DE3906621C1 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine eigensichere Strom
versorgungseinheit, insbesondere für den Strebausbau im
Bergbau, mit einem Transformator, einem an diesem ange
schlossenen Gleichrichter, einer am Gleichspannungsausgang
der Gleichrichters angeschlossenen Widerstandsbeschaltung
zur Strombegrenzung sowie einer aus parallel geschalteten
Spannungsbegrenzern bestehenden, die Ausgangsspannung
konstant haltenden, Zenerdioden aufweisenden Spannungsbe
grenzerschaltung.
Eine derartige Stromversorgungseinheit ist aus der DE-Z-
"ETZ-B", Bd. 25, 1973, Heft 3, Seiten 50 bis 54, bekannt,
wobei allerdings hier die spezielle Verwendung für den
Strebausbau im Untertage-Bergbau nicht beschrieben ist.
Bei dem Transformator der bekannten Stromversorgungseinheit
handelt es sich um einen Trenntransformator nach VDE 0550/
0551 und 0170/0171, und die Widerstandsbeschaltung besteht
aus lediglich einem in der Plus-Leitung angeordneten Wider
stand. Ferner besitzt die Spannungsbegrenzerschaltung zwei
parallele, aus jeweils einer zwischen die Plus-Leitung und
die Minus-Leitung geschalteten Zenerdiode bestehende Span
nungsbegrenzer. Aufgrund dieses Aufbaus eignet sich diese
eigensichere Stromversorgungseinheit aber nur für sehr ge
ringe Leistungen, d.h. für die elektrische Meß-, Steuer-
und Regelungstechnik.
Nun werden aber gerade in ex-geschützten Bereichen des
Bergbaus eigensichere Stromversorgungseinheiten benötigt,
an die mehrere Verbraucher angeschlossen werden sollen, und
die daher eine erhöhte Ausgangsleistung im eigensicheren
Bereich gewährleisten müssen. Dies kann mit der bekannten
Schaltung jedoch nicht erreicht werden, da die Strom- und
Spannungsbegrenzer sonst aufgrund der auftretenden erhöhten
Verlustwärme thermisch zerstört würden. Zudem müßte auf
grund von netzseitig auftretenden und sich über den Trans
formator sekundärseitig fortsetzenden Spannungsschwankungen
stets ein großer "Abstand" von der Grenze der Eigensicher
heit (Strom-/Spannungsverhältnis) eingehalten werden, um
nicht durch einen innerhalb des Schwankungsbereichs der
Spannung auftretenden, maximalen Spannungsanstieg die
Grenze zu überschreiten und in den nicht mehr eigensicheren
Bereich zu geraten. Hierdurch ist folglich der zur Verfü
gung stehende Leistungsbereich insbesondere für die genann
te Anwendung im Bergbau zu klein.
Weiterhin ist die bekannte Schaltung aber auch insofern
nicht für die Anwendung im Bergbau geeignet, als Anlagen im
Bergbau stets auf "schwebendem Potential" gehalten werden,
was bedeutet, daß keiner der stromführenden Leiter mit Erde
oder Masse verbunden werden darf. Für Erdungszwecke wird
daher stets ein gesonderter Erdleiter mitgeführt. Würde
nun bei Verwendung der bekannten Stromversorgungseinheit -
beispielsweise bei einer mechanischen Beschädigung eines
Kabels - ein Kurzschluß einer der stromführenden Leitungen
gegen den Erdleiter auftreten, so würde der "schwebende"
Zustand unzulässigerweise aufgehoben, da der entsprechende
Stromleiter auf Erdpotential gelegt würde.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekann
te Stromversorgungseinheit derart zu verbessern, daß sie
sich insbesondere für den Untertage-Bergbau eignet und bei
hoher Funktionssicherheit ein weiter Leistungsbereich
eigensicher vorhanden ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Trans
formator als die Sekundärspannung stabilisierender Reso
nanztransformator mit einem sekundärseitigen Resonanz
schwingkreis ausgebildet ist, daß die Widerstandbeschaltung
aus symmetrisch in einer Plus-Leitung und einer Minus-
Leitung angeordneten Leistungswiderständen besteht, und daß
die Spannungsbegrenzerschaltung aus drei parallelen Span
nungsbegrenzern besteht, wobei jeder Spannungsbegrenzer
einen Transistor aufweist, dessen Kollektor-Emitterstrecke
zwischen der Plus-Leitung und der Minus-Leitung angeordnet
ist, und dessen Basis über einen zwischen der Plus-Leitung
und der Minus-Leitung liegenden Spannungsteiler aus einer
Zenerdiode und einem hochohmigen Widerstand angesteuert
ist.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Resonanztransforma
tors führt zu einer Reduzierung der sekundärseitigen Span
nungsschwankungen, so daß die Strom- und Spannungsbegrenzer
vorteilhafterweise auch nur noch für einen geringeren
Spannungs- bzw. Strombereich ausgelegt zu werden brauchen.
Zudem kann hierdurch mit der Leistung, d.h. dem Produkt aus
Spannung und Strom, näher an die Grenze der Eigensicherheit
herangegangen werden, ohne daß diese überschritten werden
könnte, da ja die Sekundärspannung bereits nahezu konstant
ist. Durch die erfindungsgemäß symmetrisch aufgebaute
Widerstandsbeschaltung wird erreicht, daß bei einem eventu
ellen Kurzschluß der Plus- oder Minus-Leitung gegen den
Erdleiter die Schaltung dennoch in einem "schwebenden
Zustand" gehalten wird, da stets zumindest noch eine Hälfte
der Widerstandsbeschaltung, d.h. der Leistungswiderstand
entweder der Plus-Leitung oder der Minus-Leitung, in dem
Weg des Kurzschlußstroms vorhanden ist, so daß zwischen dem
Stromleiter und dem Erdleiter noch ein Potentialunterschied
verbleibt. Schließlich bewirkt die spezielle Ausgestaltung
der Spannungsbegrenzerschaltung ebenfalls eine Erhöhung der
zur Verfügung stehenden Leistung und trägt dabei auch zu
einer erhöhten Sicherheit bei, da die Zenerdioden aus
schließlich Steuerfunktionen haben, wodurch die eigentliche
Spannungsbegrenzung durch die Transistoren bewirkt wird,
die vorteilhafterweise mit sehr viel geringerem Aufwand
als die Zenerdioden für eine höhere Leistung bzw. Verlust
wärme ausgelegt werden können. Durch die dreifache Paral
lelschaltung wird zudem die Sicherheit weiter erhöht, da
sogar bei Ausfall von zwei Spannungsbegrenzern die Funktion
noch im eigensicheren Bereich gewährleistet bleibt.
Aus der DE-Z-"ntz", Bd. 34, Heft 1, Seiten 25 bis 28, ist
zwar bereits ein als Spannungskonstanthalter verwendeter
Resonanztransformator an sich bekannt. Nicht bekannt oder
nahegelegt ist jedoch dessen Verwendung in Verbindung mit
einer eigensicheren Stromversorgungseinheit der gattungs
gemäßen Art, da der Resonanztransformator entweder ohne
zusätzliche Stabilisierung, mit einer nachgeschalteten
Halbleiterschaltung oder mit nachgeschaltetem Schaltwandler
eingesetzt wird. Ohne zusätzliche Stabilisierung kann aber
sicherlich nicht die Eigensicherheit gewährleistet werden,
und die übrigen Schaltungen eignen sich aufgrund von im
Stromweg angeordneten Halbleiterelementen nicht für eigen
sichere Stromkreise.
Weiterhin ist aus der DE-OS 22 63 541 die spezielle Ausge
staltung der Spannungsbegrenzer zwar an sich bekannt,
jedoch ist auch eine Kombination dieses Merkmals mit den
übrigen Merkmalen des Anspruchs 1 nicht ohne weiteres
nahegelegt, und zwar insbesondere nicht in der erfindungs
gemäßen Dreifach-Parallelschaltung der Spannungsbegrenzer.
Dieses Merkmal trägt aber gerade in seiner Kombination mit
den übrigen Merkmalen in besonders vorteilhafter Weise zur
Lösung der obigen Aufgabe bei, nämlich insbesondere die für
den Bergbaubereich geforderte hohe Funktionssicherheit zu
gewährleisten.
Erfindungsgemäß ist es weiterhin zweckmäßig, wenn die
sekundärseitige Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters
24 V und die an den Spannungsbegrenzern anstehende Gleich
spannung ca. 12 V beträgt. Die Erfindung begrenzt somit
einerseits den maximalen Strom durch die Strombegrenzung
mittels der Leistungswiderstände auf 4 A und andererseits
die Ausgangsspannung ohne externe Belastung durch die Span
nungsbegrenzer auf 12 V, so daß die Bedingungen für die
Eigensicherheit gegeben sind. Schwankungen der Eingangs
spannung von etwa ±25% werden mit dem Resonanztransforma
tor ausgeglichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der
Transistor jedes Spannungsbegrenzers als npn-Transistor
ausgebildet, wobei sein Kollektor an der Plus-Leitung und
sein Emitter an der Minus-Leitung angeschlossen sind.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird die Erfindung
näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen
Einheit,
Fig. 2 ein Spannungs-Strom-Diagramm für den eigensiche
ren Ausgang.
Eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit besteht
aus einem Resonanztransformator 1. Am Eingang des
Resonanztransformators 1 liegt beispielsweise eine
Wechselspannung von 220 V an. Das Übersetzungsverhältnis
des Resonanztransformators 1 ist derart, daß an seiner
Sekundärseite eine Ausgangswechselspannung von ca. 24 V
anliegt. Zusätzlich zur
Sekundärwicklung 2 weist der Resonanztransformator 1
sekundärseitig einen Resonanzschwingkreis 3 auf, der aus
einer Spule 4 und einer Kapazität 5 besteht. Mit diesem
Resonanzschwingkreis 3 wird sekundärseitig eine Spannungs
stabilisierung bewirkt, so daß die sekundärseitige Ausgangs
spannung eine hohe Spannungsstabilität besitzt. Die
sekundärseitige Ausgangsspannung der Sekundärwicklung 2 wird
in einem Gleichrichter 6 gleichgerichtet. Am Ausgang des
Gleichrichters ist eine Kapazität 7 zwischen + und -
geschaltet, wodurch eine Glättung der Gleichspannung am
Ausgang des Gleichrichters bewirkt wird. Die Ausgangsgleich
spannung beträgt im dargestellten Ausführungsbeispiel 24 V
Gleichspannung. Zur Strombegrenzung ist in der Ausgangslei
tung mindestens ein Leistungswiderstand 8 in der Plus- oder
Minus-Leitung 9, 10 angeordnet. Im dargestellten Ausfüh
rungsbeispiel sind sechs Leistungswiderstände 8 vorgesehen,
wobei jeweils drei Leistungswiderstände 8 in Reihe in der
Plus-Leitung 9 und jeweils drei Leistungswiderstände 8 in
Reihe in der Minus-Leitung 10 vorgesehen sind. Hierdurch
ergibt sich eine symmetrische Verteilung der Leistungswider
stände 8. Der Leistungswiderstand bzw. die Leistungswider
stände 8 sind derart bemessen, daß der maximale Strom I max
sekundärseitig auf 4 A begrenzt wird. Hierdurch ergibt sich
vorzugsweise ein Widerstandswert von insgesamt 6 Ω für die
Leistungswiderstände 8, so daß jeder einzelne Widerstand 8
den Wert von 1 Ω besitzt. Die erfindungsgemäße Stromversor
gungseinheit wird ausgangsseitig durch drei Spannungsbegren
zer 11 in Parallelschaltung abgeschlossen. Diese Spannungs
begrenzer 11 begrenzen die Ausgangsspannung U a auf 12 V und
gewährleisten eine Konstanthaltung dieser Ausgangsspannung
für Ausgangsströme bis 2 A. Diese Spannungsbegrenzer
bestehen vorzugsweise aus jeweils einem npn-Transistor 12,
dessen Kollektor an der Plus-Leitung 9 und dessen Emitter an
der Minus-Leitung 10 angeschlossen ist. Die Basis des
Transistors wird über eine Zener-Diode 13 und einen
hochohmigen Widerstand 14 angesteuert. Durch die dreifache
Parallelschaltung wird gewährleistet, daß auch beim
gleichzeitigen Auftreten von zwei Fehlern stets die
Funktionssicherheit gegeben ist.
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinheit zeichnet sich
auch dadurch aus, daß innerhalb der Stromregelung und
Strombegrenzung keinerlei Halbleiter vorhanden sind, da
diese über den Resonanztransformator 1 und die Leistungswi
derstände 8 erfolgt. Die erfindungsgemäße Stromversorgungs
einheit zeichnet sich demnach dadurch aus, daß
- 1. bei einer über einen weiten Leistungsbereich konstanten Ausgangsspannung von 12 V ein Strom von maximal 2 A nicht überschritten wird, so daß die Bedingungen für die Eigensicherheit eingehalten werden,
- 2. daß bei zwei Fehlern auch noch die Funktions sicherheit gegeben ist und keine Halbleiter in der Stromregelung vorhanden sind,
- 3. Spannungsschwankungen von ±25% ohne Änderung des Ausgangskenndaten ausgeglichen werden.
Claims (3)
1. Eigensichere Stromversorgungseinheit, insbesondere für
den Strebausbau im Bergbau, mit einem Transformator, einem
an diesem angeschlossenen Gleichrichter, einer am Gleich
spannungsausgang des Gleichrichters angeschlossenen Wider
standsbeschaltung zur Strombegrenzung sowie einer aus
parallel geschalteten Spannungsbegrenzern bestehenden, die
Ausgangsspannung konstant haltenden, Zenerdioden aufweisen
den Spannungsbegrenzerschaltung,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Transformator als die Sekundärspannung stabilisie render Resonanztransformator (1) mit einem sekundärseitigen Resonanzschwingkreis (3) ausgebildet ist,
daß die Widerstandsbeschaltung aus symmetrisch in einer Plus-Leitung (9) und einer Minus-Leitung (10) angeordneten Leistungswiderständen (8) besteht,
und daß die Spannungsbegrenzerschaltung aus drei parallelen Spannungsbegrenzern (11) besteht, wobei jeder Spannungs begrenzer (11) einen Transistor (12) aufweist, dessen Kollektor-Emitterstrecke zwischen der Plus-Leitung (9) und der Minus-Leitung (10) angeordnet ist, und dessen Basis über einen zwischen der Plus-Leitung (9) und der Minus- Leitung (10) liegenden Spannungsteiler aus einer Zener diode (13) und einem hochohmigen Widerstand (14) ange steuert ist.
daß der Transformator als die Sekundärspannung stabilisie render Resonanztransformator (1) mit einem sekundärseitigen Resonanzschwingkreis (3) ausgebildet ist,
daß die Widerstandsbeschaltung aus symmetrisch in einer Plus-Leitung (9) und einer Minus-Leitung (10) angeordneten Leistungswiderständen (8) besteht,
und daß die Spannungsbegrenzerschaltung aus drei parallelen Spannungsbegrenzern (11) besteht, wobei jeder Spannungs begrenzer (11) einen Transistor (12) aufweist, dessen Kollektor-Emitterstrecke zwischen der Plus-Leitung (9) und der Minus-Leitung (10) angeordnet ist, und dessen Basis über einen zwischen der Plus-Leitung (9) und der Minus- Leitung (10) liegenden Spannungsteiler aus einer Zener diode (13) und einem hochohmigen Widerstand (14) ange steuert ist.
2. Eigensichere Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die
sekundärseitige Ausgangsgleichspannung des Gleichrich
ters (6) 24 V und die an den Spannungsbegrenzern (11)
anstehende Gleichspannung 12 V beträgt.
3. Eigensichere Stromversorgungseinheit nach Anspruch 1
oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Transistor (12) jedes Spannungsbegrenzers (11) als
npn-Transistor ausgebildet ist, wobei sein Kollektor
an der Plus-Leitung (9) und sein Emitter an der Minus-
Leitung (10) angeschlossen sind.
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |