DE3906621C2 - Eigensichere Stromversorgungseinheit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine eigensichere Strom­ versorgungseinheit für den Strebausbau im Bergbau, mit einem Transformator, einem an diesem ange­ schlossenen Gleichrichter, einer am Gleichspannungsausgang des Gleichrichters angeschlossenen Widerstandsbeschaltung zur Strombegrenzung sowie einer aus drei parallel geschalteten Spannungsbegrenzern bestehenden, die Ausgangsspannung konstant haltenden, Zenerdioden aufweisenden Spannungsbe­ grenzerschaltung, wobei der Transformator als die Sekundär­ spannung stabilisierender Resonanztransformator mit einem sekundärseitigen Resonanzschwingkreis ausgebildet ist.

Eine derartige Stromversorgungseinheit läßt sich der Fig. 1 der britischen Norm - British Standard, "Intrinsically safe power supplies for use in coal mines", BS 6182, part 1, 1982 - entnehmen. Hierbei besteht die Widerstandsbeschaltung aus einem einzelnen, in einer der beiden Gleichstrom­ leitungen, und zwar gemäß Abschnitt 3.7.5. in der Plus- Leitung, angeordneten Strombegrenzungswiderstand. Weiterhin ist hier offenbart, daß dieser Widerstand auch aus mehreren Einzelwiderständen bestehen kann, vorausgesetzt, daß die Summe aller Widerstandswerte dem Wert des einzelnen Wider­ standes entspricht. Die drei parallel geschalteten Span­ nungsbegrenzer der Spannungsbegrenzerschaltung bestehen je­ weils aus einer einzelnen Zenerdiode. Diese Schaltung eignet sich daher nur für relativ geringe Leistungen, die im Unter­ tage-Bergbau oftmals nicht ausreichen dürfte.

Eine weitere 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 Trans­ formator dieser bekannten Stromversorgungseinheit handelt es sich um einen Trenntransformator nach VDE 0550/0551 und 0170/0171, und die Widerstandsbeschaltung besteht aus ledig­ lich einem in der Plus-Leitung angeordneten Widerstand. Ferner besitzt die Spannungsbegrenzerschaltung zwei parallele, aus jeweils einer zwischen die Plus-Leitung und die Minus- Leitung geschalteten Zenerdiode bestehende Spannungsbegrenzer. Aufgrund dieses Aufbaus eignet sich diese eigensichere Stromversorgungseinheit aber nur für noch geringere Leistungen als die oben beschriebene, gattungsgemäße Schaltung, und zwar ist hier eine Anwendung ausschließlich für die elektrische Meß-, Steuer- und Regelungstechnik genannt.

Nun werden aber gerade in ex-geschützten Bereichen des Berg­ baus eigensichere Stromversorgungseinheiten benötigt, an die mehrere Verbraucher angeschlossen werden sollen, und die da­ her eine erhöhte Ausgangsleistung im eigensicheren Bereich gewährleisten müssen. Dies kann mit den bekannten Schaltungen jedoch nicht erreicht werden, da die Strom- und Span­ nungsbegrenzer sonst aufgrund der auftretenden erhöhten Ver­ lustwärme thermisch zerstört werden könnten. Folglich ist der zur Verfügung stehende Leistungsbereich insbesondere für die genannte Anwendung im Bergbau eigentlich zu klein.

Weiterhin treten bei einer Anwendung der bekannten Schaltungen im Bergbau aber auch insofern Probleme auf, als Anlagen im Bergbau stets auf "schwebendem Potential" gehalten werden sollten, 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.

Aus der DE-Z-"ntz", Bd. 34, Heft 1, Seiten 25 bis 28, ist ein als Spannungskonstanthalter verwendeter Resonanztrans­ formator an sich bekannt. Nicht offenbart ist hier jedoch dessen Verwendung in Verbindung mit einer eigensicheren Stromversorgungseinheit, da der Resonanztransformator ent­ weder ohne zusätzliche Stabilisierung, mit einer nachge­ schalteten Halbleiterschaltung oder mit nachgeschaltetem Schaltwandler eingesetzt wird. Ohne zusätzliche Stabilisie­ rung kann aber sicherlich nicht die Eigensicherheit gewähr­ leistet werden, und die übrigen Schaltungen eignen sich auf­ grund von im Stromweg angeordneten Halbleiterelementen nicht für eigensichere Stromkreise.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer Stromversorgungseinheit der gattungsgemäßen Art, diese derart zu verbessern, daß sie sich besonders gut für den Untertage-Bergbau eignet und bei hoher Funktionssicherheit ein weiter Leistungsbereich eigensicher vorhanden ist.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Wider­ standbeschaltung aus symmetrisch in einer Plus-Leitung und einer Minus-Leitung angeordneten Leistungswiderständen besteht, und daß 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 an sich bekannte Verwendung eines Resonanztransforma­ tors ist in Einbindung in die erfindungsgemäße Merkmalskom­ bination von Vorteil. Es wurde nämlich erkannt, daß dies zu einer Reduzierung der sekundärseitigen Spannungsschwankungen führt, so daß die Strom- und Spannungsbegrenzer vorteilhafter­ weise auch nur noch für einen geringeren Spannungs- bzw. Strombereich ausgelegt zu werden brauchen. Zudem kann hier­ durch 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 Widerstandsbeschal­ tung wird erreicht, daß bei einem eventuellen 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 Spannungsbegrenzer in Verbindung mit der dreifachen Parallelschaltung 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. Verlustwärme aus­ gelegt werden können.

Aus der DE-OS 22 63 541 ist zwar die spezielle Ausgestaltung der Spannungsbegrenzer an sich bekannt, jedoch ist eine Kom­ bination dieses Merkmals mit den übrigen Merkmalen des An­ spruchs 1 nicht ohne weiteres nahegelegt, und zwar insbesondere nicht in der Dreifach-Parallelschaltung der Spannungs­ begrenzer. Dieses Merkmal trägt aber gerade in seiner Kom­ bination mit den übrigen Merkmalen in besonders vorteilhafter Weise zur Lösung der obigen Aufgabe bei, nämlich insbe­ sondere die für den Bergbaubereich geforderte hohe Funk­ tionssicherheit 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 sind im dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel 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 für den Strebausbau im Bergbau, mit einem Transformator, einem an diesem angeschlossenen Gleichrichter, einer am Gleichspan­ nungsausgang des Gleichrichters angeschlossenen Widerstands­ beschaltung zur Strombegrenzung sowie einer aus drei parallel geschalteten Spannungsbegrenzern bestehenden, die Aus­ gangsspannung konstant haltenden, Zenerdioden aufweisenden Spannungsbegrenzerschaltung, wobei der Transformator als die Sekundärspannung stabilisierender Resonanztransformator mit einem sekundärseitigen Resonanzschwingkreis ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbeschaltung aus symmetrisch in einer Plus- Leitung (9) und einer Minus-Leitung (10) angeordneten Lei­ stungswiderständen (8) besteht, und daß 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 Zenerdiode (13) und einem hochohmigen Widerstand (14) angesteuert 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.