A Unidade de Fonte de Alimentação UNS 0868 serve como o principal componente responsável pelo fornecimento e gerenciamento de energia dentro dos sistemas de excitação da série ABB UNITROL® F, legitimamente considerado como o “coração” de todo o sistema de controle. Seu principal objetivo de projeto é fornecer energia operacional CC altamente confiável, redundante e estável para a eletrônica de controle do sistema de excitação. Isso garante a operação contínua e ininterrupta de todas as funções de regulação, controle e proteção sob diversas condições de operação do gerador, incluindo partida, desligamento e até mesmo eventos transitórios, como falhas na rede.
Dentro do sistema de excitação, os componentes eletrônicos de controle (como a placa de controle SDCS-CON-2, o dispositivo de processamento de sinal UNS 1860, a interface de E/S UNS 0863, etc.) exigem tensões CC limpas e estáveis. No entanto, os níveis de tensão e a qualidade das fontes de energia disponíveis em ambientes industriais (como baterias de estações e energia CA auxiliar) muitas vezes não atendem a esses requisitos. O UNS 0868 foi projetado especificamente para resolver esse problema, cumprindo as funções críticas de adaptação de energia, comutação de redundância e isolamento elétrico. A sua filosofia de design central centra-se na disponibilidade e segurança. Ao incorporar entradas duplas de energia e um conceito de redundância N+1, evita que uma falha em uma única fonte de energia cause um desligamento completo do sistema de controle de excitação, protegendo assim o gerador e a rede elétrica.
Esta unidade é um dispositivo autônomo 'montado em placa' instalado dentro do gabinete de excitação, conectado a baterias externas, fontes de alimentação CA e cargas internas por meio de blocos de terminais padrão.
2. Principais recursos
As funções do UNS 0868 estão amplamente centradas na conversão, distribuição e gerenciamento de energia, manifestadas especificamente nos seguintes aspectos:
2.1. Entradas de energia redundantes duplas
Canais de entrada: Fornece dois canais de entrada de energia independentes.
Entrada DC: Conecta-se ao banco de baterias da estação de energia. Esta é a fonte de energia primária e mais confiável para o sistema.
Entrada CA: Conecta-se ao lado secundário do transformador de excitação ou à fonte de alimentação CA auxiliar da planta. Esta fonte serve como backup ou complemento da bateria.
Comutação automática contínua: As duas entradas são desacopladas internamente por meio de diodos. Desde que qualquer uma das fontes de energia esteja normal, a saída da unidade será garantidamente mantida, permitindo uma comutação verdadeiramente contínua e eliminando um único ponto de falha.
2.2. Múltiplas saídas de tensão CC estáveis
O UNS 0868 gera duas saídas DC independentes com características diferentes para alimentar diferentes partes do sistema:
Saída principal de 240 VCC: Esta saída é projetada especificamente para a placa de alimentação SDCS-POW-4 instalada dentro da unidade UNITROL® F principal. A placa POW-4, por sua vez, gera as diversas tensões CC de baixo nível exigidas pelo sistema de controle (por exemplo, ±15V, +5V, +24V). Esta saída é a fonte de energia definitiva para a lógica de controle e processamento de sinais.
Saída Auxiliar de 24 VCC: Esta é uma tensão de 24 Vcc isolada galvanicamente, usada especificamente como:
Tensão de interrogação: Fornece o potencial comum para os 16 circuitos de entrada digital na interface de E/S UNS 0863.
Fonte de uso geral: Alimenta outros consumidores de 24 V, como transdutores, acopladores de barramento, etc.
2.3. Monitoramento abrangente de energia e indicação de status
Monitoramento da tensão de entrada: A unidade monitora continuamente o status das tensões de entrada CC e CA.
Saída de sinal de falha: Quando qualquer uma das tensões de entrada falha, a unidade fornece um sinal de alarme através de um contato de falha de relé (sinal de FALHA). Este sinal pode ser adquirido pelo sistema de controle supervisório para alertar a equipe operacional sobre o status da energia.
Indicação de status de LED: Os indicadores LED AC ON e DC ON no painel frontal fornecem uma exibição visual do status de presença das duas fontes de alimentação de entrada.
2.4. Suporte para operação redundante paralela
Paralelismo de saída de 24 V: Em sistemas de excitação de canal duplo (AFT), as saídas de 24 Vcc de duas unidades UNS 0868 podem ser conectadas em paralelo. A unidade incorpora diodos de desacoplamento para esta finalidade e fornece terminais de paralelo dedicados (6/7 e 8/9), garantindo que se uma unidade de energia falhar completamente, a outra pode assumir perfeitamente toda a carga de 24 V, alcançando redundância N+1 no nível da fonte de alimentação.
2.5. Hold-up e buffer
Interface de capacitor externo: A saída 240V DC é projetada com terminais (18/20) para conectar um capacitor externo. Isso permite que a energia armazenada no capacitor mantenha a saída de 240 Vcc durante breves interrupções da alimentação de entrada CC (por exemplo, milissegundos a centenas de milissegundos), garantindo que o sistema de controle não reinicie ou funcione mal devido a quedas instantâneas de potência. Sua capacidade de sustentação é medida como 2,2 mF/s, e o valor do capacitor pode ser selecionado com base no tempo de sustentação necessário para o sistema.
3. Princípio de funcionamento e mecanismo de processamento de sinal
A operação interna do UNS 0868 envolve um sofisticado processo de conversão e controle de energia. As seções a seguir se aprofundam em seu princípio de funcionamento completo, da entrada à saída.
3.1. Processamento de entrada dupla e mecanismo de comutação de redundância
um. Recepção de entrada e adaptação de alcance:
O UNS 0868 vem em duas versões para acomodar diferentes padrões globais de usinas de energia:
Versão 1: Para sistemas 24/48 VDC e sistemas 34 VAC.
Versão 2: Para sistemas 110/250 VDC e sistemas 170 VAC.
O circuito interno, especialmente o conversor frontal, foi projetado para se adaptar automaticamente à ampla faixa de tensão de entrada especificada para sua versão.
b. Desacoplamento de diodo e lógica 'OR':
Este é o núcleo da implementação de redundância. A entrada CC e a entrada CA são combinadas antes de entrar no conversor de comutação subsequente, cada uma por meio de seu diodo dedicado. Esses dois diodos formam uma porta lógica 'OR' simples:
Se a entrada CC estiver normal, a corrente flui do lado CC.
Se a entrada CC for perdida, mas a entrada CA estiver normal, a corrente fluirá do lado CA.
Os diodos evitam que a corrente retorne de uma fonte para outra fonte defeituosa, obtendo isolamento elétrico perfeito e comutação de corrente sem circulação. Este processo é implementado puramente em hardware, é extremamente rápido (microssegundos) e não possui atraso de comutação.
3.2. Princípio de conversão DC-DC Boost
um. Conversão de comutação de alta frequência:
Independentemente de a energia vir da entrada CC ou CA (a CA é primeiro retificada para CC), a energia CC combinada não é usada diretamente. Ele é alimentado em um conversor boost DC-DC de comutação de alta frequência. O núcleo deste conversor é um transistor de comutação de alta velocidade (por exemplo, MOSFET) que liga e desliga repetidamente em alta frequência (normalmente dezenas a centenas de kHz).
b. Armazenamento e liberação de energia:
Quando a chave está ligada, a energia é armazenada em um indutor. Quando a chave é desligada, o indutor, para manter sua corrente, gera uma força contra-eletromotriz. Esta tensão aumenta a tensão de entrada, produzindo um pulso superior à tensão de entrada.
c. Retificação e filtragem:
Este pulso de alta frequência e alta tensão passa por um transformador de alta frequência (fornecendo isolamento) e um diodo retificador e é então suavizado por um capacitor de saída, produzindo uma tensão de saída estável de 240 VCC. Um circuito de controle de feedback preciso (modulação PWM) garante que a tensão de saída permaneça estável em 240V ±10%, independentemente das flutuações dentro da faixa de tensão de entrada permitida.
3.3. Princípio de geração de saída isolada de 24V
A tensão do barramento de 240 Vcc é posteriormente processada para gerar a saída de 24 V. Este processo é normalmente realizado por outro conversor CC-CC independente, cujo núcleo também é um circuito de comutação de alta frequência.
Isolamento galvânico: O transformador de alta frequência neste conversor é isolado, o que significa que seu primário (lado 240 V) e secundário (lado 24 V) são eletricamente completamente separados. Isto é crucial porque interrompe a ligação eléctrica entre os circuitos de controlo (lado 24 V) e os circuitos de alimentação principais (lado 240 V), melhorando significativamente a imunidade ao ruído e a segurança do sistema, evitando problemas causados por diferenças de potencial de terra.
Regulação e limitação de corrente: Este circuito também possui regulação de tensão para garantir uma saída estável de 24V. Além disso, foi concebido para ser à prova de curto-circuito, o que significa que mesmo que os terminais de saída sejam acidentalmente curto-circuitados, o circuito entrará num modo de limitação de corrente ou desligar-se-á, recuperando-se automaticamente assim que a falha for eliminada, sem causar danos à unidade.
3.4. Princípio de funcionamento do circuito de monitoramento
um. Detecção de tensão:
A unidade contém circuitos comparadores de tensão que amostram continuamente as tensões de entrada CC e CA.
b. Julgamento lógico e saída de sinal:
LEDs de status: Quando a tensão amostrada excede um determinado limite definido, o comparador aciona o LED AC ON ou DC ON correspondente para acender.
Sinal FAIL: A lógica de monitoramento é projetada de forma que: o sinal FAIL é ativado (contatos abertos) somente quando ambas as tensões de entrada falham simultaneamente. Se apenas uma entrada falhar, o sinal FAIL não será ativado porque a outra ainda poderá manter a operação. Isso evita alarmes falsos desnecessários. O sinal FAIL é fornecido por uma saída de contato de relé, oferecendo um método de indicação de falha passivo, livre de potencial e isolado que pode ser conectado com segurança a qualquer sistema de monitoramento externo.
3.5. Mecanismos de Proteção
Fusíveis de entrada: A unidade incorpora fusíveis (F1, F2) internamente nos lados de entrada CA e CC. Eles servem para desconectar rapidamente a fonte de energia no caso de uma falha interna grave (por exemplo, curto-circuito do transistor chaveador), evitando o agravamento da falha e protegendo as baterias a montante e o sistema de distribuição.
Bloqueio de Subtensão: Na versão 'b', a unidade possui uma função de bloqueio de subtensão. Ele inibe a partida ou operação do conversor quando a tensão de entrada está muito baixa, evitando possíveis danos decorrentes da operação sob condições de tensão anormais.
4. Integração e configuração do sistema
4.1. Conexões Elétricas
Terminais de entrada:
Terminais 1(L), 2(N): Conecte à entrada CA.
Terminais 4(-), 5(+): Conecte à entrada CC (observe a polaridade).
Terminais de saída:
Terminais 17(+), 19(-): Saída 240 VCC para a placa de alimentação POW-4.
Terminais 6(+), 8(-): Tensão de interrogação de saída de 24 VCC.
Terminais 7, 9: Utilizados para colocar em paralelo as saídas de 24V.
Terminal de sinal:
4.2. Arquitetura de Aplicação dentro do Sistema de Excitação
Em um sistema UNITROL® F típico, a saída de 240 Vcc do UNS 0868 é conectada diretamente à entrada da placa de alimentação SDCS-POW-4 dentro da unidade de controle principal. A placa POW-4 fornece tensões operacionais de vários níveis por meio de cabos planos para a placa de controle SDCS-CON-2, dispositivo de processamento de sinal UNS 1860, etc. A saída de 24 Vcc é conectada à interface de E/S UNS 0863 para alimentar suas entradas digitais e relés internos.
4.3. Comissionamento e verificação de funcionamento
Confirmação da versão: Primeiro, confirme se a versão do UNS 0868 (V1 ou V2) corresponde à bateria do local e às tensões CA auxiliares.
Verificação de inicialização: Após ligar a energia, observe se os indicadores LED AC ON e DC ON acendem.
Medição de Tensão: Utilize um multímetro para medir a saída de 240 Vcc (terminais 17/19) e a saída de 24 Vcc (terminais 6/8); as tensões devem estar dentro da tolerância permitida.
Simulação de falha: Desconecte uma fonte de alimentação de entrada e observe se a outra consegue manter a saída perfeitamente e verifique o status do sinal de FALHA.
5. Cenários de aplicação
O UNS 0868 foi projetado para ambientes industriais que exigem alta confiabilidade, usado principalmente em:
Sistemas de Excitação de Usinas: Gabinetes de excitação UNITROL® F em diversos tipos de usinas (térmicas, hidrelétricas, nucleares, turbinas a gás, etc.).
Processos Industriais Críticos: Processos críticos acionados por grandes motores síncronos, como em fábricas de produtos químicos, armazenamento de energia de ar comprimido e metalurgia.
Sistemas de energia marítima: Controle de excitação para geradores marítimos.
Qualquer sistema de controle que exija alta disponibilidade e garantia de fonte de alimentação redundante.
