Zasilacz UNS 0868 służy jako główny komponent odpowiedzialny za zasilanie i zarządzanie w systemach wzbudzenia ABB UNITROL® serii F, słusznie uważany za „serce” całego systemu sterowania. Jego głównym celem projektowym jest zapewnienie wysoce niezawodnego, redundantnego i stabilnego zasilania prądem stałym dla elektroniki sterującej systemu wzbudzenia. Zapewnia to ciągłą i nieprzerwaną pracę wszystkich funkcji regulacyjnych, sterujących i zabezpieczających w różnych warunkach pracy generatora, w tym podczas rozruchu, wyłączania, a nawet w przypadku zdarzeń przejściowych, takich jak awarie sieci.
W systemie wzbudzenia elektronika sterująca (taka jak płyta sterująca SDCS-CON-2, urządzenie przetwarzające sygnał UNS 1860, interfejs we/wy UNS 0863 itp.) wymaga czystego, stabilnego napięcia stałego. Jednakże poziomy napięcia i jakość źródeł zasilania dostępnych w warunkach przemysłowych (takich jak akumulatory stacyjne i pomocnicze zasilanie prądem zmiennym) często nie spełniają tych wymagań. UNS 0868 został zaprojektowany specjalnie, aby rozwiązać ten problem, spełniając krytyczne role w zakresie adaptacji mocy, przełączania redundancyjnego i izolacji galwanicznej. Podstawowa filozofia projektowania koncentruje się na dostępności i bezpieczeństwie. Dzięki zastosowaniu podwójnych wejść mocy i koncepcji redundancji N+1 zapobiega to sytuacji, w której awaria pojedynczego źródła zasilania powoduje całkowite wyłączenie systemu kontroli wzbudzenia, chroniąc w ten sposób generator i sieć energetyczną.
To urządzenie jest samodzielnym urządzeniem „montowanym na płycie”, instalowanym w szafie wzbudzenia, podłączonym do zewnętrznych akumulatorów, źródeł prądu przemiennego i obciążeń wewnętrznych za pomocą standardowych listew zaciskowych.
2. Kluczowe funkcje
Funkcje UNS 0868 są kompleksowo skupione wokół konwersji, dystrybucji i zarządzania energią, co objawia się w szczególności w następujących aspektach:
2.1. Podwójne redundantne wejścia zasilania
Kanały wejściowe: Zapewnia dwa niezależne kanały wejściowe zasilania.
Wejście DC: Umożliwia podłączenie zestawu akumulatorów elektrowni. Jest to podstawowe i najbardziej niezawodne źródło zasilania systemu.
Wejście AC: Umożliwia podłączenie strony wtórnej transformatora wzbudzenia lub pomocniczego źródła zasilania prądem przemiennym instalacji. Źródło to służy jako rezerwa lub uzupełnienie baterii.
Automatyczne płynne przełączanie: Obydwa wejścia są wewnętrznie oddzielone za pomocą diod. Tak długo jak którekolwiek ze źródeł zasilania działa prawidłowo, moc wyjściowa urządzenia zostanie utrzymana, co umożliwi prawdziwie płynne przełączanie i wyeliminowanie pojedynczego punktu awarii.
2.2. Wiele stabilnych wyjść napięcia stałego
UNS 0868 generuje dwa niezależne wyjścia prądu stałego o różnych charakterystykach do zasilania różnych części systemu:
Wyjście główne 240 VDC: To wyjście jest specjalnie zaprojektowane dla karty zasilacza SDCS-POW-4 zainstalowanej wewnątrz głównego urządzenia UNITROL® F. Z kolei płytka POW-4 generuje różne niskie napięcia prądu stałego wymagane przez system sterowania (np. ±15 V, +5 V, +24 V). To wyjście jest ostatecznym źródłem energii dla logiki sterowania i przetwarzania sygnału.
Wyjście pomocnicze 24 VDC: Jest to izolowane galwanicznie napięcie 24 VDC, stosowane w szczególności jako:
Napięcie zapytania: Zapewnia wspólny potencjał dla 16 cyfrowych obwodów wejściowych w interfejsie we/wy UNS 0863.
Zasilanie ogólnego przeznaczenia: zasila inne odbiorniki 24 V, takie jak przetworniki, łączniki magistralowe itp.
2.3. Kompleksowe monitorowanie zasilania i wskazywanie stanu
Monitorowanie napięcia wejściowego: Urządzenie stale monitoruje stan napięć wejściowych DC i AC.
Wyjście sygnału awarii: Gdy zaniknie którekolwiek napięcie wejściowe, urządzenie wysyła sygnał alarmowy poprzez styk błędu przekaźnika (sygnał FAIL). Sygnał ten może zostać odebrany przez nadrzędny system kontroli w celu powiadomienia personelu operacyjnego o stanie zasilania.
Wskaźnik stanu LED: Wskaźniki LED AC ON i DC ON na panelu przednim zapewniają wizualne wyświetlanie stanu obecności dwóch wejściowych źródeł zasilania.
2.4. Obsługa równoległej pracy redundantnej
Równoległe wyjście 24 V: W dwukanałowych systemach wzbudzenia (AFT) wyjścia 24 V DC dwóch jednostek UNS 0868 mogą być połączone równolegle. W tym celu zastosowano diody odsprzęgające oraz dedykowane zaciski równoległe (6/7 i 8/9), dzięki którym w przypadku całkowitej awarii jednego zasilacza drugi może bezproblemowo przejąć całe obciążenie 24V, uzyskując redundancję N+1 na poziomie zasilania.
2.5. Zatrzymanie i buforowanie
Interfejs zewnętrznego kondensatora: Wyjście 240 V DC jest wyposażone w zaciski (18/20) do podłączenia zewnętrznego kondensatora. Pozwala to energii zmagazynowanej w kondensatorze na utrzymanie napięcia wyjściowego 240 V prądu stałego podczas krótkich przerw w zasilaniu wejściowym prądem stałym (np. milisekund do setek milisekund), zapewniając, że system sterowania nie zostanie zresetowany ani nie ulegnie nieprawidłowemu działaniu z powodu chwilowych spadków zasilania. Jego zdolność podtrzymania jest mierzona jako 2,2 mF/s, a wartość kondensatora można wybrać na podstawie wymaganego czasu podtrzymania systemu.
3. Zasada działania i mechanizm przetwarzania sygnału
Wewnętrzne działanie UNS 0868 obejmuje wyrafinowany proces konwersji mocy i kontroli. W poniższych sekcjach omówiono pełną zasadę działania od wejścia do wyjścia.
3.1. Przetwarzanie podwójnego wejścia i mechanizm przełączania redundancji
A. Odbiór sygnału wejściowego i adaptacja zasięgu:
UNS 0868 jest dostępny w dwóch wersjach, aby dostosować się do różnych światowych standardów elektrowni:
Wersja 1: Do systemów 24/48 VDC i 34 VAC.
Wersja 2: Dla systemów 110/250 VDC i 170 VAC.
Obwody wewnętrzne, w szczególności konwerter czołowy, zostały zaprojektowane tak, aby automatycznie dostosowywały się do szerokiego zakresu napięcia wejściowego określonego dla danej wersji.
B. Odsprzęganie diod i logika „OR”:
To jest rdzeń implementacji redundancji. Wejście DC i wejście AC są łączone przed wejściem do kolejnego konwertera przełączającego, każdy poprzez dedykowaną diodę. Te dwie diody tworzą prostą bramkę logiczną „OR”:
Jeśli wejście DC jest normalne, prąd płynie od strony DC.
Jeśli wejście DC zostanie utracone, ale wejście AC jest normalne, prąd płynie ze strony AC.
Diody zapobiegają przepływowi prądu z jednego źródła do drugiego uszkodzonego źródła, zapewniając doskonałą izolację galwaniczną i przełączanie prądu niekrążącego. Proces ten jest realizowany wyłącznie sprzętowo, jest niezwykle szybki (mikrosekundy) i nie ma opóźnienia przełączania.
3.2. Zasada konwersji wzmocnionej DC-DC
A. Konwersja przełączania wysokiej częstotliwości:
Niezależnie od tego, czy energia pochodzi z wejścia prądu stałego, czy prądu przemiennego (prąd przemienny jest najpierw prostowany na prąd stały), łączna moc prądu stałego nie jest wykorzystywana bezpośrednio. Jest on doprowadzany do przełączającego przetwornika podwyższającego napięcie DC-DC o wysokiej częstotliwości. Rdzeniem tego konwertera jest szybki tranzystor przełączający (np. MOSFET), który wielokrotnie włącza się i wyłącza przy wysokiej częstotliwości (zwykle od kilkudziesięciu do setek kHz).
B. Magazynowanie i uwalnianie energii:
Gdy przełącznik jest włączony, energia jest magazynowana w cewce indukcyjnej. Kiedy przełącznik się wyłącza, cewka indukcyjna, aby utrzymać prąd, wytwarza siłę przeciwelektromotoryczną. Napięcie to dodaje się do napięcia wejściowego, wytwarzając impuls wyższy niż napięcie wejściowe.
C. Prostowanie i filtrowanie:
Ten impuls wysokiego napięcia o wysokiej częstotliwości przechodzi przez transformator wysokiej częstotliwości (zapewniający izolację) i diodę prostowniczą, a następnie jest wygładzany przez kondensator wyjściowy, ostatecznie uzyskując stabilne napięcie wyjściowe 240 VDC. Precyzyjna pętla sterowania ze sprzężeniem zwrotnym (modulacja PWM) zapewnia stabilność napięcia wyjściowego na poziomie 240 V ±10%, niezależnie od wahań w dopuszczalnym zakresie napięcia wejściowego.
3.3. Zasada generowania izolowanego wyjścia 24 V
Napięcie szyny 240 V DC jest dalej przetwarzane w celu wygenerowania napięcia wyjściowego 24 V. Proces ten jest zazwyczaj realizowany przez inną, niezależną przetwornicę DC-DC, której rdzeniem jest również obwód przełączający wysokiej częstotliwości.
Izolacja galwaniczna: Transformator wysokiej częstotliwości w tej przetwornicy jest izolowany, co oznacza, że jego obwód pierwotny (strona 240 V) i wtórny (strona 24 V) są elektrycznie całkowicie oddzielone. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ przerywa połączenie elektryczne pomiędzy obwodami sterującymi (strona 24 V) a głównymi obwodami zasilania (strona 240 V), znacznie zwiększając odporność na zakłócenia i bezpieczeństwo systemu, zapobiegając problemom powodowanym przez różnice potencjałów uziemienia.
Regulacja i ograniczenie prądu: Obwód ten posiada również regulację napięcia, aby zapewnić stabilną moc wyjściową 24 V. Co więcej, jest on zaprojektowany tak, aby był odporny na zwarcia, co oznacza, że nawet jeśli zaciski wyjściowe ulegną przypadkowemu zwarciu, obwód przejdzie w tryb ograniczania prądu lub wyłączy się, automatycznie powracając do normalnego działania po usunięciu usterki, nie powodując uszkodzenia urządzenia.
3.4. Zasada działania obwodu monitorującego
A. Wykrywanie napięcia:
Urządzenie zawiera obwody komparatora napięcia, które w sposób ciągły próbkują napięcia wejściowe DC i AC.
B. Ocena logiczna i wyjście sygnału:
Diody LED stanu: Kiedy próbkowane napięcie przekracza określony ustawiony próg, komparator powoduje zaświecenie odpowiedniej diody LED AC ON lub DC ON.
Sygnał FAIL: Logika monitorowania została zaprojektowana w taki sposób, że: sygnał FAIL jest aktywowany (styki rozwarte) tylko w przypadku obu napięć wejściowych. jednoczesnej awarii Jeśli zawiedzie tylko jedno wejście, sygnał FAIL nie zostanie aktywowany, ponieważ drugie może nadal działać. Pozwala to uniknąć niepotrzebnych fałszywych alarmów. Sygnał FAIL jest dostarczany przez wyjście stykowe przekaźnika, oferując pasywny, bezpotencjałowy i izolowany sposób sygnalizacji usterek, który można bezpiecznie podłączyć do dowolnego zewnętrznego systemu monitorowania.
3.5. Mechanizmy ochronne
Bezpieczniki wejściowe: Urządzenie jest wyposażone wewnętrznie w bezpieczniki (F1, F2) po obu stronach wejścia AC i DC. Służą one do szybkiego odłączenia źródła zasilania w przypadku poważnego uszkodzenia wewnętrznego (np. zwarcia tranzystora przełączającego), zapobiegania eskalacji uszkodzeń i ochrony akumulatorów poprzedzających oraz systemu dystrybucyjnego.
Blokada podnapięciowa: W wersji „b” urządzenie posiada funkcję blokady podnapięciowej. Uniemożliwia uruchomienie lub pracę konwertera, gdy napięcie wejściowe jest zbyt niskie, zapobiegając potencjalnemu uszkodzeniu w wyniku pracy w warunkach nieprawidłowego napięcia.
4. Integracja i konfiguracja systemu
4.1. Połączenia elektryczne
Zaciski wejściowe:
Zaciski 1(L), 2(N): Podłącz do wejścia AC.
Zaciski 4(-), 5(+): Podłączyć do wejścia DC (zwrócić uwagę na polaryzację).
Zaciski wyjściowe:
Zaciski 17(+), 19(-): Wyjście 240 VDC do płytki zasilacza POW-4.
Zaciski 6(+), 8(-): Wyjście napięcia zapytania 24 VDC.
Zaciski 7, 9: Używane do połączenia równoległego wyjść 24 V.
Zacisk sygnałowy:
4.2. Architektura aplikacji w systemie wzbudzenia
W typowym systemie UNITROL® F wyjście 240 V DC UNS 0868 jest podłączone bezpośrednio do wejścia płytki zasilacza SDCS-POW-4 wewnątrz głównej jednostki sterującej. Płyta POW-4 dostarcza następnie różne poziomy napięć roboczych za pomocą płaskich kabli do płyty sterującej SDCS-CON-2, urządzenia przetwarzającego sygnał UNS 1860 itp. Wyjście 24 V DC jest podłączone do interfejsu we/wy UNS 0863 w celu zasilania wejść cyfrowych i przekaźników wewnętrznych.
4.3. Uruchomienie i kontrola działania
Potwierdzenie wersji: Najpierw sprawdź, czy wersja UNS 0868 (V1 lub V2) jest zgodna z napięciem akumulatora i pomocniczym napięciem prądu przemiennego w obiekcie.
Kontrola włączenia zasilania: Po włączeniu zasilania sprawdź, czy świecą się wskaźniki LED AC ON i DC ON.
Pomiar napięcia: Użyj multimetru, aby zmierzyć napięcie wyjściowe 240 V DC (zaciski 17/19) i napięcie wyjściowe 24 V DC (zaciski 6/8); napięcia powinny mieścić się w dopuszczalnej tolerancji.
Symulacja usterki: Odłącz jedno wejściowe źródło zasilania i sprawdź, czy drugie może bezproblemowo utrzymać moc wyjściową, a także sprawdź stan sygnału FAIL.
5. Scenariusze zastosowań
UNS 0868 jest przeznaczony do środowisk przemysłowych wymagających wysokiej niezawodności, stosowanych głównie w:
Systemy wzbudzenia elektrowni: Szafy wzbudzenia UNITROL® F w różnych typach elektrowni (cieplnych, wodnych, jądrowych, turbin gazowych itp.).
Krytyczne procesy przemysłowe: krytyczne procesy napędzane przez duże silniki synchroniczne, np. w zakładach chemicznych, magazynach energii sprężonego powietrza i metalurgii.
Marine Power Systems: Sterowanie wzbudzeniem generatorów morskich.
Dowolny system sterowania wymagający wysokiej dostępności i zapewnienia redundantnego zasilania.
