Bộ cấp nguồn UNS 0868 đóng vai trò là thành phần cốt lõi chịu trách nhiệm cung cấp và quản lý nguồn điện trong hệ thống kích thích dòng ABB UNITROL® F, được coi là 'trái tim' của toàn bộ hệ thống điều khiển. Mục tiêu thiết kế chính của nó là cung cấp năng lượng vận hành DC ổn định, dự phòng và có độ tin cậy cao cho thiết bị điện tử điều khiển của hệ thống kích thích. Điều này đảm bảo hoạt động liên tục và không bị gián đoạn của tất cả các chức năng điều tiết, điều khiển và bảo vệ trong các điều kiện vận hành máy phát điện khác nhau, bao gồm khởi động, tắt máy và thậm chí cả các sự kiện nhất thời như sự cố lưới điện.
Trong hệ thống kích thích, các thiết bị điện tử điều khiển (như bảng điều khiển SDCS-CON-2, thiết bị xử lý tín hiệu UNS 1860, giao diện I/O UNS 0863, v.v.) yêu cầu điện áp DC sạch, ổn định. Tuy nhiên, mức điện áp và chất lượng của các nguồn điện sẵn có trong môi trường công nghiệp (chẳng hạn như pin trạm và nguồn điện xoay chiều phụ) thường không đáp ứng được các yêu cầu này. UNS 0868 được thiết kế đặc biệt để giải quyết vấn đề này, hoàn thành các vai trò quan trọng trong việc thích ứng nguồn điện, chuyển mạch dự phòng và cách ly điện. Triết lý thiết kế cốt lõi của nó tập trung vào tính sẵn có và an toàn. Bằng cách kết hợp đầu vào nguồn kép và khái niệm dự phòng N+1, nó ngăn chặn sự cố nguồn điện duy nhất gây ra sự tắt hoàn toàn hệ thống điều khiển kích thích, từ đó bảo vệ an toàn cho máy phát điện và lưới điện.
Thiết bị này là một thiết bị 'gắn trên bo mạch' độc lập được lắp đặt bên trong tủ kích thích, được kết nối với pin bên ngoài, nguồn điện AC và tải bên trong thông qua các khối đầu cuối tiêu chuẩn.
2. Các tính năng chính
Các chức năng của UNS 0868 tập trung toàn diện vào việc chuyển đổi, phân phối và quản lý năng lượng, được thể hiện cụ thể ở các khía cạnh sau:
2.1. Đầu vào nguồn dự phòng kép
Kênh đầu vào: Cung cấp hai kênh đầu vào nguồn độc lập.
Đầu vào DC: Kết nối với bộ ắc quy của trạm điện. Đây là nguồn điện chính và đáng tin cậy nhất cho hệ thống.
Đầu vào AC: Kết nối với phía thứ cấp của máy biến áp kích thích hoặc nguồn điện xoay chiều phụ của nhà máy. Nguồn này đóng vai trò dự phòng hoặc bổ sung cho pin.
Chuyển mạch liền mạch tự động: Hai đầu vào được tách riêng bên trong thông qua điốt. Miễn là bất kỳ nguồn điện nào đều bình thường, đầu ra của thiết bị được đảm bảo duy trì, cho phép chuyển đổi liền mạch thực sự và loại bỏ một điểm lỗi duy nhất.
2.2. Nhiều đầu ra điện áp DC ổn định
UNS 0868 tạo ra hai đầu ra DC độc lập với các đặc tính khác nhau để cấp nguồn cho các bộ phận khác nhau của hệ thống:
Đầu ra chính 240 VDC: Đầu ra này được thiết kế đặc biệt cho bảng cấp nguồn SDCS-POW-4 được lắp đặt bên trong bộ UNITROL® F chính. Ngược lại, bo mạch POW-4 tạo ra các điện áp DC mức thấp khác nhau theo yêu cầu của hệ thống điều khiển (ví dụ: ±15V, +5V, +24V). Đầu ra này là nguồn năng lượng cuối cùng cho logic điều khiển và xử lý tín hiệu.
Đầu ra phụ 24 VDC: Đây là điện áp 24V DC được cách ly điện, được sử dụng cụ thể như:
Điện áp thẩm vấn: Cung cấp tiềm năng chung cho 16 mạch đầu vào kỹ thuật số trên Giao diện I/O UNS 0863.
Cung cấp mục đích chung: Cung cấp năng lượng cho các thiết bị tiêu thụ 24V khác, chẳng hạn như đầu dò, bộ ghép nối xe buýt, v.v.
2.3. Giám sát nguồn điện toàn diện và chỉ báo trạng thái
Giám sát điện áp đầu vào: Thiết bị liên tục theo dõi trạng thái của cả điện áp đầu vào DC và AC.
Đầu ra tín hiệu lỗi: Khi một trong hai điện áp đầu vào bị lỗi, thiết bị sẽ cung cấp tín hiệu cảnh báo thông qua tiếp điểm lỗi rơle (tín hiệu FAIL). Hệ thống điều khiển giám sát có thể thu được tín hiệu này để cảnh báo nhân viên vận hành về trạng thái nguồn.
Chỉ báo trạng thái LED: Đèn LED AC ON và DC ON ở mặt trước cung cấp màn hình hiển thị trực quan về trạng thái hiện diện của hai nguồn điện đầu vào.
2.4. Hỗ trợ hoạt động dự phòng song song
Song song đầu ra 24V: Trong hệ thống kích thích kênh đôi (AFT), đầu ra 24V DC của hai thiết bị UNS 0868 được phép kết nối song song. Thiết bị này kết hợp các điốt tách rời cho mục đích này và cung cấp các đầu nối song song chuyên dụng (6/7 và 8/9), đảm bảo rằng nếu một bộ nguồn bị hỏng hoàn toàn thì bộ kia có thể tiếp quản liền mạch toàn bộ tải 24V, đạt được mức dự phòng N+1 ở cấp độ nguồn điện.
2.5. Giữ và đệm
Giao diện tụ điện bên ngoài: Đầu ra DC 240V được thiết kế với các đầu nối (18/20) để kết nối tụ điện bên ngoài. Điều này cho phép năng lượng được lưu trữ trong tụ điện duy trì đầu ra 240V DC trong thời gian nguồn điện đầu vào DC bị gián đoạn trong thời gian ngắn (ví dụ: mili giây đến hàng trăm mili giây), đảm bảo hệ thống điều khiển không bị đặt lại hoặc gặp trục trặc do mất điện tức thời. Khả năng duy trì của nó được đo bằng 2,2 mF/s và giá trị tụ điện có thể được chọn dựa trên thời gian duy trì cần thiết của hệ thống.
3. Nguyên lý làm việc và cơ chế xử lý tín hiệu
Hoạt động nội bộ của UNS 0868 bao gồm một quy trình chuyển đổi và điều khiển năng lượng phức tạp. Các phần sau đây đi sâu vào nguyên lý hoạt động hoàn chỉnh của nó từ đầu vào đến đầu ra.
3.1. Cơ chế chuyển đổi dự phòng và xử lý đầu vào kép
Một. Tiếp nhận đầu vào và điều chỉnh phạm vi:
UNS 0868 có hai phiên bản để đáp ứng các tiêu chuẩn nhà máy điện toàn cầu khác nhau:
Phiên bản 1: Dành cho hệ thống 24/48 VDC và hệ thống 34 VAC.
Phiên bản 2: Dành cho hệ thống 110/250 VDC và hệ thống 170 VAC.
Mạch bên trong, đặc biệt là bộ chuyển đổi ngoại vi, được thiết kế để tự động thích ứng với dải điện áp đầu vào rộng được chỉ định cho phiên bản của nó.
b. Tách rời điốt và logic 'OR':
Đây là cốt lõi của việc triển khai dự phòng. Đầu vào DC và đầu vào AC được kết hợp trước khi đưa vào bộ chuyển đổi chuyển mạch tiếp theo, mỗi đầu vào thông qua diode chuyên dụng của nó. Hai điốt này tạo thành một cổng logic 'OR' đơn giản:
Nếu đầu vào DC bình thường, dòng điện sẽ chạy từ phía DC.
Nếu đầu vào DC bị mất nhưng đầu vào AC bình thường, dòng điện sẽ chạy từ phía AC.
Các điốt ngăn dòng điện chạy ngược từ nguồn này sang nguồn bị lỗi khác, đạt được sự cách ly điện hoàn hảo và chuyển đổi dòng điện không tuần hoàn. Quá trình này được thực hiện hoàn toàn bằng phần cứng, cực kỳ nhanh (micro giây) và không có độ trễ chuyển đổi.
3.2. Nguyên tắc chuyển đổi tăng cường DC-DC
Một. Chuyển đổi chuyển mạch tần số cao:
Bất kể năng lượng đến từ đầu vào DC hay AC (AC lần đầu tiên được chỉnh lưu thành DC), nguồn DC kết hợp không được sử dụng trực tiếp. Nó được đưa vào bộ chuyển đổi tăng áp DC-DC chuyển mạch tần số cao. Cốt lõi của bộ chuyển đổi này là một bóng bán dẫn chuyển mạch tốc độ cao (ví dụ: MOSFET) bật và tắt liên tục ở tần số cao (thường là hàng chục đến hàng trăm kHz).
b. Lưu trữ và giải phóng năng lượng:
Khi bật công tắc, năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm. Khi công tắc tắt, cuộn cảm, để duy trì dòng điện, sẽ tạo ra một lực điện động ngược. Điện áp này cộng vào điện áp đầu vào, tạo ra xung cao hơn điện áp đầu vào.
c. Chỉnh lưu và lọc:
Xung điện áp cao, tần số cao này đi qua một máy biến áp tần số cao (cung cấp sự cách ly) và một diode chỉnh lưu, sau đó được làm mịn bằng một tụ điện đầu ra, cuối cùng mang lại điện áp đầu ra 240 VDC ổn định. Vòng điều khiển phản hồi chính xác (điều chếPWM) đảm bảo điện áp đầu ra duy trì ổn định ở mức 240V ±10%, bất kể sự dao động trong phạm vi điện áp đầu vào cho phép.
3.3. Nguyên lý tạo đầu ra biệt lập 24V
Điện áp bus DC 240V được xử lý thêm để tạo ra đầu ra 24V. Quá trình này thường được xử lý bởi một bộ chuyển đổi DC-DC độc lập khác, lõi của nó cũng là mạch chuyển mạch tần số cao.
Cách ly điện: Máy biến áp tần số cao trong bộ chuyển đổi này được cách ly, nghĩa là sơ cấp (phía 240V) và thứ cấp (phía 24V) hoàn toàn tách biệt về mặt điện. Điều này rất quan trọng vì nó phá vỡ kết nối điện giữa các mạch điều khiển (phía 24V) và mạch điện chính (phía 240V), tăng cường đáng kể khả năng chống ồn và an toàn của hệ thống bằng cách ngăn ngừa các sự cố do chênh lệch điện thế nối đất.
Quy định và giới hạn dòng điện: Mạch này cũng có tính năng điều chỉnh điện áp để đảm bảo đầu ra 24V ổn định. Hơn nữa, nó được thiết kế để chống đoản mạch, nghĩa là ngay cả khi các cực đầu ra vô tình bị đoản mạch, mạch sẽ chuyển sang chế độ giới hạn dòng điện hoặc tắt, tự động phục hồi sau khi hết lỗi mà không gây hư hỏng cho thiết bị.
3.4. Nguyên lý làm việc của mạch giám sát
Một. Cảm biến điện áp:
Thiết bị chứa các mạch so sánh điện áp liên tục lấy mẫu điện áp đầu vào DC và AC.
b. Phán quyết logic và đầu ra tín hiệu:
Đèn LED trạng thái: Khi điện áp lấy mẫu vượt quá ngưỡng đã đặt nhất định, bộ so sánh sẽ điều khiển đèn LED AC ON hoặc DC ON tương ứng sáng lên.
Tín hiệu LỖI: Logic giám sát được thiết kế sao cho: tín hiệu LỖI chỉ được kích hoạt (tiếp điểm mở) khi cả hai điện áp đầu vào đều bị lỗi đồng thời. Nếu chỉ một đầu vào bị lỗi, tín hiệu FAIL sẽ không kích hoạt vì đầu vào còn lại vẫn có thể duy trì hoạt động. Điều này tránh được những cảnh báo sai không cần thiết. Tín hiệu LỖI được cung cấp bởi đầu ra tiếp điểm rơle, cung cấp phương pháp chỉ báo lỗi thụ động, không có điện thế và cách ly có thể được kết nối an toàn với bất kỳ hệ thống giám sát bên ngoài nào.
3.5. Cơ chế bảo vệ
Cầu chì đầu vào: Thiết bị kết hợp các cầu chì (F1, F2) ở cả hai phía đầu vào AC và DC bên trong. Chúng dùng để nhanh chóng ngắt kết nối nguồn điện trong trường hợp xảy ra lỗi nghiêm trọng bên trong (ví dụ: đoản mạch bóng bán dẫn chuyển mạch), ngăn lỗi leo thang và bảo vệ pin đầu nguồn cũng như hệ thống phân phối.
Khóa điện áp thấp: Ở phiên bản 'b', thiết bị có chức năng khóa điện áp thấp. Nó ngăn chặn bộ chuyển đổi khởi động hoặc vận hành khi điện áp đầu vào quá thấp, ngăn ngừa hư hỏng tiềm ẩn khi vận hành trong điều kiện điện áp bất thường.
4. Tích hợp và cấu hình hệ thống
4.1. Kết nối điện
Thiết bị đầu cuối đầu vào:
Các cực 1(L), 2(N): Kết nối với đầu vào AC.
Các cực 4(-), 5(+): Kết nối với đầu vào DC (quan sát cực tính).
Thiết bị đầu cuối đầu ra:
Các cực 17(+), 19(-): Xuất ra 240 VDC tới board cấp nguồn POW-4.
Các cực 6(+), 8(-): Điện áp dò tìm đầu ra 24 VDC.
Cực 7, 9: Dùng để đấu song song các đầu ra 24V.
Thiết bị đầu cuối tín hiệu:
4.2. Kiến trúc ứng dụng trong hệ thống kích thích
Trong hệ thống UNITROL® F điển hình, đầu ra DC 240V của UNS 0868 được kết nối trực tiếp với đầu vào của bảng cấp nguồn SDCS-POW-4 bên trong bộ điều khiển chính. Sau đó, bảng POW-4 cung cấp các mức điện áp hoạt động khác nhau thông qua cáp phẳng đến bảng điều khiển SDCS-CON-2, thiết bị xử lý tín hiệu UNS 1860, v.v. Đầu ra 24V DC được kết nối với Giao diện I/O UNS 0863 để cấp nguồn cho đầu vào kỹ thuật số và rơle bên trong của nó.
4.3. Kiểm tra vận hành và chức năng
Xác nhận phiên bản: Trước tiên, hãy xác nhận rằng phiên bản UNS 0868 (V1 hoặc V2) phù hợp với pin và điện áp xoay chiều phụ của trang web.
Kiểm tra bật nguồn: Sau khi cấp nguồn, hãy quan sát xem đèn LED AC ON và DC ON có sáng không.
Đo điện áp: Sử dụng đồng hồ vạn năng để đo đầu ra 240V DC (cực 17/19) và đầu ra 24V DC (cực 6/8); điện áp phải nằm trong dung sai cho phép.
Mô phỏng lỗi: Ngắt kết nối một nguồn điện đầu vào và quan sát xem nguồn kia có thể duy trì liên tục đầu ra hay không và xác minh trạng thái của tín hiệu FAIL.
5. Kịch bản ứng dụng
UNS 0868 được thiết kế cho môi trường công nghiệp đòi hỏi độ tin cậy cao, chủ yếu được sử dụng trong:
Hệ thống kích thích nhà máy điện: Tủ kích thích UNITROL® F trong các loại nhà máy điện (nhiệt điện, thủy điện, hạt nhân, tua bin khí, v.v.).
Các quy trình công nghiệp quan trọng: Các quy trình quan trọng được thúc đẩy bởi động cơ đồng bộ lớn, chẳng hạn như trong các nhà máy hóa chất, kho lưu trữ năng lượng khí nén và luyện kim.
Hệ thống điện hàng hải: Điều khiển kích thích cho máy phát điện hàng hải.
Bất kỳ hệ thống điều khiển nào yêu cầu tính sẵn sàng cao và đảm bảo nguồn điện dự phòng.
