ЗАЩИТНАЯ СХЕМА ДЛЯ САМОЗАЩИЩЕННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ АКТУАТОРОВ, А ТАКЖЕ ЗАЩИТНАЯ СХЕМА ДЛЯ САМОЗАЩИЩЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H02H3/00 H03K17/08 

Изобретение касается защитных схем для самозащищенных электромагнитных актуаторов, приводимых в действие напряжением блока питания, разрешенного для использования для подземных горных работ для переключения электрогидравлических клапанов в подземных горных работах, причем защитная схема снабжена, по меньшей мере, двумя раздельно выполненными и включенными параллельно к катушке электромагнитного актуатора закорачивающими средствами короткого замыкания для закорачивания катушки при изменении потенциалов напряжения катушки. В дальнейшем изобретение также касается защитной схемы для самозащищенных подземных систем энергоснабжения с несколькими электронными приборами управления, подключенными к общему блоку питания, разрешенному для использования для подземных горных работ для активации электромагнитных актуаторов, подключенных к приборам управления, приводимых в действие напряжением блока питания для переключения электрогидравлических клапанов в подземных горных работах, причем каждому электромагнитному актуатору в системе электроснабжения придано, по меньшей мере, одно закорачивающее средство, включенное параллельно к катушке электромагнита для закорачивания катушки, при изменении потенциалов напряжения катушки.

В подземных горных работах для возбуждения гидравлических процессов движения, которые, главным образом, обусловлены гидравлическими цилиндрами или гидравлическими стойками, используется большое количество электромагнитных актуаторов, с помощью которых затем включаются электрогидравлические клапаны для гидравлических цилиндров. В частности, большое количество включающихся электрогидравлических клапанов, как они встречаются, например, в шагающих щитовых крепях, ставит значительные требования к блокам питания и к подготавливаемым подземным системам электроснабжения, причем как блоки питания, так и системы электроснабжения должны быть выполнены самозащищенными и удовлетворять всем требованиям по взрывозащите и/или другим типам воспламенения. Так как это обуславливает ограничение общих потребляемых мощностей, предоставляемых в распоряжение блоков питания, в подземных горных работах принято осуществлять электромагнитные актуаторы с понижением тока удержания. Одновременно большие индуктивные нагрузки внутри самозащищенных систем электроснабжения требуют особых мер защиты для того, чтобы обеспечить соблюдение положений по взрывозащите.

Известная проблема у электромагнитных актуаторов с катушками, по которым протекает электрический ток, создает импульс остаточной энергии, обусловленной током отключения индуктивной нагрузки. В качестве контрмеры до сих пор в подземных горных работах предусматривались все электромагнитные актуаторы, по меньшей мере, с двумя закорачивающими средствами, образованными двумя безынерционными диодами, которые при изменении потенциалов напряжения катушки закорачивают их для того, чтобы в любом случае избежать пиков напряжения энергии отключения или соответственно импульса остаточной энергии. Магнитное поле, разрушаемое при отключении катушки, индуцирует напряжение на катушке, полярность которого противоположна напряжению питающей сети, и это изменение полярности, в дальнейшем обобщенно обозначаемое как «изменение потенциалов», отпирает безынерционный диод, так что через него протекает ток, с помощью которого затухает магнитное поле катушки.

Однако в подземных системах электроснабжения с большим количеством одновременно выключающихся электромагнитных актуаторов, например при обрыве кабеля или подобном, может даже остаточный импульс энергии отключения, уменьшенный посредством безынерционных диодов, привести к полному импульсу, который не разрешен на основании положений по взрывозащите.

Задачей изобретения является создание защитной схемы для электромагнитных актуаторов или для подземных самозащищенных систем электроснабжения, у которых даже при неблагоприятных условиях, как, например, обрыв кабеля или прерывание подачи тока или подобном, не может возникнуть полный импульс, который мог бы привести к воспламенению газа или другим рабочим состояниям, недопустимым на основании положений по взрывозащите.

Эта задача изобретения решается посредством защитной схемы, у которой, по меньшей мере, одно закорачивающее средство имеет закорачивающий полупроводниковый переключатель и детекторную схему для детектирования изменения потенциалов напряжения катушки, причем закорачивающий полупроводниковый переключатель активируется детекторной схемой. Следовательно, в решении согласно изобретению катушка электромагнита закорачивается с помощью закорачивающего полупроводникового переключателя с низким электрическим сопротивлением в течение интервалов времени, которые значительно короче, чем это достигается в безынерционных диодах, причем благодаря состоянию короткого замыкания или соответственно закорачивания индуктивной нагрузки с помощью быстро включающихся закорачивающих полупроводниковых переключателей эффективно предотвращается существенный возврат энергии в систему электроснабжения или к блоку питания.

Так как положения по взрывозащите требуют избыточного осуществления всех мер по защитному отключению, то все закорачивающие средства в одной из возможных конструкций могут соответственно иметь детекторную схему с закорачивающим полупроводниковым переключателем. Однако в дальнейшем одно из закорачивающих средств альтернативно могло бы быть образовано из безынерционного диода, и, по меньшей мере, одно или только одно из закорачивающих средств состоит из детекторной схемы с закорачивающими полупроводниковыми переключателями.

Изобретение позволяет в том числе реализовать то, что каждому отдельному электромагнитному актуатору придается защитная схема согласно изобретению, причем это требует обновления или соответственно дополнительного оснащения всех электромагнитных актуаторов. У подземных самозащищенных систем электроснабжения с обычными, например недооснащенными, электромагнитами может альтернативно или дополнительно, по меньшей мере, одно закорачивающее средство с закорачивающим полупроводниковым переключателем и детекторной схемой быть составной частью дополнительной схемы, причем эта дополнительная схема расположена предпочтительно в предвключенном приборе или подобном. Так как в подземных системах электроснабжения к общему блоку питания подключены несколько приборов управления, особенно предпочтительным является, когда каждому прибору управления придана дополнительная схема, в частности предвключенный прибор. Дополнительная схема или соответственно предвключенный прибор может, в частности, располагаться в цепи питания непосредственно перед или непосредственно позади прибора управления.

Другая, принципиальная проблема в подземных горных работах состоит в ограниченной мощности питания используемых блоков питания. Так, у блоков питания, разрешенных для использования в Германии, максимальный ток ограничен 2,2 А, в то время как в США разрешены блоки питания с силой тока 8 А. Для того чтобы все же можно было подключить к блоку питания большое количество электронных приборов управления, с помощью которых затем управляются электромагнитные актуаторы, является особенно предпочтительным, когда каждому электронному прибору управления придана схема ограничения тока. Схема ограничения тока может быть интегрирована в электронный прибор управления. Схема ограничения тока может альтернативно быть составной частью предвключенного прибора, в частности предвключенного прибора, содержащего дополнительную схему. Схема ограничения тока может, в частности, иметь дополнительный закорачивающий полупроводниковый переключатель и контрольную схему, которая активирует закорачивающий полупроводниковый переключатель схемы ограничения тока при достижении заданной силы тока, так что отключаются все электромагнитные актуаторы, подключенные к электронному прибору управления, если контрольная схема устанавливает превышение заданного потребления тока или силы тока всех электромагнитных актуаторов.

Детекторная схема для активации закорачивающего полупроводникового переключателя для закорачивания катушки предпочтительно имеет операционный усилитель, который, в частности, может быть выполнен как компаратор. В возможном примере осуществления изобретения операционный усилитель может быть выполнен с инвертором. Детекторная схема может, в частности, содержать транзистор с дополнительно подключенным нагрузочным резистором, который подключен к одному из выходов закорачивающего полупроводникового переключателя.

Закорачивающий полупроводниковый переключатель может, в частности, состоять из транзистора, причем конструкция схемы становится особенно простой с полевым транзистором. Закорачивающий полупроводниковый переключатель может, в частности, также состоять из тиристора. Далее является предпочтительным, если защитная схема в качестве отдельного электроснабжения имеет буферный накопитель, заряжаемый при подаче на катушку питающего напряжения блока питания. Буферный накопитель, который заряжается при активации катушки электромагнитного актуатора, также затем берет на себя энергоснабжение детекторной схемы, если разряд катушки осуществляется с помощью закорачивающего полупроводникового переключателя и, при необходимости, безынерционных диодов и отсутствует питающее напряжение блока питания. В предпочтительной форме выполнения этот отдельный буферный накопитель рассчитан, чтобы сохранять короткозамкнутое состояние закорачивающего полупроводникового переключателя так долго, пока катушка электромагнитного актуатора не разрядится полностью. Если, по меньшей мере, одно последующее закорачивающее средство состоит из безынерционного диода, буферный накопитель может быть соответственно выполнен небольшим. В предпочтительной форме выполнения буферный накопитель содержит конденсатор.

Дальнейшие преимущества и форма выполнения изобретения приведены в последующем описании примеров осуществления изобретения, схематически изображенных на чертежах. На чертежах показаны:

фиг.1 - на диаграмме схематично показана система энергоснабжения для электронных приборов управления с подключенными электромагнитными клапанами;

фиг.2 - защитная схема для катушки электромагнитного актуатора согласно первому примеру осуществления изобретения;

фиг.3 - защитная схема для катушки электромагнитного актуатора согласно второму примеру осуществления изобретения;

фиг.4 - пример осуществления изобретения для схемы ограничения тока, применяемой с изобретением.

На фиг.1 в общем схематически и только примерно изображена подземная самозащищенная система энергоснабжения. Система 10 энергоснабжения содержит самозащищенный и разрешенный для эксплуатации в подземных горных работах блок 1 питания в качестве источника постоянного тока, например с напряжением 12 вольт, к которому через сетевую линию 2 и сетевые ответвления 3 подключены несколько электронных приборов 4 управления, обеспечиваемых необходимой энергией. Каждый электронный прибор 4 управления может, например, быть придан подземной секции крепи и брать на себя все функции управления подземной секцией крепи. В электронных приборах 4 управления данного заявителя обычно с помощью каждого электронного прибора 4 управления управляют в общей сложности 16 электрогидравлическими клапанами 5 с возвратом пружины и электромагнитом 6 в качестве актуатора для клапана 5. К тому же каждый электромагнитный актуатор 6 электрически соединен с электронным прибором 4 управления через линию управления, причем в подземных горных работах принято предпринимать подключение через неизображенную планку управления клапаном. В имеющихся в настоящее время системах энергоснабжения с помощью блока питания 1 управляются восемь электронных приборов 4 управления с общей сложностью шестнадцатью подключенными электромагнитными клапанами 5, 6. Конструкция системы 10 энергоснабжения без дополнительно изображенных на фиг.1 защитных схем 20, и/или 40, и/или схемы 50 ограничения тока известны из уровня техники.

Согласно первому примеру осуществления изобретения каждому электромагнитному актуатору 6 электрогидравлического клапана 5 может быть придана защитная схема 20, для которой на фиг.2 и 3 изображены два возможных примера осуществления изобретения.

У примера осуществления изобретения для защитной схемы 20, изображенного на фиг.2, электромагнитный актуатор символически представлен только своей катушкой 11. В соответствии с переключаемым состоянием для электромагнитного актуатора 6 катушка электрически подключается через фазовые провода 12 или 13 к питающему напряжению блока питания, так что при подаче напряжения на катушку 11 электрогидравлический клапан (5, фиг.1) изменяет свое переключаемое состояние. Фазовый провод 12 изображен здесь как положительный провод +12 вольт, и фазовый провод 13 символически указан как заземляющий провод. В показанном примере осуществления изобретения - как принято в уровне техники, в качестве меры по обеспечению взрывозащиты для разъединения тока отключения индуктивной нагрузки катушки 11 включен, по меньше мере, один безынерционный диод 14 параллельно к катушке в качестве закорачивающего средства. Так как в подземных горных работах все защитные меры должны быть выполнены избыточно, параллельно к катушке подключен второй безынерционный диод 15. Более того, схема 20 содержит согласно изобретению в качестве следующего закорачивающего средства детекторную схему 30, подключенную параллельно к катушке 11, а также полевой транзистор 16 для закорачивания катушки 11, активируемый с помощью детекторной схемы 30 при изменении потенциалов. С помощью полевого транзистора 16 катушка 11 может быть закорочена в наикратчайший срок с низким электрическим сопротивлением, и тем самым предотвращается возврат энергии индуктивной нагрузки катушки 11 в фазовые провода 12, 13. На показанном примере осуществления изобретения детекторная схема 30 содержит операционный усилитель 31, который подключается параллельно к катушке через добавочный резистор 32. Энергоснабжение операционного усилителя 31 обеспечивается через конденсатор 33, который всегда заряжается, когда через катушку 11 протекает электрический ток, следовательно, активно включается электромагнитный актуатор, причем емкость конденсатора 33 рассчитана достаточной, чтобы снабжать операционный усилитель 31 рабочим напряжением, по меньшей мере, так долго, как необходимо, чтобы снизить остаточную энергию катушки 11 через безынерционные диоды 14, 15, полевой транзистор 16, а также дополнительный резистор 34, подключенный параллельно к катушке 11. Полевой транзистор 16 активируется через линию управления 35, так что он закорачивает катушку 11. Возврат тока из конденсатора 33 в фазовые провода 12 предотвращается стабилитронами 36, 37, и зарядное напряжение для конденсатора 33 регулируется добавочным резистором 38. При этом операционный усилитель 31 обнаруживает изменение потенциалов, приложенных на входах, причем изменение потенциалов может обуславливаться исключительно посредством энергии отключения катушки 11.

Фиг.3 показывает альтернативный пример осуществления изобретения защитной схемы 20А для катушки электромагнитного актуатора. Одинаковые по своим функциям элементы с примером осуществления изобретения согласно фиг.2 снабжены идентичными ссылочными обозначениями. В отличие от первого примера осуществления изобретения, операционный усилитель управляет здесь не полевым транзистором, а тиристором 16А, который, однако, как и полевой транзистор в предыдущем примере осуществления изобретения, закорачивает катушку 11 в наикратчайший срок с низким электрическим сопротивлением.

Описанные выше защитные схемы 20 или соответственно 20А приданы каждому электромагнитному актуатору 6, как это изображено на фиг.1. Использование, по меньшей мере, одного безынерционного диода гарантирует, что защитная схема выполнена с двух или трехкратным избытком с помощью закорачивающего полупроводникового переключателя, образованного из транзистора, полевого транзистора или тиристора. Однако соответствующая защитная схема должна быть придана каждому электромагнитному актуатору таким образом, чтобы соответствующие защитные схемы у существующих подземных систем для лав или подземных систем энергоснабжения не могли быть дооснащены.

У существующих систем энергоснабжения изобретение можно реализовать через защитную схему, указанную ссылочным обозначением 40, а также схему ограничения тока, указанную ссылочным обозначением 50. При этом как защитная схема 40 с детекторной схемой и закорачивающим полупроводниковым переключателем, так и схема 50 ограничения тока приданы каждому электронному прибору 4 управления, причем обе схемы 40, 50, например, могут быть встроены в предвключенный прибор 60 с помощью штепсельных соединений для линий 8, 9. Однако схема 50 ограничения тока может также быть непосредственной составной частью электронного прибора управления или подобного, так чтобы тогда только каждая защитная схема 40 располагалась в подходящем предвключенном приборе. Конструкция защитной схемы 40 может по существу соответствовать конструкции схемы согласно примеру осуществления изобретения на фиг.2 и 3, причем, тогда как детекторная схема, так и закорачивающий полупроводниковый переключатель выполнены, по меньшей мере, двукратно, чтобы в целом реализовать защитную схему с избыточностью. Параллельное включение детекторной схемы и закорачивающего полупроводникового переключателя происходит тогда также не к единственной катушке, а ко всем катушкам всех электромагнитных актуаторов электронного прибора управления.

Схема 50 ограничения тока может, например, иметь конструкцию схемы, показанную на фиг.4. Между обоими фазовыми проводами 12, 13 включена контрольная схема 51, которая содержит операционный усилитель 52, на одном входе которого, как изображено через сигнальный провод 53, приложено опорное напряжение U_ref, и на другом входе которого, как изображено через сигнальный провод 54, через резистор 55 приложено напряжение, которое зависит от потребления тока всех электрогидравлических клапанов, подключенных к приданному электронному прибору управления. В подземных горных работах ватт-часовая емкость каждого источника тока ограничена, так что максимально с каждого электронного прибора управления можно или разрешается одновременно управлять, например, пятью электрогидравлическими клапанами. Если некоторые из электрогидравлических клапанов находятся в состоянии тока удержания, то, естественно, количество становится соответственно выше. Напряжение, снятое на резисторе 55, соответствует общему потреблению тока всех дополнительно включенных электрогидравлических клапанов. Если теперь напряжение, приложенное на входе 54, превышает опорное напряжение U_ref на входе 53, то оно обнаруживается с помощью контрольной схемы 51, и операционный усилитель 52 активирует интегрированный в систему энергоснабжения закорачивающий полупроводниковый переключатель, здесь образованный транзистором 56. Следовательно, схема 50 ограничения тока препятствует, чтобы все электрогидравлические клапаны (5, фиг.1) или их электромагнитные актуаторы (6, фиг.1) вызывали более высокое потребление тока, чем это предварительно установлено посредством опорного напряжения U_ref. Изменением уровня опорного напряжения U_ref можно регулировать допустимое общее потребление тока.

Из предшествующего описания для специалиста понятны многочисленные модификации, которые должны подпадать под действие прилагаемых пунктов формулы изобретения. Вместо безынерционных диодов защитная схема могла бы быть также выполнена с помощью нескольких детекторных схем и приданных закорачивающих полупроводниковых переключателей. Схема ограничения тока может располагаться вместе или отдельно от детекторной схемы и закорачивающего полупроводникового переключателя. Эти схемы могли бы быть интегрированы в планку управления клапаном или подобное. В качестве схемы ограничения тока могут также находить применение другие известные системы коммутирования.

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении надежности и безопасности работы электромагнитных актуаторов. Защитная схема для самозащищенных электромагнитных актуаторов, приводимых в действие напряжением блока питания, разрешенного для использования для подземных горных работ для переключения электрогидравлических клапанов в подземных горных работах, содержит, по меньшей мере, два закорачивающих средства, выполненных отдельно друг от друга и подключенных параллельно к катушке электромагнитного актуатора для закорачивания катушки (11) при изменении потенциалов напряжения катушки. По меньшей мере, одно из закорачивающих средств имеет закорачивающий полупроводниковый переключатель (16) и детекторную схему (30) для детектирования изменения потенциалов, с помощью которой активируется закорачивающий полупроводниковый переключатель (16). 2 н. и 26 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Защитная схема для самозащищенных электромагнитных актуаторов, приводимых в действие напряжением блока питания, разрешенного для использования для подземных горных работ для переключения электрогидравлических клапанов в подземных горных работах, по меньшей мере, с двумя закорачивающими средствами, выполненными отдельно друг от друга и подключенными параллельно к катушке электромагнитного актуатора для закорачивания катушки при изменении потенциалов напряжения катушки, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно из закорачивающих средств имеет закорачивающий полупроводниковый переключатель (16; 16А) и детекторную схему (30) для детектирования изменения потенциалов, с помощью которой активируется закорачивающий полупроводниковый переключатель (16; 16А).

2. Защитная схема по п.1, отличающаяся тем, что все закорачивающие средства имеют детекторную схему с закорачивающим полупроводниковым переключателем.

3. Защитная схема по п.1, отличающаяся тем, что детекторная схема (30) имеет операционный усилитель (31).

4. Защитная схема по п.3, отличающаяся тем, что детекторная схема, в частности операционный усилитель, выполнена в виде компаратора.

5. Защитная схема по п.3, отличающаяся тем, что операционный усилитель выполнен с инвертором.

6. Защитная схема по п.1, отличающаяся тем, что детекторная схема содержит транзистор с дополнительным нагрузочным резистором, который подключен к входу закорачивающего полупроводникового переключателя.

7. Защитная схема по п.1, отличающаяся тем, что закорачивающий полупроводниковый переключатель состоит из транзистора.

8. Защитная схема по п.7, отличающаяся тем, что закорачивающий полупроводниковый переключатель состоит из полевого транзистора (16).

9. Защитная схема по п.1, отличающаяся тем, что закорачивающий полупроводниковый переключатель состоит из тиристора (16А).

10. Защитная схема по п.1, отличающаяся буферным накопителем (33), заряжаемым при протекании по катушке питающего напряжения блока питания (1) в качестве отдельного энергоснабжения для детекторной схемы (30).

11. Защитная схема по п.10, отличающаяся тем, что буферный накопитель (33) обеспечивает короткозамкнутое состояние закорачивающего полупроводникового переключателя до полного разряда катушки (11).

12. Защитная схема по п.10, отличающаяся тем, что буферный накопитель содержит конденсатор (33).

13. Защитная схема для самозащищенных подземных систем энергоснабжения с несколькими электронными приборами управления, подключенными к общему блоку питания, разрешенному для использования в подземных горных работах для активирования электромагнитных актуаторов, подключенных к устройствам управления и приводимых в действие напряжением блока питания для переключения электрогидравлических клапанов в подземных горных работах, причем каждому электромагнитному актуатору придано, по меньшей мере, одно закорачивающее средство, подключенное параллельно к катушке электромагнита для закорачивания катушки при изменении потенциалов напряжения катушки, отличающаяся тем, что защитная схема (20; 40) имеет, по меньшей мере, одно закорачивающее средство с закорачивающим полупроводниковым переключателем (16; 16А) и детекторной схемой (30) для детектирования изменения потенциалов, с помощью которой активируется закорачивающий полупроводниковый переключатель (16; 16А).

14. Защитная схема по п.13, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одно закорачивающее средство с закорачивающим полупроводниковым переключателем и детекторной схемой является составной частью дополняющей схемы (40, 50), причем дополняющая схема предпочтительно расположена в предвключенном приборе (60).

15. Защитная схема по п.13 или 14, отличающаяся тем, что каждому прибору управления, подключенному к блоку питания (1), придана дополняющая схема (40, 50), в частности предвключенный прибор.

16. Защитная схема по п.13, отличающаяся тем, что каждому электронному прибору (4) управления придана схема (50) ограничения тока.

17. Защитная схема по п.16, отличающаяся тем, что схема (50) ограничения тока имеет закорачивающий полупроводниковый переключатель (56) и контрольную схему (51), которая активирует закорачивающий полупроводниковый переключатель (56) при достижении предварительно установленной силы тока.

18. Защитная схема по п.15, отличающаяся тем, что схема (50) ограничения тока является составной частью предвключенного прибора (60).

19. Защитная схема по п.13, отличающаяся тем, что детекторная схема (30) имеет операционный усилитель (31).

20. Защитная схема по п.19, отличающаяся тем, что детекторная схема, в частности операционный усилитель, выполнена в виде компаратора.

21. Защитная схема по п.19, отличающаяся тем, что операционный усилитель выполнен с инвертором.

22. Защитная схема по п.13, отличающаяся тем, что детекторная схема содержит транзистор с дополнительным нагрузочным резистором, который подключен к входу закорачивающего полупроводникового переключателя.

23. Защитная схема по п.13, отличающаяся тем, что закорачивающий полупроводниковый переключатель состоит из транзистора.

24. Защитная схема по п.23, отличающаяся тем, что закорачивающий полупроводниковый переключатель состоит из полевого транзистора (16).

25. Защитная схема по п.13, отличающаяся тем, что закорачивающий полупроводниковый переключатель состоит из тиристора (16А).

26. Защитная схема по п.13, отличающаяся буферным накопителем (33), заряжаемым при протекании по катушке питающего напряжения блока питания (1) в качестве отдельного энергоснабжения для детекторной схемы (30).

27. Защитная схема по п.26, отличающаяся тем, что буферный накопитель (33) обеспечивает короткозамкнутое состояние закорачивающего полупроводникового переключателя до полного разряда катушки (11).

28. Защитная схема по п.26, отличающаяся тем, что буферный накопитель содержит конденсатор (33).