专利名称：用于安全电磁执行单元的保护电路和用于安全供能系统的保护电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于可以用矿井中允许使用的电源电压工作的安全电磁执行单元的保护电路，这些电磁执行单元用于矿井中电液压阀的开关，其中该保护电路具有至少两个相互独立实现且并联于电磁执行单元的线圈的短接设备，用于在线圈电压反向时将线圈短路。本发明还涉及用于具有多个连接于矿井中允许使用的公共电源的安全电控制设备的保护电路，该电控制设备用于激活相应连接到控制设备上、可用电源电压工作的电磁执行单元，用于开关矿井中的电液压阀，其中在供能系统中对每个电磁执行单元配置至少一个并联于电磁执行单元线圈的短接设备，用于在线圈电压反向时将线圈短路。
背景技术：
在矿井中为了起动液压运动过程—它们通常用液压汽缸或液压活塞实现，利用多个电磁执行单元，用它们开关用于液压汽缸的电液压阀。特别是多个被开关的电液压阀—它们例如在掘进的护板结构中—对电源和所提供的井下供能系统提出高的要求，其中不仅电源、而且供能系统都必须安全地运行，对于防爆和/或其它防火的全部要求必须被满足。由于可提供给电源的电连接器值的限制，通常在矿井中电磁执行单元以半电流下降被设计。同时在安全的供能系统中，大电感负载需要特别的保护措施，以满足防火规定。
在具有流过电流的线圈的电磁执行单元中一个众所周知的问题是由电感负载释放能量而产生的残余能量脉冲。作为应对措施，至今为止在矿井中所有的电磁执行单元具有至少两个由空载二极管构成的短接设备，它们在线圈电压反向时将线圈短路，以消除释放能量或残余能量脉冲的电压峰。在线圈断路时中断的磁场在线圈上感应出一个电压，此电压的极性与连接电压反向，并且此极性反转—以后用“电压反向”来表述—使空载二极管导通，从而一个电流流过它们，线圈的磁场通过此电流而消失。
然而在具有多个同时被开关的电磁执行单元的矿井供给系统中，例如在电缆被切断等情况下，通过空载二极管消除的关断能量的残余能量脉冲导致一个总的脉冲，它是防火要求所不允许的。
发明内容
本发明的目的在于给出一种用于电磁执行单元或用于矿井中安全供能系统的保护电路，其中在诸如电缆切断、电源故障或其它类似的不利条件下不会出现总的脉冲，此脉冲可能导致气体点火或其它防火要求所不允许的工作状态。
按照本发明，上述任务由一种保护电路完成，在此保护电路中至少一个短接设备具有一个短接半导体开关和一个用于检测线圈电压反向的检测电路，其中短接半导体开关可由检测电路激活。在本发明的解决方案中，电磁铁的磁线圈借助于一个短接半导体开关在比用空载二极管可达到的时间明显更短的时间间隔内低阻地被短路，其中通过电感负载借助于快速接通的短接半导体开关的短路状态或短接，有效地避免了可觉察的向供能系统或向电源的能量回流。
由于防火保护规定要求冗余地实施全部保护切换措施，在一个可行的设计中所有的短接设备分别具有一个带有短接半导体开关的检测电路。作为替代，也可以使这些短接设备中的一个由一个空载二极管构成，并且至少或只有一个其它的短接设备由具有短接半导体开关的检测电路构成。
此外本发明可以如此实现为每个电磁执行单元配置一个根据本发明的保护电路，其中需要全部电磁执行单元进行更新或追加装备。在矿井中安全供能系统具有常规的、例如非追加装配的电磁铁时，能够可选地或者附带地用至少一个具有短接半导体开关和检测电路的短接设备作为附加电路的组成部分，其中此附加电路最好被安装在一个串接设备或类似物中。由于在矿井中多个控制设备连接在一个公共的电源上，特别具有优点的是为每个控制设备配置一个附加电路，尤其是配置一个串接设备。此附加电路或串接设备尤其可在供能通路中直接安装在控制设备前面或后面。
矿井中的另一个原则问题是所用电源的有限供电能力。在德国允许使用的电源可提供使用的最大电流限制在约2.2安培上，而在美国电源允许总共8安培电流。为了能将多个控制电磁执行单元的电控制设备连接到一个电源上，特别具有优点的是为每个电控制设备配置一个限流电路。此限流电路可集成到电控制设备中。作为替代，限流电路也可以是一个串接设备、尤其是装有附加电路的串接设备的组成部分。限流电路尤其可以具有另一个短接半导体开关和一个监测电路，它在达到预设的电流强度时激活限流电路的短接半导体开关，从而在监测电路确定所有电磁执行单元的预设总电流消耗或电流强度被超过时关断连接到此电控制设备上的所有电磁执行单元。
用于激活短接半导体开关从而将线圈短路的检测电路最好具有一个运算放大器，尤其是它可设计为比较器。在一个可行的实施例中运算放大器用反相器来实现。检测电路尤其可以包括一个具有后接上拉电阻的晶体管，此电阻连接到短接半导体开关的一个输入端上。
短接半导体开关特别可由一个晶体管构成，并且一个特别简单的具有一个FET(场效应晶体管)的电路结构是可行的。短接半导体开关尤其可以由一个闸流管构成。此外具有优点的是，保护电路具有一个在线圈流过电流时可用电源的供电电压充电的能量暂存器用于对检测电路的单独供能。在电磁执行单元的线圈激活时被充电的能量暂存器也可在线圈借助于短接半导体开关放电和借助于空载二极管放电而不能提供电源供电电压时承担为检测电路供应能量的任务。在具有优点的设计方案中，这个单独的能量暂存器如此被配置，使得短接半导体开关的短路状态一直维持到电磁执行单元线圈被完全放电。如果存在至少一个另外的、由空载二极管构成的短接设备，能量暂存器可以设计得相应较小。在具有优点的设计方案中，能量暂存器包括一个电容器。
下面通过附图所示实施例说明本发明的其它优点和实施方式。附图中图1简要示出用于连接有电磁阀的电控制设备的矿井供能系统；图2示出按照第一实施例的，用于电磁执行单元线圈的保护电路；图3示出按照第二实施例的，用于电磁执行单元线圈的保护电路；以及图4示出可与本发明一起应用的限流电路的一个实施例。
具体实施例方式
图1中简要且纯粹作为例子示出一个用于井下作业的安全供能系统，它整体上用附图标记10来表示。此供能系统10包括一个安全的、用于在矿井中工作的电源1，它是例如具有12伏电压的直流电源，通过电网导线2和电网支路3将多个电控制设备4连接到此电源上，并且给这些电控制设备供应所需的能量。每个电控制设备4例如可以被配置给一个矿井结构支架，并且承担矿井结构支架上的全部控制功能。在本发明申请人提出的电控制设备4情况下，例如通常用每个电控制设备4控制总共16个电液压阀5，它具有弹簧复位和一个电磁铁6作为用于阀5的执行器件。为此每个电磁执行单元6通过控制线7与电控制设备4电连接，其中在矿井中通常通过一个图中未示出的阀控制链实现连接。在目前已有的供能系统中例如采用一个电源1来控制8个具有总共16个后接电磁阀5，6的电控制设备4。没有附加示于图1中的保护电路20和/或40并且/或者没有限流电路50的供能系统10结构在现有技术中已知。
按照本发明的第一实施例，可对电液压阀5的每个电磁执行单元6配置一个保护电路20，在图2和3中对此保护电路示出了两个可行的实施例。
在图2所示保护电路20的实施例中，电磁执行单元只用它的线圈11作为符号示出。按照电磁执行单元6的开关状态，线圈通过电压导线12或13连接到电源的供电电压上，从而通过线圈11中的电流流动使电液压阀(5，图1)改变其开关状态。极导线12在此表示为+12伏导线，而极导线13用符号“地”表示。在所示实施例中，如现有技术那样，通常为了释放线圈11的电感负载的关断能量，作为防火措施将至少一个空行程二极管14作为短接设备并联到线圈上。因为在矿井中全部保护措施必须设计为冗余的，在线圈上再并联一个第二空载二极管15。此外按照本发明，作为另一个短接设备的电路20包括一个与线圈11并联的检测电路30和一个在出现电压反向时可由检测电路30激活的场效应晶体管16，用以将线圈11短路。通过此场效应晶体管16，线圈11可以尽可能快速地以非常小的电阻被短路，并且避免了线圈11的电感负载向极导线12、13的能量回流。检测电路30在所示实施例中包括一个运算放大器31，它通过一个前接电阻32并联到线圈11上。运算放大器31的供能通过一个电容器33保证，此电容器33在线圈11上有电流流过、即电磁执行单元被激活时一直被充电，其中电容器33的存储容量足够大，至少能在需要时为运算放大器供应工作电压，线圈11的残余能量通过空载二极管14、15、场效应晶体管16、以及另一个并联在线圈11上的电阻34而被释放。这里场效应晶体管16通过控制线35被激活，从而将线圈11短路。从电容器33到电压导线12或13的回流通过Z二极管36，37被阻止，并且电容器33的充电电压通过串接电阻38调节。这里运算放大器31检测在其输入端上所加电压的电压反向，其中电压反向只能由线圈11的关断能量产生。
图3示出用于电磁执行单元的线圈11的保护电路的另一实施例20A。图3中功能相同的构件以与图2所示实施例中相同的附图标记表示。不同于第一实施例的是，这里检测电路30的运算放大器31不是控制场效应晶体管，而是控制一个闸流管16A，然而它像前面实施例中的场效应晶体管一样尽可能快速地以低电阻短接线圈11。
前面所描述的保护电路20或20A如图1简要示出的那样被配置给每个电磁执行单元6。通过利用至少一个空载二极管保证了以两倍或三倍冗余实现具有一个由晶体管、场效应晶体管或闸流管构成的短接半导体开关的保护电路。然而一个相应的保护电路必须被配置给每个电磁执行单元，从而相应的保护电路不能在现有矿井支撑系统或矿井供给系统中被追加装配。
在现有供能系统中本发明可以通过以附图标记40表示的保护电路及一个以附图标记50表示的限流电路来实现。这里不仅是具有检测电路和短接半导体开关的保护电路40，而且限流电路50也被分别配置给每个控制设备4，其中两个电路40，50例如可以安装在一个串接设备60中，此设备具有用于导线8，9的插接连接器。但限流电路50也可以是电控制设备或类似设备的直接组成部分，从而只有每个保护电路40被安装在一个适当的串接设备中。保护电路40的电路结构可以基本上与图2和3所示实施例的电路结构相同，其中不同的是不仅检测电路，而且短接半导体开关都至少两倍地被配备，从而以总体上的冗余度实现保护电路。检测电路和短接半导体开关的并联电路结构也不是对每个线圈实现，而是对一个电控制设备的所有电磁执行单元的全部线圈实现。
限流电路50可以具有例如图4所示的电路结构。在两个极导线12，13之间接有一个监测电路51，它包括运算放大器52，在其一个输入端上、例如通过信号线53所表示的输入端上施加一个参考电压Uref；并且在其另一个输入端上、如通过信号线54所表示的输入端上通过电阻55施加一个电压，此电压与连接到相应电控制设备的电液压阀的耗电量有关。在矿井中每个电源的功率容量是有限的，从而每个电控制设备最多可以同时控制例如5个电液压阀。如果某些电液压阀处于半电流状态，上述可同时控制的数量相应更多。电阻55上的电压对应于所有后接电液压阀的总耗电量。如果现在输入端54上施加的电压超过输入端53上的参考电压，则此情况被监测电路51所检测，且运算放大器52激活集成在供能系统中的、这里由晶体管56构成的短接半导体开关。通过这个此限流电路50避免了所有的电液压阀(5，图1)或它们的电磁执行单元(6，图1)的总电流消耗大于由参考电压Uref所预先设定的值。通过改变参考电压Uref的电平可以相应调整所允许的总耗电量。
本领域技术人员可以从以上说明得到大量的变型方案，它们应该包括在从属权利要求的保护范围内。代替空载二极管，保护电路也可以由多个检测电路和相应的短接半导体开关构成。限流电路可与检测电路和短接半导体开关安装在一起或分开安装。这些电路也可以集成在阀控制链或类似物中。限流电路也可以应用于其它已知的电路系统。
权利要求
1.用于可用矿井中允许使用的电源工作的、用来开关矿井中电液压阀的安全电磁执行单元的保护电路，具有至少两个相互分开地实现且并联于电磁执行单元的线圈上的短接设备，用于在线圈电压反向时将线圈短路，其特征在于，至少一个短接设备具有一个短接半导体开关(16；16A)和一个用于检测电压反向的检测电路(30)，通过该检测电路可激活短接半导体开关(16；16A)。
2.如权利要求1所述的保护电路，其特征在于，所有短接设备分别具有一个带有短接半导体开关的检测电路。
3.用于具有多个连接到矿井中允许使用的一个公共的电源上的电控制设备的安全矿井供能系统的保护电路，其中所述控制设备用于激活分别连接到控制设备上的、可用电源的电压工作的电磁执行单元，这些电磁执行单元用于开关矿井中的电液压阀，其中为每个电磁执行单元配置至少一个并联于电磁执行单元线圈上的短接设备，此短接设备用于在线圈电压反向时将线圈短路，其特征在于，保护电路(20；40)具有至少一个带有短接半导体开关(16；16A)的短接设备和一个用于检测电压反向的检测电路(30)，通过该检测电路可激活短接半导体开关(16；16A)。
4.如权利要求3所述的保护电路，其特征在于，至少一个具有短接半导体开关和检测电路的短接设备是一个附加电路(40，50)的组成部分，其中该附加电路最好安装在一个串接设备(60)中。
5.如权利要求3或4所述的保护电路，其特征在于，为每个连接到电源(1)上的控制设备配置一个附加电路(40，50)，尤其是配置一个串接设备。
6.如权利要求3至5中任一项所述的保护电路，其特征在于，为每个电控制设备(4)配置一个限流电路(50)。
7.如权利要求6所述的保护电路，其特征在于，限流电路(50)具有一个短接半导体开关(56)和一个监测电路(51)，此监测电路在达到预先设定的电流强度时激活短接半导体开关(56)。
8.如权利要求5至7中任一项所述的保护电路，其特征在于，限流电路(50)是串接设备(60)的组成部分。
9.如权利要求1至8中任一项所述的保护电路，其特征在于，检测电路(30)具有一个运算放大器(31)。
10.如权利要求1至9中任一项所述的保护电路，其特征在于，检测电路，尤其是运算放大器，被作为比较器来实现。
11.如权利要求9或10所述的保护电路，其特征在于，运算放大器用反相器来实现。
12.如权利要求10至12中任一项所述的保护电路，其特征在于，检测电路包括一个具有后接上拉电阻的晶体管，它连接到短接半导体开关的一个输入端。
13.如权利要求1至12中任一项所述的保护电路，其特征在于，短接半导体开关由一个晶体管构成。
14.如权利要求13所述的保护电路，其特征在于，短接半导体开关由一个场效应晶体管(16)构成。
15.如权利要求1至14中任一项所述的保护电路，其特征在于，短接半导体开关由一个闸流管(16A)构成。
16.如权利要求1至15中任一项所述的保护电路，其特征在于，一个在线圈中有电流流过时可通过电源(1)的供电电压充电的能量暂存器(33)用作检测电路(30)的独立能量供应。
17.如权利要求16所述的保护电路，其特征在于，能量暂存器(33)保证短接半导体开关的短接状态持续到线圈(11)被完全放电。
18.如权利要求16或17所述的保护电路，其特征在于，能量暂存器包括一个电容器(33)。
全文摘要
本发明涉及一种用于可用矿井中允许使用的电源工作的、用于开关矿井中电液压阀的安全电磁执行单元的保护电路，它具有至少两个相互分开地实现且并联到电磁执行单元线圈上的短接设备，用于在线圈电压反向时将线圈短路。按照本发明，至少一个短接设备具有一个短接半导体开关(16)和一个用于检测电压反向的检测电路(30)，通过该检测电路可激活短接半导体开关(16)。
文档编号H01F7/06GK1808816SQ20061000500
公开日2006年7月26日 申请日期2006年1月18日 优先权日2005年1月19日
发明者詹斯·蒂特谢尔特, 马克乌斯·伦津, 杰弗·特拉维斯, 丹·弗格森 申请人:Dbt有限公司