用于电磁促动器的保护线路及用于供电系统的保护线路

摘要

本发明涉及一种保护线路(30)，用于自身安全的、可通过一个对于井下矿山采矿允许的电源单元的电压驱动的电磁促动器，所述电磁促动器用于操作在井下采矿中的电液阀，该保护线路具有一个连接在一个第一电位(2)和一个第二电位(3)上的线圈(11)，为该线圈配设至少两个相互独立构成的、与电磁促动器线圈(11)并联的短路机构(12)，它用于使线圈在线圈电压电位反向时被短路。按照本发明，该保护线路包括一个连接在线圈(11)与第二电位(3)之间的半导体开关(T3)，它在电压减小或电位反向时使线圈(11)与第二电位分离，由此使线圈(11)的放电不显示出对供电系统的反作用并且不威胁自身安全性。

权利要求

1.一种保护线路，用于自身安全的井下供电系统，它具有多个连接到一个公共的、对于井下采矿允许的电源单元的供电线上的电子控制器，用于激活分别连接在电子控制器上的、能通过电源单元的电压进行驱动的电磁促动器，所述电磁促动器用于操作井下采矿中的电液阀，其中，相对于电磁促动器的每个连接在电源单元的一第一电位和一第二电位上的线圈并联连接至少一个短路机构，用于使所述电磁促动器的线圈在由于电压供应中断引起的线圈电压的电位反向时通过感应放电被短路，其特征在于，为每个电子控制器(6)配设一个保护线路(20)，该保护线路包括一个限流电路(21)和一个电容器(C1)，该电容器设置在正供电导线(7)与一个半导体开关(T1)的栅极或基极之间，该半导体开关连接在第二电位(3)与配设于该电子控制器(6)的电磁促动器的线圈(11)之间，并且该半导体开关在达到一个预调节的电流强度时和/或电位反向时使电磁促动器的线圈(11)与第二电位(3)分离；以及，所述保护线路(20)具有一个运算放大器，在该运算放大器的输入端上出现电位反向时该运算放大器主动控制半导体开关(T1)，以便中断所有线圈的电压和电流供应；

其中，借助配设于半导体开关(T1)的、能通过电源单元的电压充电的所述电容器(C1)，在电位反向时保持半导体开关(T1)的基极电压或栅极电压与供应电压侧之间的电压差，使得半导体开关(T1)自动地中断由线圈存储的能量所引起的通过电流，使线圈存储的能量不再到达电磁促动器的外部引线。

2.如权利要求1所述的保护线路，其特征在于，所述运算放大器是一个比较器(22)。

3.如权利要求1或2所述的保护线路，其特征在于，所述半导体开关(T1)是一个晶体管。

4.如权利要求1或2所述的保护线路，其特征在于，所述第二电位(3)是地电位。

5.如权利要求1或2所述的保护线路，其特征在于，所述短路机构由自振荡二极管(12)构成。

6.如权利要求3所述的保护线路，其特征在于，所述晶体管是一个场效应晶体管。

说明书

用于电磁促动器的保护线路及用于供电系统的保护线路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种保护线路，用于自身安全的、可通过一个对于井下采矿允许的电源单元的电压进行驱动的电磁促动器，所述电磁促动器用于操作井下采矿中的电液阀，该保护线路具有一个连接到电源单元的一个第一电位和一个第二电位上的所述电磁促动器的线圈，为所述电磁促动器的所述线圈配设至少两个相互独立构成的、与电磁促动器的线圈并联的短路机构，用于使线圈在线圈电压的电位反向时被短路。本发明还涉及一种保护线路，用于自身安全的、井下的供电系统，它具有多个连接在一个对于井下采矿允许的公共的电源单元的供电线上的电子控制器，用于激活分别连接在控制器上的、可以电源单元的电压驱动的电磁促动器，所述电磁促动器用于操作井下采矿中的电液阀，其中，对于电磁促动器的每个连接在电源单元的第一电位和第二电位上的线圈，并联连接至少一个短路机构，用于使线圈在线圈电压的电位反向时被短路。

背景技术

[0002] 在井下采矿中为了开始液压运动过程使用许多电磁促动器，这些运动过程大多通过液压缸或液压支柱起作用，通过电磁促动器操作液压缸的电液阀。尤其是如其在掘进的掩护支架中使用的许多待操作的电液阀对于电源单元和待提供的井下供电系统提出很高的要求，其中不仅电源单元而且供电系统必需自身安全地构成，同时必需满足防爆和／或其他点火保护类型的所有要求。因为这一点受到一个可供使用的电源单元的电连接值的限制，因此在井下采矿中通常要构成带有保持电流降的电磁促动器。同时在自身安全的供电系统内部的大的电感负荷要求特殊的保护措施，以保证维持点火保护条件。

[0003] 在具有供电的线圈的电磁促动器中一个公知的问题是，由于电感负荷的断路电能形成一个残余能量脉冲。作为对应措施，迄今在井下采矿中所有的电磁促动器都配有至少两个大多由自振荡二极管构成的短路机构，它们在线圈电压的电位反向(Potentialumkehrung)时使线圈被短路，以便在各种情况下都避免断路电能或残余能量脉冲的电压尖峰。在断开线圈时一起中断的磁场在线圈上感应一个电压，其极性与输入电压是反向的，并且这个在下面统称为电位反向的极性变换使自振荡二极管去截止，因此一个电流流过这个二极管，通过这个电流消除线圈的磁场。

[0004] 但是在具有许多同时待操作的电磁促动器的井下供电系统中，例如在电缆断裂或类似情况下断路电能的通过自振荡二极管减小的残余能量脉冲自身可能导致一个根据点火保护条件不允许的总脉冲。

发明内容

[0005] 因此本发明的目的是，提供一种用于电磁促动器和用于井下的自身安全的供电系统的保护线路(Schutzbeschaltung)，其中，即使在不利的条件下如电缆断裂或供电故障或类似情况下也不会产生总脉冲，这个总脉冲可能导致气体点火或者其它的根据点火保护条件不允许的运行状态。

[0006] 根据本发明的优选实施方式，提供一种保护线路，用于自身安全的井下供电系统，它具有多个连接到一个公共的、对于井下采矿允许的电源单元的供电线上的电子控制器，用于激活分别连接在电子控制器上的、能通过电源单元的电压进行驱动的电磁促动器，所述电磁促动器用于操作井下采矿中的电液阀，其中，相对于电磁促动器的每个连接在电源单元的一第一电位和一第二电位上的线圈并联连接至少一个短路机构，用于使所述电磁促动器的线圈在由于电压供应中断引起的线圈电压的电位反向时通过感应放电被短路，其特征在于，为每个电子控制器配设一个保护线路，该保护线路包括一个限流电路和一个电容器，该电容器设置在正供电导线与一个半导体开关的栅极或基极之间，该半导体开关连接在第二电位与配设于该电子控制器的电磁促动器的线圈之间，并且该半导体开关在达到一个预调节的电流强度时和或电位反向时使电磁促动器的线圈与第二电位分离；以及，所述保护线路具有一个运算放大器，在该运算放大器的输入端上出现电位反向时该运算放大器主动控制半导体开关，以便中断所有线圈的电压和电流供应；其中，借助配设于半导体开关的、能通过电源单元的电压充电的所述电容器，在电位反向时保持半导体开关的基极电压或栅极电压与供应电压侧之间的电压差，使得半导体开关自动地中断由线圈存储的能量所引起的通过电流，使线圈存储的能量不再到达电磁促动器的外部引线。

[0007] 按照本发明这个目的通过一个保护线路得以实现，其中在线圈与第二电位之间连接一个半导体开关，它在电位反向或作为用于一个产生的电位反向的基准值的电压减小时使线圈与第二电位分离。在按照本发明的解决方案中通过一个半导体开关(它在正常状态或初始状态下持久地接通并且允许电流流通)在出现不正常情况例如电压过度减小或电位反向时防止，存储在线圈中的能量可能尤其回流到电源单元或井下供电系统的供电导线或电位导线中。通过使线圈与第二电位分离可以排除线圈的电感负荷对整个供电系统的反作用。如同已知的那样，可以由特别是由自振荡二极管组成的短路机构分解和消除电感负荷，而不会损坏电磁促动器或整个供电系统的自身安全性。

[0008] 按照一个实施例，所述半导体开关可以与短路机构和线圈串联并且将它们共同与往电源单元的第二电位的连接分离。特别有利的是，所述半导体开关是一个晶体管、尤其是一个场效应晶体管，其基极或栅极与第一电位连接。在井下采矿中第二电位通常是地电位而第一电位例如是一个12V电位。在外部断开地电位(GND)时线圈开始放电。这一点通过并联连接的短路机构、例如尤其是一个或多个自振荡二极管实现。通过在自振荡二极管上的电压降使线圈端上的、通常与GND电位连接的电压高于12V端的电压。因为晶体管的接通的通道由于与GND电位的分离缺少其零电位，因此使构成半导体开关的晶体管的漏极和源极或发射极和集电极的触点上的电压提高到相对于例如12V的电源提高的、在线圈这一侧上产生的电压电位。因为晶体管的GATE或基极电压同时与12V端连接，现在晶体管自动截止通过电流。因此可以使线圈存储的能量不再到达电磁促动器的外部引线(Anschluss)，并且不再反作用于连接上的供电系统。

[0009] 按照一个可选择的扩展结构，所述半导体开关可以通过一个与线圈并联的用于检测电位反向或电压减小的检测电路进行控制。该检测电路适宜地包括一个运算放大器、尤其是一个比较器，通过它在比较器或运算放大器的输入端产生一个电位变换或超过一个比较器阈值时控制半导体开关，使线圈与第二电位分离。在这个实施例中，半导体开关最好也是一个晶体管、尤其是一个场效应晶体管，其基极或栅极与运算放大器的输出端连接。该比较器用于提前识别或测得线圈上的极性反向的时刻，该极性反向由于一个外部的GND断开引起，并且保护线路仍然利用一个晶体管，它否则持久地接通并允许通过电流，以便在正确的时刻使线圈与GND电位分离，并由此使电磁线圈的内部存储的能量不再通过电磁阀的外部引线而是只通过并联的自振荡二极管或类似器件切断。代替极性反向也可以检测一个超比例或过度、即大于比较器阈值形成(ausfallend)的电压减小。

[0010] 特别有利的是，配有运算放大器或比较器的保护线路具有一个在线圈通电时以电源单元电压充电的能量缓冲存储器作为检测电路的独立电源。在激活电磁促动器的线圈时充电的能量缓冲存储器也承担检测电路的供电，在电源单元的供电电压被取消和通过短路机构引起线圈放电的时候。所述能量缓冲存储器尤其可以包括一个电容器。

[0011] 本发明能够还可以由此实现为每个单独的电磁促动器配设一个按照本发明的保护线路，其中这一点需要对所有在井下系统中存在的电磁促动器进行更新或再配备。对于具有传统的、例如没再配备特殊的保护线路的电磁铁的井下的、自身安全的供电系统，代替保护线路可以为每个控制器配设一个成组保护线路，它分别具有一个半导体开关，该半导体开关中间连接在第二电位与所有配设于这个控制器的线圈之间，其中该半导体开关在出现电位反向时使这些线圈与第二电位分离。适宜地为半导体开关配设一个可通过电源单元的电压充电的电容器或类似器件，通过它在电位反向时在至少一个所述线圈上保持用于操作半导体开关所需的电压差。

[0012] 在井下采矿中的另一基本问题是，所使用的电源单元的有限供电功率。在德国允许的电源单元中最大可供使用的电流限定在约2.2安培，而在美国的电源单元中总还是许可8安培。为了仍然在一个电源单元上可以连接许多电子控制器，通过它们控制电磁促动器，特别有利的是，为每个电子控制器配设一个限流电路。该限流电路例如组合到电子控制器中或者组合到一个构成该控制器的智能阀门控制板中或类似部件中。

[0013] 特别有利的是，所述限流电路具有一个监控电路，它在达到一个预调节的瞬时的耗用电流时控制一个半导体开关，以使所有通过监控电路监控的线圈与第二电位的连接分离。所述限流电路的半导体开关适宜地同时也构成用于与第二电位的分离电路的半导体开关。所述监控电路可以有利地具有一个运算放大器、尤其是一个比较器，它在运算放大器的输入端上出现一个电位变换时控制半导体开关，以便中断所有线圈的电压和电流供应。

[0014] 在这里，所述半导体开关尤其也可以由一个晶体管、适宜地由一个场效应晶体管(FET)构成。在一个有利的电路实现中，可以将运算放大器的输出端和电容器连接到半导体开关的基极或栅极上。

[0015] 如上所述，第二电位最好构成电源单元或供电系统的地电位并且半导体开关使地电位上的连接电子地分离，因为对于在井下采矿中使用的装置，所有期望的外部的操作过程在地接线上进行。此外短路机构最好由自振荡二极管组成。

附图说明

[0016] 由下面对在附图中简示的实施例的描述给出本发明的其它优点和扩展结构。在附图中：

[0017] 图1以电路图简示出一个用于电子控制器的井下供电系统，该控制器具有连接上的、传统的电磁阀以及一个配设于每个控制器的保护线路，

[0018] 图2示出一个按照第一实施例的用于井下采矿的一个电磁促动器的每个线圈的保护线路，

[0019] 图3示出一个按照第二实施例的用于一个电磁促动器的每个线圈的保护线路。

具体实施方式

[0020] 在图1中在一个电路图中总体以附图标记10表示一个井下的、自身安全的供电系统。该供电系统10包括一个自身安全的且对于在井下采矿中运行允许的电源单元(Netzteil)1，作为12V直流电源，它具有一个位于+12V处的第一电位2和一个作为接地导体的第二电位3，下面称为GND电位。不仅第一12V电位2而且第二GND电位3都通过分支导线4或5和通过分别通到一个电子控制器6的供电导线7或8和通过电位导线7A、8A输送到井下供电系统10中的所有耗电器9。作为耗电器这里在每个电子控制器6上连接许多常规的电液阀9，其中每个电液阀9包括一个作为电感负荷的线圈11和电磁促动器(Elektromagnetaktor)以及至少一个与线圈11并联的自振荡二极管12作为用于使线圈
11短路的短路机构。同时在供电系统10中在每个电源单元1上分别通过供电导线7或8相互并联地连接许多电子控制器6。所有电磁阀9的线圈11这样通过电位导线7A、8A连接到供电导线7和8上，使得每个线圈11根据例如在电子控制器6中的操作状态短时间地以电源单元1的全电压、即在+12V电位2与GND电位3之间的电压加载，以便通过线圈11的磁化来控制和改变电液阀9的电磁促动器的操作状态。不言而喻，对于每个线圈存在至少一个独立的电位导线7A、8A。因为这一点对于电磁促动器的专业人员是公知的，因此在下面对此不再继续描述。

[0021] 所述电子控制器6也由一个智能的阀控制板(Ventilansteuerleiste)或类似部件组成或者可以包括这个控制板，在每个电子控制器上连接许多具有线圈11的电液阀9，其中这个数量与电源单元1和供电系统10的自身安全性相匹配。许可的数量通过所有电磁促动器的所有线圈11的最大允许的电感负荷决定。按照本发明，现在为每个所述电子控制器6配设一个保护线路20，它在这里包括一个作为场效应晶体管FET构成的晶体管T1，该晶体管这样中间连接到连接于电源单元1GND电位3的供电导线8上，使得该晶体管位于线圈11的GND电位端的引线与电源单元或供电系统10的上述GND电位3之间。在所示实施例中，每个保护线路20设置在电子控制器6与电源单元1之间并且配设于供电导线7、8。该保护线路20在所示实施例中附加地还包括一个总体以附图标记21表示的限流电路，它具有一个比较器22作为一个监控电路的重要组成部分，它控制晶体管T1的栅极，用于作为限流电路21的功能。通过一个简单的分压器借助于电阻R1和R2在比较器22的输入端上施加一个基准电压Uref，而在比较器22的另一输入端上施加一个电压降，它由电阻R3引起，该电阻连接在与GND电位连接的供电导线8中。在电阻R3上的GND电位中的电压降取决于所有配设于控制器6的且瞬时接通的线圈11的耗用电流。当电阻R3上的电压降现在超过在比较器22的另一输入端上施加的基准电压Uref时，所述晶体管T1通过中间连接的电阻R4控制，使得该晶体管T1切断通过供电导线8的通过电流。通过这种方式保证，可以同时操作最多数量的电液阀9，它们连接在一个控制器6上并且还可以自身安全地运行。如果控制器6试图同时接通多个线圈11或电磁促动器，整个负荷由晶体管T1切断。具有限流电路21的保护线路20的作用是，每个保护线路20总是只能将一定自身安全数量的电磁线圈11接通。

[0022] 通过晶体管T1同时保证，每个通过保护线路20的限流电路21在耗用电流方面安全的控制器组可以不在一个外部的或不期望的切断过程时将其电感负荷输出到供电系统10中并且可以在那里促使在自身安全性方面不允许的运行状态。这一点通过同一个晶体管T1和连接在晶体管T1栅极上的电容器C1得到保证。在晶体管T1与电源单元1之间的GND连接8分离的时刻，电压电位由于在线圈11中存储的在以前与GND电位3连接的线圈
11一侧上的电压升高到一个数值，它明显位于电源单元的电位2的+12V供电电压以上。与切断-晶体管T1的栅极-控制器连接的电容器C1在此时刻短时间地保持以前存在的电压差并且将场效应晶体管T1的栅极电压压到在其漏极和源极引线(Anschluss)上存在的较高的电压电位以下。由此晶体管T1自动地使电液阀9的连接在相应保护线路20后面的线圈11与供电系统的外部引线或导线7、8或4、5分离，因此不再可能反作用于整个连接上的供电系统10。因此通过包括限流电路21和分离-晶体管T1的保护线路20，在原理上可以借助一个自身安全的电源单元1上平行地驱动任意多个安全的控制器组。但是如果晶体管T1切断一次，则它可以这样长时间地不再接通，直到再建立与电源的电源单元1的GND电位
3的连接。

[0023] 参考图1所述的保护线路20尤其可以应用于在供电系统10中使用具有常规的电磁促动器的电磁阀9的场合，其中为每个线圈11配设至少一个自振荡二极管12或类似器件作为短路机构。根据在井下采矿中存在的冗余要求，在此一般为每个线圈11配设至少两个自振荡二极管12。

[0024] 在图2和3中示出一些实施例，它们要求对所有在井下供电系统中使用的电磁阀进行改装并且可以通过这些配设的、按照本发明的保护线路30或50实现。在这两个实施例中，为了简化描述，只示出作为电液阀的电磁促动器的单独的结构部件的线圈并且以附图标记11表示。两个与线圈11并联的自振荡二极管配有附图标记12而一个电源单元的+12V电位以附图标记2表示而GND电位以附图标记3表示。

[0025] 在按照图2的实施例中，所述保护线路30包括一个场效应晶体管T2作为半导体开关，在其栅极-控制器上连接一个与线圈11并联的监控电路32的一个比较器31的输出端，以便通过借助于附加电阻(Vorwiderstand)R6和R7调节的比较器阈值来确定线圈11上的一个电位反向(Potentialumkehr)。在检测由于比较器31输入端上的一个电位变换而出现电位反向或过度的电压减小时这样操作晶体管T2，从而该晶体管使线圈11的GND端的引线与电源单元的GND电位3分离。通过一个作为能量缓冲存储器的电容器C2自动地在线圈11与电源单元瞬时断开时保证对检测电路32的比较器31供电，其中只要在线圈11上施加电压，安全地通过十位二极管33、34和附加电阻R5总是对电容器C2充电。尽管失去外部供电的电压，该电容器C2也保持比较器31的操作状态，以保证线圈11的电感负荷与GND电位3分离。如同已知的那样，通过作为短路机构的自振荡二极管12消除线圈11的电感负荷。

[0026] 图3示出一个进一步简化的保护线路40，它具有一个又作为场效应晶体管T3构成的半导体开关，它与由线圈11和并联的自振荡二极管12构成的组(Paket)串联地设置并且中间连接在由线圈11和自振荡二极管12构成的组的GND端的引线与GND电位3之间。在GND电位外部切断时线圈11开始放电。这一点通过自振荡二极管12实现。通过自振荡二极管12上的电压降使GND电位线圈端上的电压高于+12V电位线圈端上的电压。因为在场效应晶体管T3的接通的N通道通过GND连接的分离而缺少其零电位，使晶体管T3的漏极和源极接点上的电压升高到相对于12V电源提高的位于线圈11这端上的电压电位。因为晶体管T3的栅电压通过连接导线41与+12V电位2连接，该晶体管T3现在自动地截止通过电流，即，使线圈相对于GND电位3分离，使得在线圈11中存储的能量不再能够到达电磁阀的外部的引线上。

[0027] 对于专业人员由上面的描述可以得出大量的变型，它们应该落入所附权利要求的保护范围。代替场效应晶体管(FET)也可以使用一般的NPN晶体管或类似器件。在说明书中提及的电位电压只是示例性的并且对于在德国井下采矿中的情况是通用的。所述限流电路也可以通过许多其它方式实现。对于基准电压的形成也是同样有效的，它可以更精确地通过一个基准电压调节器、例如十位二极管(Zehnerdiode)进行调节。