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© ABB Group 3 de setembro de 2010 | Slide 1

Nuevas tecnologías en Sistemas de ExcitaciónUNITROL®6000

Adolfo Medina / Rodrigo Reis, Power Eletronics Systems - Agosto/2010


La ABB Excitación Estática:


Matriz

Suiça/Turgi

Presencia Global

AustráliaLilydale

ÍndiaBangalore

Itália-SestoS. Giovanni

CanadáMontreal

Invelt ElektroRep. Checa, Pilzen

FinlândiaVaasa

EspanhaMadri

SPERIChina

Shangai

ÁustriaVienna

África do SulJohannesburg

BrasilBrasilS.PauloS.Paulo

PolôniaLodz


ABB - Ingeniería

RE-USE:

hacer la misma cosa

de la misma manera...


TRANSFORMADORDE ELEVACIÓN

INTERRUPTOR DE GENERATOR

SUBESTACIÓN BT

TRANSF. AUX.

PUNTO ESTRELLA DEL GENERADOR

SISTEMAS DE CONTROL

SALA DE MANDO

SINCRONIZACIÓN

SISTEMAAT

INTERRUPTORAT

PROTECCIÓN

TRANSFORMADORDE EXCITACIÓN

1

1

SISTEMA AUXILIARCA & CC

TABLERO DE

EXCITACIÓN

TPs&TCs

GENERADORSINCRÓNICOTURBINA

La Planta Generadora

REGULADOR DE TURBINA


TRANSFORMADORDE ELEVACIÓN

INTERRUPTOR DE GENERATOR

SUBESTACIÓN BT

TRANSF. AUX.

PUNTO ESTRELLA DEL GENERADOR

SISTEMAS DE CONTROL

SALA DE MANDO

SINCRONIZACIÓN

SISTEMAAT

INTERRUPTORAT

PROTECCIÓN

1

1

SISTEMA AUXILIARCA & CC

SISTEMA DE EXCITACIÓN

TPs&TCs

GENERADORSINCRÓNICOTURBINA

La Planta Generadora

REGULADOR DE TURBINA

SISTEMA DEEXCITACIÓN


Historia de los productos UNITROL®100 años de experiencia y mejorías continuas

1908 Primer AVR con contacto móvil para la usina de "Rote Erde” cerca de Aachen/Alemania.

Más de 100'000 AVRs vendidos

1965 Primer SES usando tiristores como solución Standard para excitación “brushless” con diodos rotativos para generadores pequeños

UNITROL® C (Convencional), UNITROL® M (modular – analógico)

1989 Primer SES con regulador de tensión microprocesado UNITROL® D

1993 Controlador programable de alta velocidad PSR2 para aplicaciones en SES UNITROL® P

1995 “Drives” electrónicos adaptados para AVR e SES: UNITROL® F

1999 Desarrollo del UNITROL® 5000 con base en el UNITROL F/P

2000 Introducción del UNITROL® 1000 para pequeñas aplicaciones

2008 UNITROL® 6000


UNITROL® 5000

UNITROL® F

UNITROL® 1000

40A 900 A >10’000 AIfn

UNITROL® 6000

Sistemas de Excitación UNITROL

Potencia del Generador /Corriente de Excitación

Com

plej

idad

del

func

iona

mie

nto Excitación con

Máquinas rotativasSistema deExcitación Estático



� UNITROL es el Sistema de Excitación más confiable y moderno en la actualidad

� Entorno común de programación IEC61131

� Electrónica de potencia con tecnología de punta y calidad SUIZA

� Pantalla sensible al tacto 15” o 12” a color (touch-screen) para la operación local y el mantenimiento.


� El UNITROL 6000 es una solución completa ofrecida para Reguladores Automáticos de Tensión (AVRs) y además cumple con las más altas exigencias de Sistemas Estáticos de Excitación.

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Descripción del Sistema de Excitación:


Obligaciones del Sistema de Excitación

� Suministrar corriente DC variable con capacidad de sobrecarga en curto tempo

� Controlar tensión terminal con necesaria exactude

� Garantizar operación estable con la rede y/o otras maquinas

� Mantener la maquina dentro de los valores permitidos para operación

� Contribuir para estabilidad de transientesubsequente a una falta

� Comunicar con el sistema de controle de la Usina.

AVRE


Limitador de mLimitador de mááx. corriente de campox. corriente de campoLimitador de mLimitador de míín. corriente de campon. corriente de campoLimitador de corriente del estatorLimitador de corriente del estatorLimitador de Limitador de subsub excitaciexcitacióón n P,QP,Q

P

+Q-Q 1/Xd

Carta de Potenza con Limites de Operación


AVR

Regulador Automático de Tensión

Transformador de Excitación

Convertidor Tiristorizado

Crowbar

Interruptor de Campo

Principales Componentes del Sistema de Excitación


Transformador de Excitación

• Aislamiento galvánico entre fuente de potenza y el rotor

•Limitación de corriente de curto circuito CC

•Adaptación de la tensión de alimentación para atingir a tensión de techo requerida

•Refrigerado a aire


AVR Regulador Automático de Tensión

•Controlar tensión terminal con la exactude requerida

•Garantizar operación estable con la rede y/o otras máquinas

•Mantener la máquina dentro dos valores permitidos para operación

•Comunicar con el sistema de controle da Usina


+

_

+

_Σ

Σ

Σ Σ

Ref. AVR-Limitador V/Hz- Soft start- IQ Compensação- IP Compensação

Limit. Subexcit.-Q=F(P,U,UG)-Corrente estator-Mín. Corrente campo

Limit. Sobrexcit.-Máx corrente campo-Corrente estator

Power SystemStabilizer PSS

Ref. Man

Med

ição

e c

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rsão

A/D

Prio

rid. v

alor

mín

. / m

áx.

PID

PI

Para generaciónde pulsos

UG, IG, If

UG, IG

UG

UG, IG, If

UG, IG

If

Principales Funciones del AVR


Convertidor Tiristorizado

•Rectificación de la tensión CA

•Rápido controle de la corriente CC

•Inversión de la tensión CC

•Capacidad de sobre-corriente de curta duración

•Resistir a ciertas sobretensiones del lado CA

•Limitación de sobretensiones de conmutación


Convertidores Industriales D1-D5

D1

D3D4

D5

D2


Convertidor D5


Ponte Convertidora de Tiristores - UNL14300� Ventiladores de refrigeración con redundancia total

� Manutención “on line”

� Pantalla en cada convertidor para diagnóstico rápido

� Dibujo modular para fácil paralelismo de corrientes en sistemas até 10’000 A


UNL14300 Diseño, vista general

Versión Fija Versión Extraíble

1 + 1 ventiladoresredundantesExtraíbles


Destaques Especiales


Conversores de Potencia

� Referencias “record” en conversores de alta potencia e confiabilidad

� ABB garante as tensiones e corrientes de techo necesarias

� Semiconductores de fabricación propia ABB


Conversores de Potencia


Σt

Σt

Σt

Línea de ecualización de corriente

Pulsos de disparo do AVR para los tiristores

+-

1 2 n

Dinámica de Distribución de Corriente entre os conversores en paralelo


R S T

CIN

corriente

corriente

R+

S+

T+

Falla en el tiristor T+

t

Sin falla

t

Falla en el tiristor T+

R+S+ T+

Monitoreo de Conducción del Convertidor


Redundancia de Tiristores

LTRST


Circuito de Descarga del Campo•Interruptor de Campo del lado CA o CC•Abertura del circuito de campo bajo condición de falta•Rápida absorbición da la energía de campo (Non Linear)•Protección de sobretensión del campo (Crowbar)

O ??!!


iI

-K01

-R04

-C04

A

SHUNT

ui

Ui

V

-U03

-U01-U02

GIII

REGULATOR

THYRISTORBRIDGE

TRANSFORMERS

•Base :•Field breaker

•Linear discharge resistor

•Non linear protection resistor

•RC circuit against AC over voltages

•Shunt + Field current/voltagemeasurement

•Field current pick-up

•Flashing by DC Auxiliaries

v

-R02

-R01

Resistor de Descarga, Protección, Field Flashing

•Variant :

•Non linear discharge resistor

•Crowbar

•Flashing by AC Auxiliaries

•AC disconnecting switch -K03

-R03

-A04

-R01

v

CROB 01

-K03

-T04

-K04

•DC Polarities reversion


Diagrama general

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Tecnología del AVR

� Controlador de alto rendimiento para equipamientos de electrónica de potencia

� CPU PowerPC de 600MHz (IBM/Motorola)

� Cálculos aritméticos con punto fluctuante de 64 bits conforme a norma IEEE


Aplicación del AC800 “Power Electronics Controller”

Fast Applications(Matlab/Simulink) Very Fast

Applications(VHDL)

Slow Applications(IEC 61131)

�� PLC

PEC

Cycle Time

No. of Signals

1ms 1µs100µs


Concepto del Software� The Software Layers of AC 800PEC Controllers

AVRLimiter

FCRMonitoringProtection

Test FunctionsSuperimposed

MATLAB/Simulink(Generic Functions)

Logic ControlParameter setting

Tuning, CalibrationCustomizing

Control IT800xA integratedIEC 61131(Customized)

IO Handler (FPGA)Pulse Generator

VHDL


Controlador canal 1

BFCR

Controlador canal 2

Interface Convertidor1

InterfaceConvertidorn

Interface Convertidor2

Controlador / Conexiones del Convertidor� Comunicación autónoma vía fibra óptica entre el controlador e la interface del convertidor


� Interfaces de medición

� Adquisición de señales analógicos a 1 millón de muestras por segundo

� Procesamiento de señal analógico con precisión mejor que 0,5%.

� 28 canales de adquisión (2000 puntos por canal y muestras de 2.4 mspermitiendo 4,8 s de adquisión.)

� Rango de temperatura de -25°… 70°sin refrigeración forzada

TC’s para medición de corriente del generador

TP’s para medición de tensión del generador

Tecnología


� Comunicación redundante entre controladores e conversores

� Todas las conexiones del control son por fibra ótica e operan a 10 Mbitspor segundo

� 100% libre de interferencias electro-magnéticas (EMI)

� El aislamiento eléctrico elimina a propagación de faltas e provee la seguridad del personal de mantenimiento

�� Alta Disponibilidad

Controlador / Conexiones del Convertidor


Concepto de Redundancia


Regulation

Logic Control

RegulationMonitoringProtection

Logic Control

• Voltage regulator (AUTO)• Field current regulator (MAN)• Power System Stabilizer• Limiter functions• Overriding controllers (P.F., VAr)

• Actual voltage value (P.F. failure)• Actual field current value• CPU• Rotor temperature

• Field overcurrent• V/Hz• Rotating diodes

• Actual values• Trip signals

• Status of system• Follow-up

• Actual voltage value• Actual field current value• CPU

• Field overcurrent

• V/Hz• Rotating diodes

MonitoringProtection

STAND BY OPERANDO

Concepto de Redundancia en Duplo Canal


Redundancia � Controlador con redundancia

� Dos Controladores Principales redundantes

� Dispositivo de retarguarda opcional (backup) para Regulación de Corriente de Campo

� Todos los dispositivos están eléctricamente aislados uno del otro

A6A6…… (Doble Auto)(Doble Auto)

T6T6…… (Triple)(Triple)

AVR = Automatic Voltage Regulator(Regulador Automático de Tensión) (IEEE Automatic Control)

FCR = Field Current Regulator(Regulador de Corriente del Campo) (IEEE Manual Control)

BFCR = Backup Field Current Regulator(Regulador de Corriente del Campo de Retaguarda) (IEEE Manual Control)


Fuente de alimentación� Distribución redundante da fuente de alimentación auxiliar para los dispositivos de controle

ICU #1 PS #1Shunt ACBatt #1 UNITROL

deviceAPD

PS #2 APDICU #2Shunt AC

Batt #2

ICU = Unidad de Acoplamiento de Entrada PS = Fuente de Alimentación 24V

APD = Unidad de Distribución de Energía Auxiliar (limitador de corriente electrónico)


� Dispositivos de controle con suministro de energía redundante

� Todos os dispositivos de controle pueden ser cambiados durante la operación (hot swappable)

US1 24VDCUS2 24VDC

Redundancia

Ambas las líneas de entrada són supervisadas individualmente


Modulo de interface do conversor

� Todos os dispositivos de controle UNITROL tienen interfaces Ethernet

� Todos los dispositivos están dotados de interfaces óticas de 10 Mbit por segundo

� Módulo de interface del convertidor con 4 x Ethernet e 3 interfaces ópticas

Conectividad


Redundancia en E/S’s

��

� Opción de E/S dedicadas a un canal para 100% de redundancia de E/S

� Señales críticos (Partida, Parada, On-line, Off-line, Subir, Bajar, Trip) son segregados y conectados directamente a cada módulo controlador

�� Operación Básica garantizada aún que se perca as E/S’s

(Sistema de doble canal con 3 CIO redundantes)


Esquema Unifilar Típico (2 Convertidores / Tipo Twin)


Comunicación Interna y Externa (HMI)

HMI MundoExterior

Sistema de control


Operación local del sistema de excitación

Ajuste de parámetros

Registrador de datos y eventos

Valores actuales (e.g. UG, If)

Parámetros y valores de señal(e.g. Vo, Ta)

SCP – Service Control Panel


Terminal de Control de Excitación (ECT)

Tamaño:(LxAxP):483x355x90 mm

Peso: 7.3 kg

Puede estar localizado en el sistema de excitación sobre la puerta del panel para control local, y/o en la sala de control


ECT: Condiciones Operacionales

� PC industrial independiente con pantalla de 15" color sensible al tacto (touch screen)

� Comunicación Modbus TCP

� Se puede utilizar como terminal

local y/o remoto

� Acceso protegido por 5 niveles /

Protegido con contraseña

Puntos de conexión en la parte lateral


ECT: Pantallas Accesibles

� Menú de operación

� Gráfico de Potencia

� Diagrama unifilar

� Tendencia

� Registrador de Datos

� Eventos

� Parámetros

� Pantalla de configuración


ECT: Pantalla Accesibles


•Event name•Event time stamp•User manual text display



� Vía contactos secos (1.5 kVAC Hi-Pot)

� Entradas con acopladores ópticos (24 VDC tensión de control)

� Salidas con reles (440 VAC, 250 VDC, 5 A)

� Vía comunicación serial

� Protocoles de comunicación

� MODBUS vía RS485

� MODBUS TCP vía Ethernet

� PROFIBUS DP vía RS485

� Servidor OPC

� GPS, Irig B, DCF77 (vía SNTP on Ethernet)

� Futuro: IEC61850

Comunicación con sistema de control


UNITROL® 6000

Double ChannelTwin converters

A6T-O/D5T1-D1250


3 Pontes en paralelo N-1

� Ceiling Voltage = 1120 V

� Ifn = 2600 A

� IEN = 3025 A

� Iceiling= 4160 A / 30sec


Referencias y Conclusión


� Año de suministro: 2011

� Cliente: Andritz Brazil & DFEM China

� Datos Máquina: 50 x 80 MVA

� Datos del Sistema de Excitación:

� 60Hz: Ifn = 1150 A, Ufpl = 870 V

� UNITROL 6800

� Con las mayores turbinas tipo bulbo del mundo !

Referencia Especial : Jirau / Brasil

Nueva Planta hidroeléctrica

Jirau HPP


� Año del suministro: 1982 - 2003

� Cliente: Itaipu Binacional

� Datos Máquina:

10 x 823 MVA / 50Hz

10 x 737 MVA / 60Hz

� Datos del Sistema de Excitación:

� 50Hz: Ifn = 4824 A, Ufpl = 1474 V

� 60Hz: Ifn = 3945 A, Ufpl = 2356 V

� 18 x UNITROL C

� 2 x UNITROL 5000

� Aún es la mayor planta hidroeléctrica del mundo !

Extensión

Referencia Especial : Itaipu (Brasil / Paraguay)


� Año del suministro: 2006-2010

� Datos Máquina: 14 x 150 MVA / 50Hz

� Cliente: CTM Salto Grande

� Substitución de 14 SES existentes de fabricación rusa en 1979

� Datos del Sistemas de Excitación:

� 50Hz: Ifn = 1500 A, Ufpl = 770 V

� UNITROL 5000

Retrofit Sistemas de Excitación

Referencia Especial: Salto Grande (Argentina / Uruguay)


UNITROL Referencias Mundiales

� Máquinas de polos salientes hasta 823 MVA

� > 900 Sistemas de Excitación Estática e > 500 Regulad. de Tensión

� Turbogeneradores refrigerados a hidrógeno hasta 1635 MVA

� > 400 Sistemas de Excitación Estática

� Turbogeneradores refrigerados a aire hasta 426 MVA

� > 500 Sistemas de Excitación Estática


Referencia Especial

� Proyecto: Lungman (Planta Nuclear, Taiwán, 2x1600MVA)

� Cliente: Mitsubishi

� Uno de los mayores Sistemas de Excitación Estática ya construidos en mundo! IE = 9750A; Upl = 1392V


Algunas Referências UNITROL – LAM� Itaipu (BR) 20 x 800 MVA

� Ilha Solteira (BR) 20 x 177 MW

� Serra da Mesa (BR) 03 x 450 MVA

� Salto Caxias (BR) 04 x 300 MW

� Itá (BR) 05 x 230 MW

� Corumbá (BR) 03 x 125 MVA

� Petrobrás Todas as refinarias… RPBC / REPAR / REDUC / RELAM / REVAP / REFAP…

� Salto Grande (AR) 14 x 150 MVA

� PORCE III (CO) 04 x 218 MVA

� Macagua (VE) 12 x 250 MVA & 2 x 102 MVA

� Yuncan (PE) 03 x 47 MVA

� Cumbaya (EC) 04 x 11 MVA

� Hidropaute (EC) 01 x 111 MVA

� Termobarranquilla (CO) 01 x 750 MW

� Centro CADAFE (VE) 03 x 471 MVA

� Dock Sud (AR) 03 x 390 MVA

� Canutillar (CL) 02 x 72.5 MVA

� Arauco (CL) - Planta 01 x 20 MVA

� Arauco (CL) - Horcone 01 x 18 MVA


Resumo I

� Padrón de Comunicación IEC61850

� Programación conforme IEC61131

� Comunicación internet vía fibra óptica � menos cabos interno, e libre de interferencias electromagnéticas (EMI).

� CPU Power PC de 600MHz / 64 bits

� Adquisición de señales analógicos a 1 Millón de muestras por segundo.

� Faja de temperatura de -25°… 70°sin refrigeración forzada

� 90% del sistema UNITROL 6000 es de origen ABB


Resumo II

� Todos los dispositivos de controle pueden ser trocados durante la operación (hot swappable)

� Concepto de redundancia único (inclusive de las E/S’s)

� IHM/ Intuitiva interface gráfica para o personal de operación y mantenimiento.

� IHM tipo Touch Screen con 12 ou15’’ y Power Chart dinámico

� Comunicación Serial

� Pontes de tiristores robustas e confiables

� Muchas referencias no Brasil e no mundo.


O Sistema de Excitación tiene un grande impacto en el funcionamiento dinámico y en la

disponibilidad del Generador.!

O Sistema de Excitación garantiza la cualidad de regulación de tensión del Generador y la Potencia

Reactiva y por lo tanto la cualidad da energía entregue pela planta generadora.

Sistemas de Excitação UNITROL


Gracias por su atención

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