DE102005004554A1

DE102005004554A1 - Schutzbeschaltung für eigensichere Elektromagnetaktoren sowie Schutzbeschaltung für eigensichere Energieversorgungssysteme

Info

Publication number: DE102005004554A1
Application number: DE102005004554A
Authority: DE
Inventors: Jens Titschert; Achim Sondermann
Original assignee: DBT GmbH
Current assignee: Caterpillar Global Mining Europe GmbH
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2005-01-31
Publication date: 2006-08-10
Also published as: CN1829027B; AU2006200387B2; PL207708B1; RU2374734C2; PL378782A1; US20060181156A1; US7872846B2; AU2006200387A1; RU2006102642A; CN1829027A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschaltung 30 für eigensichere, mit der Spannung eines für den untertägigen Bergbau zugelassenen Netzteils betreibbare Elektromagnetaktoren zum Schalten von elektrohydraulischen Ventilen im untertägigen Bergbau, mit einer an ein erstes Potential 2 und ein zweites Potential 3 des Netzteils angeschlossenen Spule 11, der wenigstens zwei separat voneinander ausgeführte, parallel zur Spule 11 des Elektromagnetaktors geschaltete Kurzschlussmittel 12 zum Kurzschließen der Spule bei einer Potentialumkehrung der Spulenspannung zugeordnet sind. Erfindungsgemäß umfaßt die Schutzbeschaltung einen zwischen der Spule 11 und dem zweiten Potential 3 zwischengeschalteten Halbleiterschalter T3, der bei einer Spannungsminderung oder der Potentialumkehrung die Spule 11 von dem zweiten Potential trennt, so daß die Entladung der Spule 11 keine Rückwirkung auf das Energieversorgungssystem zeigt und die Eigensicherheit gefährdet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzbeschaltung für eigensichere, mit der Spannung eines für den untertägigen Bergbau zugelassenen Netzteils betreibbare Elektromagnetaktoren zum Schalten von elektrohydraulischen Ventilen im untertägigen Bergbau, mit einer an ein erstes Potential und ein zweites Potential des Netzteils angeschlossenen Spule, der wenigstens zwei separat voneinander ausgeführte, parallel zur Spule des Elektromagnetaktors geschaltete Kurzschlussmittel zum Kurzschließen der Spule bei einer Potentialumkehrung der Spulenspannung zugeordnet sind. Die Erfindung betrifft desweiteren auch eine Schutzbeschaltung für eigensichere, untertägige Energieversorgungssysteme mit mehreren an die Versorgungsleitungen eines gemeinsamen, für den untertägigen Bergbau zugelassenen Netzteils angeschlossenen elektronischen Steuergeräten zum Aktivieren von jeweils an die Steuergeräte angeschlossenen, mit der Spannung des Netzteils betreibbaren Elektromagnetaktoren zum Schalten von elektrohydraulischen Ventilen im untertägigen Bergbau, wobei zu jeder an ein erstes Potential und ein zweites Potential des Netzteils angeschlossenen Spule der Elektromagnetaktoren wenigstens ein Kurzschlussmittel zum Kurzschließen der Spule bei einer Potentialumkehrung der Spulenspannung parallel geschaltet ist.

Im untertägigen Bergbau kommen zur Initiierung der hydraulischen Bewegungsvorgänge, welche meist mit Hydraulikzylindern oder Hydraulikstempeln bewirkt werden, eine Vielzahl von Elektromagnetaktoren zum Einsatz, mit denen dann elektrohydraulische Ventile für die Hydraulikzylinder geschaltet werden. Insbesondere die Vielzahl der zu schaltenden elektrohydraulischen Ventile, wie sie beispielsweise im schreitenden Schildausbau vorkommen, stellt erhebliche Anforderungen an die Netzteile und das bereitzustellende untertägige Energieversorgungssystem, wobei gleichzeitig sowohl die Netzteile als auch die Energieversorgungssysteme eigensicher ausgeführt sein müssen und sämtlichen Anforderungen an Explosionsschutz und/oder anderen Zündschutzarten genügen müssen. Da dies eine Begrenzung der mit den Netzteilen zur Verfügung stellbaren elektrischen Anschlußwerte bedingt, ist es im untertägigen Bergbau üblich, die Elektromagnetaktoren mit Haltestromabsenkung auszuführen. Gleichzeitig erfordern die großen induktiven Lasten innerhalb der eigensicheren Energieversorgungssysteme besondere Schutzmaßnahmen, um zu gewährleisten, dass die Zündschutzbestimmungen eingehalten werden.

Ein bekanntes Problem bei Elektromagnetaktoren mit bestromten Spulen bildet ein Restenergieimpuls aufgrund der Abschaltenergie der induktiven Last. Als Gegenmaßnahme werden bisher im untertägigen Bergbau sämtliche Elektromagnetaktoren mit wenigstens zwei meist von Freilaufdioden gebildeten Kurzschlussmitteln versehen, welche bei einer Potentialumkehr der Spulenspannung die Spule kurzschließen, um jedenfalls die Spannungsspitzen der Abschaltenergie bzw. des Restenergieimpulses zu vermeiden. Das beim Abschalten der Spule zusammenbrechende Magnetfeld induziert eine Spannung an der Spule, deren Polarität umgekehrt zur Anschlußspannung ist, und dieser Polaritätswechsel, nachfolgend verallgemeinert mit Potentialumkehrung bezeichnet, entsperrt die Freilaufdiode, so dass durch diese ein Strom fließt, mit dem das Magnetfeld der Spule abgebaut wird.

In untertägigen Energieversorgungssystemen mit einer Vielzahl von gleichzeitig zu schaltenden Elektromagnetaktoren kann jedoch, beispielsweise bei einem Kabelabriss o. dgl., selbst der durch Frei laufdioden verminderte Restenergieimpuls der Abschaltenergie zu einem Gesamtimpuls führen, der aufgrund der Zündschutzbestimmungen nicht zugelassen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schutzbeschaltung für Elektromagnetaktoren bzw. für untertägige, eigensichere Energieversorgungssysteme zu schaffen, bei der selbst bei ungünstigsten Bedingen wie einem Kabelabriss oder Stromausfall od. dgl. kein Gesamtimpuls entstehen kann, der zu einer Gasentzündung oder anderen, aufgrund von Zündschutzartbestimmungen unzulässigen Betriebszuständen führen könnte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schutzbeschaltung gelöst, bei der zwischen der Spule und dem zweiten Potential ein Halbleiterschalter zwischengeschaltet ist, der bei der Potentialumkehrung oder einer Spannungsminderung, die als Referenzwert für eine auftretende Potentialumkehrung herangezogen wird, die Spule von dem zweiten Potential trennt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird mittels eines Halbleiterschalters, der im Normalzustand bzw. Ausgangszustand dauerhaft eingeschaltet ist und einen Stromfluß zuläßt, bei Auftreten von Irregularitäten wie z.B. einer übermäßigen Spannungsminderung oder einer Potentialumkehrung, verhindert, daß die in den Spulen gespeicherte Energie überhaupt in die Versorgungsleitungen bzw. Potentialleitungen des Netzteils oder des untertägigen Energieversorgungssystems zurückfließen kann. Durch das Trennen der Spulen vom zweiten Potential werden Rückwirkungen der induktiven Ladung der Spulen auf das gesamte Energieversorgungssystem ausgeschlossen. Die induktiven Lasten werden dann von den Kurzschlußmitteln, die – wie bekannt – insbesondere aus Freilaufdioden bestehen können, abgeworfen und abgebaut, ohne daß die Eigensicherheit des Elektromagnetaktors bzw. des gesamten Energieversorgungssystems beeinträchtigt ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Halbleiterschalter in Reihe zu den Kurzschlußmitteln und der Spule geschaltet sein und diese gemeinsam vom Anschluß an das zweite Potential des Netzteils trennen. Besonders vorteilhaft ist dann, wenn der Halbleiterschalter ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor ist, dessen Basis oder Gate mit dem ersten Potential verbunden ist. Im untertägigen Bergbau ist üblicherweise das zweite Potential das Ground-Potential und das erste Potential z.B. ein 12V-Potential. Bei einem externen Abschalten des Ground(GND)-Potentials beginnt die Spule sich zu entladen. Dies erfolgt über die parallel geschalteten Kurzschlußmittel wie insbesondere eine bzw. mehrere Freilaufdiode(n). Durch den Spannungsabfall über die Freilaufdioden wird die Spannung auf der Spulenseite, die normalerweise mit GND-Potential verbunden ist, größer als die Spannung auf der 12V – Seite. Da dem durchgeschalteten Kanal des Transistors durch Trennen der Verbindung zum GND – Potential nun sein Null-Potential fehlt, wird die Spannung an den Drain und Source bzw. Emitter und Kollektor – Kontakten des den Halbleiterschalter bildenden Transistors auf das in Relation zu der z.B. 12V-Versorgung erhöhte Spannungspotential, dass auf dieser Seite der Spule vorherrscht, angehoben. Da gleichzeitig die GATE – bzw. Basisspannung des Transistors mit der 12V – Seite verbunden ist, sperrt der Transistor nun automatisch den Stromfluss. Somit kann die gespeicherte Energie der Spule nicht mehr zu den äußeren Anschlüssen des Elektromagnetaktors gelangen und hat so keine Rückwirkung mehr auf das angeschlossene Energieversorgungssystem.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann der Halbleiterschalter mittels einer parallel zur Spule geschalteten Detektierschaltung zur Detektion der Potentialumkehrung oder der Spannungsminderung angesteuert sein. Zweckmäßigerweise umfaßt die Detektierschaltung einen Operationsverstärker, insbesonde re einen Komparator, über den bei Auftreten eines Potentialwechsels oder Übersteigen einer Komparatorschwelle an den Eingängen des Komparators bzw. Operationsverstärkers der Halbleiterschalter angesteuert wird, die Spule vom zweiten Potential zu trennen. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterschalter vorzugsweise ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor, dessen Basis oder Gate mit dem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist. Der Komparator dient zur frühzeitigen Erkennung bzw. Ermittlung des Moments der Polaritätsumkehr an der Spule, welche Polaritätsumkehr durch eine externe GND-Abschaltung verursacht wird, und die Schutzbeschaltung benutzt dann wiederum einen Transistor, der ansonsten dauerhaft eingeschaltet ist und Stromfluss zuläßt, um im richtigen Moment die Spule vom GND-Potential zu trennen und somit die innere gespeicherte Energie der Magnetspule nicht mehr an die äußeren Anschlüsse des Magnetventils durchzulassen sondern nur über die parallel geschalteten Freilaufdioden od. dgl. abzuwerfen. Anstelle der Polaritätsumkehrung kann auch eine überproportionale oder übermäßige, d.h. größer als der Komparatorschwellwert ausfallende Spannungsminderung detektiert werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die mit dem Operationsverstärker oder Komparator versehene Schutzbeschaltung einen bei Bestromung der Spule mit der Versorgungsspannung des Netzteils aufladbaren Energiepufferspeicher als separate Energieversorgung für die Detektierschaltung aufweist. Der Energiepufferspeicher, der sich bei Aktivieren der Spule des Elektromagnetaktors auflädt, übernimmt die Energieversorgung der Detektierschaltung auch dann, wenn die Versorgungsspannung des Netzteils wegfällt und die Entladung der Spule mittels der Kurzschlussmittel bewirkt wird. Der Energiepufferspeicher kann insbesondere einen Kondensator umfassen.

Die Erfindung lässt sich u.a. dadurch realisieren, daß jedem einzelnen Elektromagnetaktor eine erfindungsgemäße Schutzbeschaltung zugeordnet wird, wobei dies eine Erneuerung bzw. Nachrüstung sämtlicher im untertägigen System vorhandener Elektromagnetaktoren erfordert. Bei untertägigen, eigensicheren Energieversorgungssystemen mit konventionellen, z.B. nicht mit besonderer Schutzbeschaltung nachgerüsteten Elektromagneten kann stattdessen jedem Steuergerät eine Gruppenschutzbeschaltung zugeordnet werden, die jeweils einen Halbleiterschalter aufweist, der zwischen dem zweiten Potential und sämtlichen Spulen, die diesem Steuergerät zugeordnet sind, zwischengeschaltet ist, wobei der Halbleiterschalter bei Auftreten der Potentialumkehrung den Anschluß dieser Spulen von dem zweiten Potential trennt. Zweckmäßigerweise ist dem Halbleiterschalter ein mit der Spannung des Netzteils aufladbarer Kondensator od. dgl. zugeschaltet, mit dem bei einer Potentialumkehrung an wenigstens einer der Spulen die zum Schalten des Halbleiterschalters notwendige Spannungsdifferenz aufrechterhalten wird.

Ein weiteres, grundsätzliches Problem im untertägigen Bergbau besteht in der begrenzten Versorgungsleistung der verwendeten Netzteile. So ist bei in Deutschland zugelassenen Netzteilen der maximal zur Verfügung stellbare Strom auf etwa 2,2 Ampere begrenzt, während in den USA Netzteile mit immerhin 8 Ampere zugelassen sind. Um gleichwohl an ein Netzteil eine Vielzahl von elektronischen Steuergeräten, mit denen dann die Elektromagnetaktoren angesteuert werden, anschließen zu können, ist besonders vorteilhaft, wenn jedem elektronischen Steuergerät eine Strombegrenzungsschaltung zugeordnet ist. Die Strombegrenzungsschaltung kann z.B. in das elektronische Steuergerät bzw. eine dieses bildende intelligente Ventilansteuerleiste od. dgl. integriert werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Strombegrenzungsschaltung eine Überwachungsschaltung aufweist, die den bzw. einen Halbleiterschalter bei Erreichen einer voreingestellten, momentanen Stromaufnahme ansteuert, um den Anschluß aller mit der Überwachungsschaltung überwachten Spulen an das zweite Potential zu trennen. Zweckmäßigerweise bildet der Halbleiterschalter der Strombegrenzungsschaltung zugleich auch den Halbleiterschalter der Trennschaltung für das zweite Potential. Die Überwachungsschaltung kann vorteilhafterweise einen Operationsverstärker, insbesondere einen Komparator, aufweisen, der den Halbleiterschalter bei Auftreten eines Potentialwechsels an den Eingängen des Operationsverstärkers ansteuert, um die Spannungs- und Stromversorgung aller Spulen zu unterbrechen.

Auch hier kann der Halbleiterschalter insbesondere aus einem Transistor, zweckmäßigerweise einem Feldeffekttransistor (FET) bestehen. In einer vorteilhaften Realisierung der Schaltung können der Ausgang des Operationsverstärkers und der Kondensator an die Basis oder den Gate des Halbleiterschalters angeschlossen sein.

Wie weiter oben bereits dargelegt bildet das zweite Potential vorzugsweise das Ground-Potential des Netzteils bzw. Energieversorgungssystems und der Halbleiterschalter trennt den Anschluß an das Ground-Potential elektronisch auf, da bei den im untertägigen Bergbau eingesetzten Vorrichtungen alle gewollten externen Schaltvorgänge im Ground-Anschluß durchgeführt werden. Ferner bestehen die Kurzschlußmittel vorzugsweise aus Freilaufdioden.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zei- gen:
1 schematisch in einem Schaltungsdiagramm ein untertägiges Energieversorgungssystem für elektronische Steuergeräte mit angeschlossenen, konventionellen Elektromagnetventilen sowie einer jedem Steuergerät zugeordneten Schutzbeschaltung;
2 eine Schutzbeschaltung für jede Spule eines Elektromagnetaktoren für den Untertagebergbau gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; und
3 eine Schutzbeschaltung für jede Spule eines Elektromagnetaktoren gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
In 1 ist insgesamt mit Bezugszeichen 10 schematisch in einem Schaltungsdiagramm ein untertägiges, eigensicheres Energieversorgungssystem dargestellt. Das Energieversorgungssystem 10 umfaßt ein eigensicheres und für den Betrieb im untertägigen Bergbau zugelassenes Netzteil 1 als 12Volt-Gleichstromquelle mit einem ersten Potential 2, an dem +12Volt-Potential ansteht, und einem zweiten Potential 3 als Masseleiter, nachfolgend als GND-Potential bezeichnet. Sowohl das erste 12V-Potential 2 als auch das zweite, GND-Potential 3 wird über Verzweigungsleitungen 4 bzw. 5 und jeweils zu einem elektronischen Steuergerät 6 führende Versorgungsleitungen 7 bzw. 8 und Potentialleitungen 7A, 8A sämtlichen Verbrauchern 9 im untertägigen Energieversorgungssystem 10 zugeführt. Als Verbraucher sind hier an jedes elektronische Steuergerät 6 eine Mehrzahl von konventionellen elektrohydraulischen Ventilen 9 angeschlossen, wobei jedes elektrohydraulische Ventil 9 eine Spule 11 als induktive Last und Elektromagnetaktor sowie wenigstens eine, parallel zur Spule 11 geschaltete Freilaufdiode 12 als Kurzschlußmittel zum Kurzschließen der Spule 11 umfaßt. Gleichzeitig sind im Energieversorgungssystem 10 an jedes Netzteil 1 eine Vielzahl von elektronischen Steuergeräten 6 parallel zueinander je weils über die Versorgungsleitungen 7 bzw. 8 angeschlossen. Die Spulen 11 aller Elektromagnetventile 9 sind derart über die Potentialleitungen 7A, 8A an die Versorgungsleitungen 7 und 8 angeschlossen, daß jede Spule 11 in Abhängigkeit von dem Schaltzustand beispielsweise im elektronischen Steuergerät 6 kurzfristig mit der vollen Spannung des Netzteils 1, d.h. der Spannung zwischen dem +12Volt-Potential 2 und dem GND-Potential 3, beaufschlagt ist, um durch Magnetisierung der Spule 11 den Schaltzustand des Elektromagnetaktors des elektrohydraulischen Ventils 9 zu steuern und zu ändern. Es versteht sich, daß für jede Spule wenigstens eine separate Potentialleitung 7A, 8A vorhanden ist. Da dies dem Fachmann für Elektromagnetaktoren bekannt ist, wird hierauf nachfolgend nicht weiter eingegangen.
An jedes elektronische Steuergerät 6, welches auch aus einer intelligenten Ventilansteuerleiste od. dgl. bestehen oder diese umfassen könnte, ist eine Anzahl an elektrohydraulischen Ventilen 9 mit Spulen 11 angeschlossen, wobei diese Anzahl auf die Eigensicherheit des Netzteils 1 und des Energieversorgungssystems 10 abgestimmt ist. Die zulässige Anzahl wird durch die maximal zulässige induktive Last sämtlicher Spulen 11 aller Elektromagnetaktoren bestimmt. Erfindungsgemäß ist nun jedem dieser elektronischen Steuergerät 6 eine Schutzbeschaltung 20 zugeordnet, welche hier einen als Feldeffekttransistor FET ausgeführten Transistor T1 umfaßt, der in die Versorgungsleitung 8, die an das GND-Potential 3 des Netzteils 1 angeschlossen ist, derart zwischengeschaltet ist, daß er zwischen den GND potentialseitigen Anschlüssen der Spule 11 und dem besagten GND-Potential 3 des Netzteils bzw. Energieversorgungssystems 10 liegt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist jede Schutzbeschaltung 20 zwischen dem elektronischen Gerät 6 und dem Netzteil 1 angeordnet und den Versorgungsleitungen 7, 8 zugeordnet. Die Schutzbeschaltung 20 umfaßt im gezeigten Ausführungsbeispiel zusätzlich noch eine insgesamt mit Bezugszeichen 21 bezeichnete Strombegrenzerschaltung, welche einen Komparator 22 als we sentliches Bauteil einer Überwachungsschaltung aufweist, die den Gate des Transistor T1 für die Funktion als Strombegrenzungsschaltung 21 ansteuert. Über einen einfachen Spannungsteiler mittels der Widerstände R1 und R2 liegt am einen Eingang des Komparators 22 eine Referenzspannung U_ref an, während am anderen Eingang des Komparators 22 ein Spannungsabfall anliegt, der durch den Widerstand R3, welcher in die mit dem GND-Potential verbundene Versorgungsleitung 8 eingeschaltet ist, verursacht wird. Der Spannungsabfall im GND-Potential am Widerstand R3 hängt von der Stromaufnahme sämtlicher dem Steuergerät 6 zugeordneter und momentan geschalteter Spulen 11 ab. Übersteigt nun der Spannungsabfall am Widerstand R3 die am anderen Eingang des Komparators 22 anliegende Referenzspannung U_ref, wird der Transistor T1 über den zwischengeschalteten Widerstand R4 angesteuert, so daß der Transistor T1 den Stromfluß durch die Versorgungsleitung 8 abschaltet. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß maximal die Anzahl an elektrohydraulischen Ventilen 9, die an ein Steuergerät 6 angeschlossen sind und noch eigensicher betrieben werden können, gleichzeitig geschaltet werden kann. Falls das Steuergerät 6 versucht, mehr Spulen 11 bzw. Elektromagnetaktoren gleichzeitig einzuschalten, wird die gesamte Last durch den Transistor T1 abgeschaltet. Die Schutzbeschaltung 20 mit der Strombegrenzungsschaltung 21 bewirkt mithin, daß immer nur eine eigensichere Anzahl an Magnetspulen 11 je Schutzbeschaltung 20 eingeschaltet werden kann.
Mit dem Transistor T1 wird gleichzeitig gewährleistet, daß jede mittels der Strombegrenzungsschaltung 21 einer Schutzbeschaltung 20 hinsichtlich der Stromaufnahme abgesicherte Gerätegruppe nicht bei einem externen bzw. ungewollten Abschaltvorgang ihre induktiven Lasten in das Energieversorgungssystem 10 abführen kann und dort einen hinsichtlich Eigensicherheit unzulässigen Betriebszustand bewirken kann. Dies wird mittels desselben Transistors T1 und dem Kondensator C1, der an das Gate des Transistors T1 angeschlossen ist, gewährleistet. Im Moment des Trennens der GND- Verbindung 8 zwischen Transistor T1 und dem Netzteil 1 wird das Spannungspotential aufgrund der in den Spulen 11 gespeicherten Spannung auf der ehemals mit dem GND-Potential 3 verbundenen Seite der Spule 11 auf einen Wert ansteigen, der deutlich oberhalb der +12Volt-Versorgungsspannung des Potentials 2 des Netzteils liegt. Der mit der Gate-Ansteuerung des Abschalt-Transistors T1 verbundene Kondensator C1 hält in diesem Moment die vormals vorhandene Spannungsdifferenz für kurze Zeit aufrecht und drückt so die Gate-Spannung des Feldeffektivtransistors T1 unterhalb des an dessen Drain- und Sourceanschlüssen vorherrschenden höheren Spannungspotentials. Hierdurch trennt der Transistor T1 automatisch die der jeweiligen Schutzbeschaltung 20 nachgeschalteten Spulen 11 der elektrohydraulischen Ventile 9 von den äußeren Anschlüssen bzw. Leitungen 7, 8 bzw. 4, 5 des Energieversorgungssystems ab, so daß keine Rückwirkung mehr auf das gesamte angeschlossene Energieversorgungssystem 10 auftreten kann. Mit der Schutzbeschaltung 20, umfassend die Strombegrenzungsschaltung 21 und den Trenn-Transistor T1, können mithin im Prinzip beliebig viele abgesicherte Gerätegruppen parallel an einem eigensicheren Netzteil 1 betrieben werden. Wird allerdings der Transistor T1 einmal abgeschaltet, kann er solange nicht wieder eingeschaltet werden, bis die Verbindung zum GND-Potential 3 des Netzteils 1 der Stromversorgung wieder hergestellt ist.
Die unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Schutzbeschaltung 20 ist insbesondere anwendbar, wenn im Energieversorgungssystem 10 Elektromagnetventile 9 mit konventionellen Elektromagnetaktoren eingesetzt werden, bei welchem also jeder Spule 11 wenigstens eine Freilaufdiode 12 od. dgl. als Kurzschlußmittel zugeordnet ist. Aufgrund der im untertägigen Bergbau bestehenden Redundanz-Anforderungen sind hierbei normalerweise jeder Spule 11 wenigstens zwei Freilaufdioden 12 zugeordnet.
Die 2 und 3 zeigen nun Ausführungsbeispiele, die eine Umrüstung aller in den untertägigen Energieversorgungssystemen eingesetzten Elektromagnetventile erfordern und mittels diesen zugeordneten, erfindungsgemäßen Schutzbeschaltung 30 bzw. 50 realisiert werden können. In beiden Ausführungsbeispielen ist zur Vereinfachung der Beschreibung nur die Spule als einziges Bauteil der Elektromagnetaktoren der elektrohydraulischen Ventile dargestellt und mit Bezugszeichen 11 bezeichnet. Zwei parallel zur Spule 11 geschaltete Freilaufdioden sind mit Bezugszeichen 12 versehen und das +12-Potential eines Netzteils ist mit Bezugszeichen 2 und das GND-Potential mit Bezugszeichen 3 bezeichnet.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfaßt die Schutzbeschaltung 30 einen Feldeffekttransistor T2 als Halbleiterschalter, an dessen Gate-Ansteuerung der Ausgang eines Komparators 31 einer parallel zur Spule 11 geschalteten Detektierschaltung 32 anliegt, um über die mittels der Vorwiderstände R6 und R7 eingestellten Komparatorschwellen eine Potentialumkehr an der Spule 11 festzustellen. Bei Detektion der Potentialumkehr bzw. einer übermäßigen Spannungsminderung aufgrund eines Potentialwechsels an den Eingängen des Komparators 31 wird der Transistor T2 derart geschaltet, daß er den GND-seitigen Anschluß der Spule 11 vom GND-Potential 3 des Netzteils trennt. Die Energieversorgung des Komparators 31 der Detektierschaltung 32 wird mittels eines Kondensators C2 als Energiepufferspeicher selbst bei kurzfristiger Abkopplung der Spule 11 vom Netzteil gewährleistet, wobei der Kondensator C2, abgesichert durch die Zehnerdioden 33, 34 und den Vorwiderstand R5, immer geladen wird, sobald Spannung an der Spule 11 anliegt. Der Kondensator C2 hält den Schaltzustand des Komparators 31 trotz des Spannungswegfalls der externen Spannungsversorgung aufrecht, um die Trennung der induktiven Last der Spule 11 vom GND-Potential 3 zu gewährleisten. Die induktive Last der Spule 11 baut sich dann, wie bekannt, über die Freilaufdioden 12 als Kurzschlußmittel ab.
3 zeigt eine noch weiter vereinfachte Schutzbeschaltung 40 mit einem wiederum als Feldeffekttransistor T3 ausgeführten Halbleiterschalter, der in Serienschaltung mit dem Paket aus Spule 11 und parallel geschalteten Freilaufdioden 12 angeordnet ist und zwischen dem GND-seitigen Anschluß des Pakets aus Spule 11 und Freilaufdioden 12 und dem GND-Potential 3 zwischengeschaltet ist. Bei einer externen Abschaltung des GND-Potentials beginnt die Spule 11 sich zu entladen. Dies erfolgt über die Freilaufdioden 12. Durch den Spannungsabfall über die Freilaufdioden 12 wird die Spannung auf der GND-Potential-Spulenseite größer als die Spannung auf der +12V-Potential-Spulenseite. Da dem durchgeschalteten N-Kanal des Feldeffekttransistors T3 durch Trennen der GND-Verbindung nun sein Null-Potential fehlt, wird die Spannung an den Drain- und Sourcekontakten des Transistors T3 auf das in Relation zu der 12Volt-Versorgung erhöhte Spannungspotential, das auf dieser Seite der Spule 11 vorherrscht, angehoben. Da die Gate-Spannung des Transistors T3 über die Anschlußleitung 41 mit dem +12Volt-Potential 2 verbunden ist, sperrt der Transistor T3 nun automatisch den Stromfluß, d.h. trennt die Spule relativ zum GND-Potential 3, so daß die in der Spule 11 gespeicherte Energie nicht mehr zu den äußeren Anschlüssen des Magnetventils gelangen kann.
Für den Fachmann ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung zahlreiche Modifikationen, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen sollen. Anstelle von Feldeffekttransistoren (FET) könnten auch normale NPN-Transistoren od. dgl. Verwendung finden. Die in der Beschreibung erwähnten Potentialspannungen sind nur beispielhaft und für die Verhältnisse im deutschen untertägigen Bergbau üblich. Die Strombegrenzerschaltung könnte auch auf vielfältige andere Weise realisiert werden. Gleiches gilt für die Bildung der Referenzspannung, welche präziser durch einen Referenzspannungsregler wie z.B. eine Zehnerdiode eingestellt werden könnte.

Claims

Schutzbeschaltung für eigensichere, mit der Spannung eines für den untertägigen Bergbau zugelassenen Netzteils betreibbare Elektromagnetaktoren zum Schalten von elektrohydraulischen Ventilen im untertägigen Bergbau, mit einer an ein erstes Potential und ein zweites Potential des Netzteils angeschlossenen Spule, der wenigstens zwei separat voneinander ausgeführte, parallel zur Spule des Elektromagnetaktors geschaltete Kurzschlussmittel zum Kurzschließen der Spule bei einer Potentialumkehrung der Spulenspannung zugeordnet sind, gekennzeichnet durch einen zwischen der Spule (11) und dem zweiten Potential (3) zwischengeschalteten Halbleiterschalter (T1, T2, T3), der bei einer Spannungsminderung oder der Potentialumkehrung die Spule (11) von dem zweiten Potential trennt.
Schutzbeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (T3) in Reihe zu den Kurzschlußmitteln (12) und der Spule (11) geschaltet ist und diese gemeinsam vom Anschluß an das zweite Potential (3) des Netzteils trennt.
Schutzbeschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter ein Transistor, insbesondere eine Feldeffekttransistor (T3) ist, dessen Basis oder Gate mit dem ersten Potential (2) verbunden ist.
Schutzbeschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter (T2) mittels einer parallel zur Spule (11) geschalteten Detektierschaltung (32) zur Detektion der Potentialumkehrung oder einer Spannungsminderung angesteuert ist.
Schutzbeschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektierschaltung (32) einen Operationsverstärker, insbesondere einen Komparator (31) aufweist, über den bei Auftreten eines Potentialwechsels oder einer Spannungsminderung an den Eingängen des Operationsverstärkers der Halbleiterschalter (T2) zum Trennen der Spule vom zweiten Potential angesteuert wird.
Schutzbeschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor (T2) ist, dessen Basis oder Gate mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (31) verbunden ist.
Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch einen bei Bestromung der Spule mit der Versorgungsspannung des Netzteils aufladbaren Energiepufferspeicher (C2) als separate Energieversorgung für die Detektierschaltung (32).
Schutzbeschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiepufferspeicher einen Kondensator (C2) umfasst.
Schutzbeschaltung für eigensichere, untertägige Energieversorgungssysteme mit mehreren an die Versorgungsleitungen eines gemeinsamen, für den untertägigen Bergbau zugelassenen Netzteils angeschlossenen elektronischen Steuergeräten zum Aktivieren von jeweils an die Steuergeräte angeschlossenen, mit der Spannung des Netzteils betreibbaren Elektromagnetaktoren zum Schalten von elektrohydraulischen Ventilen im untertägigen Bergbau, wobei zu jeder an ein erstes Potential und ein zweites Potential des Netzteils angeschlossenen Spule der Elektromagnetaktoren wenigstens ein Kurzschlussmittel zum Kurzschließen der Spule bei einer Potentialumkehrung der Spulenspannung parallel geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Steuergerät (6) eine Schutzbeschaltung (20) zugeordnet ist, die einen Halbleiterschalter (T1) aufweist, der zwischen dem zweiten Potential (3) und den Spulen (11), die diesem Steuergerät (6) zugeordnet sind, zwischengeschaltet ist und der bei einer Spannungsminderung oder der Potentialumkehrung den Anschluß dieser Spulen (11) von dem zweiten Potential (3) trennt.
Schutzbeschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Halbleiterschalter (T1) ein mit der Spannung des Netzteils aufladbarer Kondensator (C1) od. dgl. zugeschaltet ist, mit dem bei einer Potentialumkehrung oder Spannungsminderung an wenigstens einer der Spulen (11) die zum Schalten des Halbleiterschalters (T1) notwendige Spannungsdifferenz aufrechterhalten wird.
Schutzbeschaltung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine jedem Steuergerät (6) zugeordnete Strombegrenzungsschaltung (21).
Schutzbeschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (21) eine Überwachungsschaltung aufweist, die den/einen Halbleiterschalter (T1) bei Erreichen einer voreingestellten Stromstärke ansteuert, um den Anschluß aller Spulen an das zweite Potential zu trennen.
Schutzbeschaltung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungsschaltung einen Operationsverstärker, insbesondere einen Komparator (22) aufweist, der den Halbleiterschalter (T1) bei Auftreten eines Potentialwechsels an den Eingängen des Operationsverstärkers ansteuert, um die Spannungs- und Stromversorgung aller Spulen zu unterbrechen.
Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor (T1) ist.
Schutzbeschaltung nach Anspruch 10, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (22) und der Kondensator an die Basis oder den Gate des Halbleiterschalters (T1) angeschlossen sind.
Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Potential (3) das Ground-Potential ist.
Schutzbeschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurzschlußmittel aus Freilaufdioden (12) bestehen.