Adolfo Medina / Rodrigo Reis, Power Eletronics Systems - Agosto/2010
Nuevas tecnologías en Sistemas de
Excitación
UNITROL®6000
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La ABB Excitación
Estática:
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3 de setembro de 2010 | Slide 2
Presencia Global
Finlândia
Vaasa
Canadá
Montreal
Polônia
Lodz
SPERI
China
Shangai
Matriz
Suiça/Turgi
Brasil
S.Paulo
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3 de setembro de 2010 | Slide 3
Espanha
Madri
Itália-Sesto
S. Giovanni
Áustria
Vienna
África do Sul
Johannesburg
Invelt Elektro
Rep. Checa, Pilzen
Índia
Bangalore
Austrália
Lilydale
ABB - Ingeniería
RE-USE:
hacer la misma cosa
de la misma manera...
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La Planta Generadora
INTERRUPTOR
AT
SALA DE MANDO
TRANSFORMADOR
DE ELEVACIÓN
SUBESTACIÓN BT
SISTEMA
AUXILIAR
CA & CC
SISTEMA
AT
TRANSF.
AUX.
SISTEMAS DE
CONTROL
PROTECCIÓN
1
INTERRUPTOR DE
GENERATOR
1
REGULADOR
DE TURBINA
SINCRONIZACIÓN
TABLERO
DE
EXCITACIÓN
GENERADOR
SINCRÓNICO
TURBINA
PUNTO ESTRELLA
DEL GENERADOR
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TPs
&
TCs
TRANSFORMADOR
DE EXCITACIÓN
La Planta Generadora
INTERRUPTOR
AT
SALA DE MANDO
TRANSFORMADOR
DE ELEVACIÓN
SUBESTACIÓN BT
SISTEMA
AUXILIAR
CA & CC
SISTEMA
AT
TRANSF.
AUX.
REGULADOR
DE TURBINA
SINCRONIZACIÓN
PUNTO ESTRELLA
DEL GENERADOR
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3 de setembro de 2010 | Slide 6
TPs
&
TCs
GENERADOR
SINCRÓNICO
TURBINA
PROTECCIÓN
1
INTERRUPTOR DE
GENERATOR
1
SISTEMAS DE
CONTROL
SISTEMA DE
EXCITACIÓN
SISTEMA DE
EXCITACIÓN
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
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Complejidad del funcionamiento
Sistemas de Excitación UNITROL
Excitación con
Máquinas rotativas
Sistema de
Excitación Estático
UNITROL® 5000
UNITROL® 6000
UNITROL® F
UNITROL® 1000
40A
900 A
>10’000 A
Potencia del Generador /Corriente de Excitación
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Ifn
Sistemas de Excitación UNITROL
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.
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Sistemas de Excitación UNITROL
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:
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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 transiente
subsequente a una falta
Comunicar con el sistema de controle de la
Usina.
E
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3 de setembro de 2010 | Slide 12
AVR
Carta de Potenza con Limites de Operación
Limitador de máx. corriente de campo
Limitador de mín. corriente de campo
Limitador de corriente del estator
Limitador de sub excitación P,Q
-Q
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1/Xd
P
+Q
Principales Componentes del Sistema de Excitación
Transformador de Excitación
AVR
Regulador
Automático de
Tensión
Convertidor
Tiristorizado
Crowbar
Interruptor de Campo
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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
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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
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Principales Funciones del AVR
Medição e conversão A/D
UG
UG, IG, If
-Limitador V/Hz
- Soft start
- IQ Compensação
- IP Compensação
PID
_
+
Σ
Limit. Subexcit.
-Q=F(P,U,UG)
-Corrente estator
-Mín. Corrente campo
Limit. Sobrexcit.
UG, IG, If
UG, IG
-Máx corrente campo
-Corrente estator
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Σ
Σ
Para generación
de pulsos
Power System
Stabilizer PSS
Ref. Man
If
Priorid. valor mín. / máx.
UG, IG
Ref. AVR
_
+
PI
Σ
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
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3 de setembro de 2010 | Slide 18
Convertidores Industriales D1-D5
D5
D3
D4
D2
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D1
Convertidor D5
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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
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UNL14300 Diseño, vista general
Versión Fija
Versión Extraíble
1+1
ventiladores
redundantes
Extraíbles
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Destaques Especiales
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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
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Conversores de Potencia
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Dinámica de Distribución de Corriente entre os
conversores en paralelo
Pulsos de disparo do AVR para los tiristores
Línea de ecualización de corriente
Σ
Σ
t
Σ
t
t
+
-
1
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2
n
Monitoreo de Conducción del Convertidor
corriente
Sin falla
RST
R+
S+
t
corriente
T+
Falla en el tiristor T+
CIN
t
Falla en el tiristor T+
S+
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T+
R+
Redundancia de Tiristores
LT
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3 de setembro de 2010 | Slide 28
R
S
T
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
??!!
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Resistor de Descarga, Protección, Field Flashing
G
III
•Base :
•Field breaker
•Linear discharge resistor
TRANSFORMERS
•Non linear protection resistor
CROB 01
-R02
•RC circuit against AC over voltages
v
•Shunt + Field current/voltage
measurement
-R01 -R01
•Field current pick-up
•Non linear discharge resistor
•Crowbar
•Flashing by AC Auxiliaries
•AC disconnecting switch
•DC Polarities reversion
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3 de setembro de 2010 | Slide 30
v
-K01
•Flashing by DC Auxiliaries
•Variant :
REGULATOR
-U03
-K04
i
-K03
THYRISTOR
BRIDGE
SHUNT
-R03
-A04
I
-T04
-U02
-U01
U
i
u
i
-K03
V
A
-R04
-C04
Diagrama general
"#
$
!
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3 de setembro de 2010 | Slide 31
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
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Aplicación del AC800 “Power Electronics Controller”
No. of
Signals
Slow Applications
(IEC 61131)
PLC
Fast Applications
(Matlab/Simulink) Very Fast
Applications
(VHDL)
PEC
1ms
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3 de setembro de 2010 | Slide 33
100µs
1µs
Cycle
Time
Concepto del Software
The Software Layers of AC 800PEC Controllers
Logic Control
Parameter setting
Tuning, Calibration
Customizing
AVR
Limiter
FCR
Monitoring
Protection
Test Functions
Superimposed
IO Handler (FPGA)
Pulse Generator
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3 de setembro de 2010 | Slide 34
Control IT
800xA integrated
IEC 61131
(Customized)
MATLAB/Simulink
(Generic Functions)
VHDL
Controlador / Conexiones del Convertidor
Comunicación autónoma vía fibra óptica entre el controlador e la interface del convertidor
Controlador canal 1
Interface
Convertidor
1
Controlador canal 2
Interface
Convertidor
2
Interface
Convertidor
n
BFCR
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3 de setembro de 2010 | Slide 35
Tecnología
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 ms
permitiendo 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
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3 de setembro de 2010 | Slide 36
Controlador / Conexiones del Convertidor
Comunicación redundante entre controladores e conversores
Todas las conexiones del control son por fibra ótica e operan a 10 Mbits
por 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
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3 de setembro de 2010 | Slide 37
Concepto de Redundancia
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3 de setembro de 2010 | Slide 38
Concepto de Redundancia en Duplo Canal
STAND BY
• Actual voltage value
• Actual field current value
• CPU
• Field overcurrent
• V/Hz
• Rotating diodes
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Regulation
Monitoring
Protection
Logic Control
OPERANDO
• Actual values
• Trip signals
• Status of system
• Follow-up
Regulation
Monitoring
Protection
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
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
T6… (Triple)
A6… (Doble Auto)
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3 de setembro de 2010 | Slide 40
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
Shunt AC
Batt #1
ICU #1
PS #1
Shunt AC
Batt #2
ICU #2
PS #2
ICU = Unidad de Acoplamiento de Entrada
APD
APD
PS = Fuente de Alimentación 24V
APD = Unidad de Distribución de Energía Auxiliar (limitador de corriente electrónico)
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3 de setembro de 2010 | Slide 43
UNITROL
device
Redundancia
Dispositivos de controle con suministro de energía redundante
Todos os dispositivos de controle pueden ser cambiados durante la operación (hot
swappable)
US1 24VDC
US2 24VDC
Ambas las líneas de entrada són supervisadas individualmente
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3 de setembro de 2010 | Slide 44
Conectividad
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
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3 de setembro de 2010 | Slide 45
Modulo de interface do conversor
Redundancia en E/S’s
(Sistema de doble canal con 3 CIO redundantes)
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
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3 de setembro de 2010 | Slide 46
Esquema Unifilar Típico (2 Convertidores / Tipo Twin)
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3 de setembro de 2010 | Slide 47
Comunicación Interna y Externa (HMI)
Sistema de control
HMI
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3 de setembro de 2010 | Slide 48
Mundo
Exterior
SCP – Service Control Panel
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)
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Terminal de Control de Excitación (ECT)
Puede estar localizado en el
sistema de excitación sobre la
puerta del panel para control
local, y/o en la sala de control
Tamaño:(LxAxP):483x355x90 mm
Peso: 7.3 kg
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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
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3 de setembro de 2010 | Slide 51
ECT: Pantallas Accesibles
Menú de operación
Gráfico de Potencia
Diagrama unifilar
Tendencia
Registrador de Datos
Eventos
Parámetros
Pantalla de configuración
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3 de setembro de 2010 | Slide 52
ECT: Pantalla Accesibles
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3 de setembro de 2010 | Slide 53
ECT: Pantalla Accesibles
© ABB Group
3 de setembro de 2010 | Slide 54
ECT: Pantalla Accesibles
© ABB Group
3 de setembro de 2010 | Slide 55
ECT: Pantalla Accesibles
© ABB Group
3 de setembro de 2010 | Slide 56
ECT: Pantalla Accesibles
© ABB Group
3 de setembro de 2010 | Slide 57
ECT: Pantalla Accesibles
•Event name
•Event time stamp
•User manual text display
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3 de setembro de 2010 | Slide 58
ECT: Pantalla Accesibles
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3 de setembro de 2010 | Slide 59
Comunicación con sistema de control
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
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3 de setembro de 2010 | Slide 60
A6T-O/D5T1-D1250
UNITROL® 6000
Double Channel
Twin converters
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3 de setembro de 2010 | Slide 61
3 Pontes en paralelo N-1
Ceiling Voltage = 1120 V
Ifn = 2600 A
IEN = 3025 A
Iceiling= 4160 A / 30sec
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3 de setembro de 2010 | Slide 62
Referencias y Conclusión
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Referencia Especial : Jirau / Brasil
Nueva Planta hidroeléctrica
Año de suministro: 2011
Jirau HPP
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 !
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Referencia Especial : Itaipu (Brasil / Paraguay)
Extensión
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 !
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3 de setembro de 2010 | Slide 65
Referencia Especial: Salto Grande (Argentina / Uruguay)
Retrofit Sistemas de Excitación
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
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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
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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
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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
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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
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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.
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Sistemas de Excitação UNITROL
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.
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Gracias por su atención
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