kortsluitvast te zijn, wat betekent dat zelfs als de uitgangsklemmen per ongeluk worden kortgesloten, het circuit in een stroombegrenzende modus gaat of wordt uitgeschakeld, en zich automatisch herstelt zodra de fout is verholpen, zonder schade aan de unit te veroorzaken.
3.4. Werkingsprincipe van het bewakingscircuit
A. Spanningsdetectie:
Het apparaat bevat spanningsvergelijkingscircuits die continu de DC- en AC-ingangsspanningen meten.
B. Logische beoordeling en signaaluitvoer:
Status-LED's: Wanneer de bemonsterde spanning een bepaalde ingestelde drempel overschrijdt, stuurt de comparator de bijbehorende AC ON- of DC ON-LED aan om te gaan branden.
FAIL-signaal: De bewakingslogica is zo ontworpen dat: het FAIL-signaal alleen wordt geactiveerd (contacten open) wanneer beide ingangsspanningen gelijktijdig uitvallen. Als slechts één ingang uitvalt, wordt het FAIL-signaal niet geactiveerd omdat de andere nog steeds in bedrijf kan blijven. Dit voorkomt onnodig vals alarm. Het FAIL-signaal wordt geleverd door een relaiscontactuitgang, die een passieve, potentiaalvrije en geïsoleerde foutindicatiemethode biedt die veilig kan worden aangesloten op elk extern monitoringsysteem.
3.5. Beschermingsmechanismen
Ingangszekeringen: De unit is intern voorzien van zekeringen (F1, F2) aan zowel de AC- als de DC-ingangszijde. Deze dienen om de stroombron snel los te koppelen in het geval van een ernstige interne fout (bijvoorbeeld kortsluiting van een schakeltransistor), waardoor escalatie van fouten wordt voorkomen en de stroomopwaartse accu's en het distributiesysteem worden beschermd.
Onderspanningsblokkering: In de 'b'-versie beschikt het apparaat over een onderspanningsblokkeringsfunctie. Het verhindert dat de omvormer start of werkt wanneer de ingangsspanning te laag is, waardoor mogelijke schade door werking onder abnormale spanningsomstandigheden wordt voorkomen.
4. Systeemintegratie en configuratie
4.1. Elektrische aansluitingen
Ingangsterminals:
Klemmen 1(L), 2(N): Aansluiten op AC-ingang.
Klemmen 4(-), 5(+): Aansluiten op DC-ingang (let op de polariteit).
Uitgangsterminals:
Klemmen 17(+), 19(-): Uitgang 240 VDC naar de POW-4 voedingskaart.
Klemmen 6(+), 8(-): Uitgang 24 VDC ondervragingsspanning.
Klemmen 7, 9: worden gebruikt voor het parallel schakelen van de 24V-uitgangen.
Signaalterminal:
4.2. Applicatiearchitectuur binnen het excitatiesysteem
In een typisch UNITROL® F-systeem is de 240V DC-uitgang van de UNS 0868 rechtstreeks verbonden met de ingang van de SDCS-POW-4-voedingskaart in de hoofdbesturingseenheid. De POW-4-kaart levert vervolgens bedrijfsspanningen op verschillende niveaus via platte kabels naar de SDCS-CON-2-besturingskaart, het UNS 1860-signaalverwerkingsapparaat, enz. De 24 V DC-uitgang is verbonden met de UNS 0863 I/O-interface om de digitale ingangen en interne relais te voeden.
4.3. Inbedrijfstelling en functiecontrole
Versiebevestiging: Controleer eerst of de UNS 0868-versie (V1 of V2) overeenkomt met de accu- en wisselstroomspanningen van de locatie.
Inschakelcontrole: Controleer na het inschakelen van de stroom of de AC ON- en DC ON-LED-indicatoren oplichten.
Spanningsmeting: Gebruik een multimeter om de 240V DC-uitgang (klemmen 17/19) en de 24V DC-uitgang (klemmen 6/8) te meten; spanningen moeten binnen de toegestane tolerantie liggen.
Foutsimulatie: Ontkoppel één ingangsstroombron en kijk of de andere de uitvoer naadloos kan behouden, en verifieer de status van het FAIL-signaal.
5. Toepassingsscenario's
De UNS 0868 is ontworpen voor industriële omgevingen die een hoge betrouwbaarheid vereisen, voornamelijk gebruikt in:
Excitatiesystemen voor energiecentrales: UNITROL® F-excitatiekasten in verschillende soorten energiecentrales (thermisch, waterkracht, nucleair, gasturbine, enz.).
Kritieke industriële processen: Kritieke processen aangedreven door grote synchrone motoren, zoals in chemische fabrieken, energieopslag met perslucht en de metallurgie.
Marine Power Systems: Excitatiecontrole voor scheepsgeneratoren.
Elk besturingssysteem dat een hoge beschikbaarheid en redundante stroomvoorziening vereist.
