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Die
Erfindung betrifft einen Bergbau-Elektromagnet zum Schalten von
im untertägigen
Bergbau eingesetzten, hydraulischen Vor- oder Hauptsteuerventilen,
mit einer Spule, die an ein eigensicheres, ihrer Strom- und Spannungsversorgung
dienendes Netzteil anschließbar
oder angeschlossen ist, mit einem durch Bestromen der Spule verschiebbaren
Anker und mit einer elektronischen Steuereinrichtung, mittels der
der Strom, der der Spule zugeführt
wird, in der Anzugsphase des Ankers auf einen Erregerstrom und in
der Haltephase für
den Anker auf einen gegenüber
dem Erregerstrom niedrigeren Haltestrom einstellbar ist.
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Beim
Betrieb untertägiger
elektrohydraulischer Anlagen, wie z. B. Ausbaueinheiten zum Abstützen des
untertägigen
Abbauraums hinter der Abbaufront für die Kohlegewinnung, erfolgt
aufgrund von Explosions- und Schlagwettergefahr die elektrische
Spannungs- und Stromversorgung der zu schaltenden Elektromagneten
einer Gruppe von Ausbaueinheiten mittels eigensicherer Netzteile
und eigensicherer Gleichstromkreise. Aufgrund der Eigensicherheit
des Netzteils und des gesamten, untertägigen Stromkreises ist die
Restenergie bei einer Fehlfunktion so gering, daß selbst ein Funke nicht genügend Energie
hätte,
eine Explosion auszulösen.
Aufgrund der systembedingt begrenzten Leistungen, die zum Schalten
zur Verfügung
stehen und mit den eigensicheren Netzteilen erzeugt werden können, ist es üblich, mit
einer den Elektromagneten zugeordneten elektronischen Steuereinrichtung
den Haltestrom in der Haltephase auf ein ge genüber dem Erregerstrom niedrigeres
Stromniveau abzusenken (
DE
32 29 835 C2 ). Im untertägigen Bergbau wird bei Elektromagneten
mit entsprechenden Steuerungseinrichtungen auch von Elektromagneten
mit Haltestromabsenkung gesprochen. Bei der Absenkung des Haltestroms
auf das niedrigere Haltestromniveau wird die Remanenzkraft, die
während
des Schaltvorgangs des Elektromagneten erzeugt wird, zum Halten
des Ankers und mithin zum Halten des Schließkörpers des Vor- oder Hauptsteuerventils
in einer seiner beiden Schaltstellungen benutzt. Der Anker des Elektromagneten
und der Schließkörper des
Hydraulikventils werden in der Regel nach Abschalten des Elektromagneten
durch die Rückstellkraft
einer Feder in die Ausgangsstellung zurückbewegt. Aus den vorgenannten
Gründen
und zur Reduzierung der mit den eigensicheren Netzteilen erzeugten
und abzuführende
Wärme wird
im untertägigen
Bergbau angestrebt, mit einem einzigen Netzteil möglichst
viele elektrohydraulische Ventile der Ausbaueinheiten ansteuern und
schalten zu können.
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Als
Alternative zu der aus der
DE
32 29 835 C2 bekannten Haltestromabsenkung ist in der
DE 102 12 092 A1 der
Anmelderin vorgeschlagen, den Ist-Strom in der Spule des zu schaltenden
Elektromagneten kontinuierlich zu messen und als Referenzsignal
für die
Haltestromabsenkung zu verwenden. Da die Bewegung des Ankers eine
Veränderung
des Ist-Stroms induziert, kann durch die kontinuierliche Messung
der optimale Zeitpunkt zum Absenken des zugeführten Stroms auf das Haltestromniveau
gefunden und zur Haltestromabsenkung herangezogen werden kann.
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Bei
den im untertägigen
Bergbau eingesetzten Bergbau-Elektromagneten
ist es bisher üblich, daß vor der
Aktivierung des Elektromagneten kein Stromfluß stattfindet und daß die Spule
des Elektromagneten erst dann Energie verbraucht, wenn durch eine übergeordnete
Steuerung ein Schaltvorgang für einen
bestimmten Elektromagneten eingeleitet wird. Während des Schaltvorgangs hat
dann jeder einzelne Elektromagnet eine vergleichsweise hohe, gesamte
Energieaufnahme.
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Aus
der
DE 36 23 908 A1 eine
Steuerschaltung mit Haltestromabsenkung für einen Elektromagneten bekannt,
die insbesondere im Werkzeugmaschinenbau einsetzbar ist. Die Steuerschaltung
verwendet eine Serienschaltung von Induktivität, Diode, ansteuerbarem Halbleiterschalter,
Magnetspule und Transistor sowie einen parallel zu Transistor und
Magnetspule geschalteten Ladekondensator. Mit dieser Schaltung sollen
eine Vielzahl von Elektromagneten z. B. bei Antennenschaltfeldern
oder einer Ablaufsteuerung nacheinander mit einer durch die Steuerschaltung
weit über
die Betriebsspannung der Betriebsspannungsquelle erhöhten Spannung
geschaltet werden.
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Aus
der
DE 33 28 309 A1 ist
es für
mehrstufig mit Gleichstrom betriebene, insbesondere im Motorenbau
einsetzbare Elektromagneten mit langem Hub oder hoher Schaltleistung
bekannt, die Wicklung des Elektromagneten derart zu bemessen, dass
die Betriebsspannung gerade die Halteleistung erzeugt, während die
höhere
Leistung zum Schalten des Elektromagneten einem der Versorgungsspannung
aufgeschalteten Speicherkondensator entnommen wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen für
den Einsatz im untertägigen
Bergbau hinsichtlich Leistungsfähigkeit
verbesserten Elektromagneten zu schaffen, ohne daß die Anzahl
der mit einem Netzteil versorgbaren Elektromagneten abnimmt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß dem
Bergbau-Elektromagnet ein mit der Netzteilspannung des Netzteils
aufladbares Speichermittel zugeordnet ist, das durch Einleiten eines
Schaltvorgangs für
den Elektromagneten in Reihe zum Netzteil zuschaltbar oder zugeschaltet
ist und durch seine Entladung während
der Dauer der Anzugsphase eine Erhöhung der an der Spule des zu schaltenden
Elektromagneten anliegenden Spannung gegenüber der Versorgungsspannung
des Netzteils bewirkt. Die mit dem Speichermittel bewirkte Verkürzung der
Schaltzeit bis zur Beendigung der Ankerbewegung bietet be sondere
Vorteile, wenn erfindungsgemäß mit der
Steuereinrichtung oder einer übergeordneten
Schalteinrichtung mehrere Elektromagneten kaskadiert eingeschaltet
werden. Durch die kaskadierte Einschaltung mehrerer Elektromagneten
können
bei gleicher für
das Netzteil sichtbarer Stromaufnahme die doppelte Anzahl von Aktoren
innerhalb der gleichen Zeit durchgeschaltet werden oder es können innerhalb
der gleichen Zeit eine gleiche Anzahl von Schaltmagneten mit halbem
Strom durchgeschaltet werden. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird
die am Elektromagneten anliegende Spannung mit Beginn des Schaltvorgangs
für den Elektromagneten
erhöht.
Bei Einleiten des Schaltvorgangs wird das Speichermittel in Reihe
zu dem die Spule versorgenden Netzteil geschaltet, so daß durch
den Anschluß an
das Netzteil und die gleichzeitige Entladung des Speichermittels
eine Erhöhung der
Spulenspannung eintritt, ohne daß für das Netzteil eine sichtbare
Erhöhung
der Stromaufnahme verursacht wird. Die Anstiegssteilheit der Exponentialfunktion
einer Spule verhält
sich umgekehrt proportional zur anliegenden Spannung, so daß sich auch die
Schaltzeit bis zur Ankerbewegung des Elektromagneten durch Erhöhung der
Versorgungsspannung verkürzen
läßt. Aufgrund
der höheren
Versorgungsspannung vergeht eine kürzere Zeitspanne bis zum Zeitpunkt,
zu welchem der Anker seine Endposition erreicht hat. Dieser Zeitpunkt
entspricht dem Ende der Anzugsphase bzw. dem optimalen Beginn der
Haltestromphase. Durch die Verkürzung
der Anzugsphase kann die Haltestromphase zu einem früheren Zeitpunkt
einsetzen und die hierdurch zusätzlich
zur Verfügung
stehende Leistung des Netzteils kann zum Schalten anderer Elektromagneten
verwendet werden.
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In
bevorzugter Ausgestaltung ist der Bergbau-Elektromagnet derart ausgeführt, daß das Speichermittel
unabhängig
vom Schaltzustand des Elektromagneten mit der Versorgungsspannung
des Netzteils aufladbar ist, so daß nach jedem Schaltvorgang bzw.
nach Abschluß jeder
Anzugsphase das Speichermittel bereits wieder aufgeladen wird und
für einen
weiteren Schaltvor gang zur Verfügung
steht. Bei dem Speichermittel handelt es sich vorzugsweise um einen
Kondensator. Um den Einfluß des
zusätzlichen Speichermittels
auf das Netzteil zu limitieren, ist weiter von Vorteil, wenn dem
Speichermittel ein Vorwiderstand zur Begrenzung bzw. Voreinstellung
des Ladestroms für
das Speichermittel vorgeschaltet ist. Für den Betrieb des Bergbau-Elektromagneten im untertägigen Einsatz
wirkt sich besonders vorteilhaft aus, wenn das Speichermittel bzw.
der Kondensator derart dimensioniert bzw. in seiner Kapazität angepasst
ist, daß eine
Spannungserhöhung
zumindest bis zum Ende der Anzugsphase, vorzugsweise exakt bis zum
Ende der Anzugsphase gewährleistet
ist. Das Speichermittel kann insbesondere derart dimensioniert und
ausgewählt
sein, daß die
in der Anzugsphase anliegende Spannung gegenüber der Versorgungsspannung
des Netzteils verdoppelt ist. Hierdurch halbiert sich die Schaltzeit
bzw. Durchschaltdauer bis zum Ende der Anzugsphase gegenüber einem
Bergbau-Elektromagneten, der konventionell ohne Spannungserhöhung geschaltet
wird..
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In
einer möglichen
Ausgestaltung ist das Speichermittel in die Steuereinrichtung, mit
der die Haltestromabsenkung bewirkt wird, integriert. Dies ermöglicht,
daß sich
nach Entladen des Kondensators automatisch wieder die eigentliche
Versorgungsspannung des Netzteils einstellt, die mit der Steuereinrichtung
dann auf das Haltestromniveau abgesenkt wird, so daß in der
Haltestromphase keine Erhöhung
des Betriebsstroms verursacht wird.
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Die
Steuereinrichtung kann insbesondere mit einer Meßeinrichtung zum Messen des
Ist-Stroms in der Spule und einer Auswerteeinrichtung zum Erkennen
einer Bewegung des Ankers anhand des gemessenen Ist-Stroms versehen
sein, wie dies im einzelnen in der
DE 102 12 092 A1 der Anmelderin offenbart
ist, auf die hierzu ausdrücklich
Bezug genommen wird.
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Für die kaskadierte
Schaltung mit der Steuereinrichtung ist besonders vorteilhaft, wenn
jeder Steuereinrichtung zwei in einem gemeinsamen Gehäuse angeordneten
Elektromagneteneinsätze
mit Spule und Anker zugeordnet sind. Die übergeordnete Schalteinrichtung
kann insbesondere aus einer Strebsteuereinrichtung oder einem Ausbausteuergerät für einen
untertägigen
elektrohydraulischen Ausbauschild bestehen. Jedem Elektromagneten
sollte hierbei ein eigenes Speichermittel zugeordnet sein.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels
erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
ein elektrohydraulisches Steuerventil für den untertägigen Einsatz
mit zwei Elektromagneteinsätzen,
zwei hydraulischen Mehrwegeventilen und einer zugeordneter Steuereinrichtung;
und
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2 in
einem Kurvendiagramm die Stromaufnahme der Elektromagneten und die
Gesamtstromaufnahme.
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Das
in 1 insgesamt mit 10 bezeichnete elektrohydraulische
Steuerventil ist modular aufgebaut und umfasst ein Elektromagnetengehäuse 1 mit zwei
Elektromagneteneinsätzen
bzw. Elektromagneten 2, 3, die jeweils, wie bekannt,
einen nicht dargestellten Anker sowie eine ebenfalls nicht dargestellte Spule
aufweisen. Durch Bestromen der zugehörigen Spulenwicklung jeweils
eines der beiden Elektromagneten 2, 3 kann deren
Anker zwischen einer Ausgangsstellung und einer Endstellung hin-
und herbewegt werden. Das Elektromagnetengehäuse 1 ist an einem
Ventilblock 4 angeflanscht, welcher mehrere hydraulische
Mehrwegeventile 5, 6 aufnimmt, die mittels der
Elektromagneten 2, 3 unabhängig voneinander geschaltet
werden können.
Im untertägigen
Bergbau sind häufig
acht Hydraulikventile in einem gemeinsamen Ventilblock angeordnet.
Das Hydraulikventil 5 in 1 befindet
sich in einer Schaltstellung, in welcher ein Verbraucheranschluß A1 an die Hochdruckleitung P für ein Hydraulikfluid
angeschlossen ist. Der Anker des Elektromagneten 2 befindet
sich entsprechend in seiner Endposition. Das Hydraulikventil 6 in 1 befindet
sich in seiner Ausgangsstellung, in der ein Verbraucheranschluß A2 an eine Rücklaufleitung T angeschlossen
ist. Der zugehörige Anker
des Elektromagneten 3, mit welchem das Hydraulikventil 6 geschaltet
wird, befindet sich entsprechend in seiner Ausgangsstellung.
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Das
elektrohydraulische Ventil
10 umfasst desweiteren ein am
Elektromagnetengehäuse
1 befestigtes
Elektronikgehäuse
7 zur
Aufnahme einer insgesamt mit
20 bezeichneten elektronischen
Steuereinrichtung. Die Elektromagneten
2,
3 sind über die elektronische
Steuereinrichtung
20 an eine weiter nicht dargestellte übergeordnete
Strebsteuerung angeschlossen. Zur Stromversorgung der Spulen der Elektromagneten
2,
3 sind
diese über
die Leitungen
8,
9 an ein eigensicheres Netzteil
23 angeschlossen, wobei
mit dem eigensicheren Netzteil
23 zugleich weitere Elektromagneten
von elektrohydraulischen Steuerventilen mit Spannung bzw. Strom
versorgt werden. Mit der Steuereinrichtung
20 kann eine
Haltestromabsenkung in der Haltephase der Elektromagneten
2,
3 bewirkt
werden, wie dies beispielsweise aus der
DE 102 12 092 A1 oder der
DE 32 29 835 B2 bekannt
ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist hierzu den Spulen beider Elektromagneten
2,
3 jeweils
ein Meßwiderstand
R
1 bzw. R
2 zugeordnet,
mit denen der Ist-Strom in den Spulenwicklungen der Elektromagneten
2,
3 gemessen
werden kann, um durch Auswerten des gemessenen Ist-Stroms mittels eines
Mikroprozessors
21 der Steuereinrichtung
20 den
Ist-Strom auf ein niedrigeres Haltestromniveau zeitoptimal abzusenken.
Das Absenken auf das Haltestromniveau kann insbesondere durch Pulsweitenmodulation
mit einer Pulsweitenmodulation-Stelleinheit
22 durchgeführt werden.
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Erfindungsgemäß ist beiden
Elektromagneten 2, 3 jeweils ein Speichermittel 24 bzw. 25 zugeordnet,
welches im Ausführungsbeispiel
nach 1 in die Steuereinrichtung 20 integriert
ist, jedoch auch an anderer Stelle, insbesondere auch in einer übergeordneten
Strebsteuereinrichtung wie einem Ausbausteuergerät angeordnet sein könnte. Beide
Speichermittel 24, 25 umfassen vorzugsweise jeweils
einen Kondensator, dem ein Vorwiderstand zur Begrenzung des Ladestroms
für den
Kondensator vorgeschaltet ist. Beide Speichermittel 24, 25 werden unabhängig vom
Schaltzustand der Elektromagneten 2, 3 mit der
Versorgungsspannung aus dem Netzteil 23 über die
Leitungen 8, 9 geladen. Beide Speichermittel 24, 25 sind
dazu vorgesehen, während
der Anzugsphase des Ankers kurzfristig die an den Spulen der Elektromagneten 2, 3 anliegende
Spannung gegenüber
der mit dem Netzteil 23 aufbringbaren Versorgungsspannung
zu erhöhen.
Das Speichermittel 24 ist beispielsweise der Spule des
Elektromagneten 2 und das Speichermittel 25 der
Spule des Elektromagneten 3 zugeordnet. Wird nun, z. B.
von einer übergeordneten
Strebsteuereinrichtung, ein Schaltsignal zum Schalten des Elektromagneten 2 bzw.
des mit diesem betätigten
Hydraulikventils 5 ausgegeben, wird das Speichermittel 24 in
Reihe mit dem Netzteil 23 geschaltet, so daß sich durch
die Entladung des Kondensators des Speichermittels 24 beispielsweise
eine Ver dopplung der an der Spule des Elektromagneten 2 anliegenden
Spannung einstellt. Hierdurch halbiert sich die Durchschaltzeit
zwischen dem Einleiten des Schaltvorgangs für den Elektromagneten 2 und
dem Zeitpunkt, zu dem der Anker des Elektromagneten 2 seine
Endposition, in der das Hydraulikventil 5 geschaltet ist,
erreicht, gegenüber
einem Elektromagneten, der ausschließlich mit der Versorgungsspannung
des Netzteils 23 versorgt wird. Auf die gleiche Weise kann,
nachdem ein Schaltvorgang für
den Elektromagneten 3 eingeleitet wurde, die an der Spule
des Elektromagneten 3 anliegende Spannung durch Inreiheschalten
des Kondensators des Speichermittels 25 mit dem Netzteil 23 verdoppelt
und damit die Durchschaltzeit für
den Elektromagneten 3 halbiert werden. Das Schalten beider
Elektromagneten 2, 3 erfolgt vorzugsweise kaskadiert,
wobei die kaskadierte Schaltung entweder über den Mikroprozessor 21 oder über eine übergeordnete
Schalteinrichtung bewirkt wird.
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Der
Effekt, der mit dem erfindungsgemäßen Speichermittel 24, 25 und
der kaskadierten Schaltung erreicht werden kann, wird nun unter
Bezugnahme auf die 2 erläutert. In der 2 ist
die Stromaufnahme der beiden kaskadiert und mit Spannungsverdopplung
geschalteten Elektromagneten 2, 3 dargestellt.
Hierbei zeigt die Linie 30 die Stromaufnahme der Spule
des Elektromagneten 2 und die Linie 40 die Stromaufnahme
des Elektromagneten 3. Zur Erläuterung und zum Verständnis der 2 wird
unterstellt, daß ein
konventioneller, gattungsgemäßer, mit
der Versorgungsspannung des Netzteils 23 geschalteter Elektromagnet
eine Stromaufnahme von 200 mA in der Anzugsphase und eine Stromaufnahme
von 30 mA in der Haltephase hat, wobei die Schaltzeit dieses Elektromagneten
bis zum Beginn der Haltephase 200 ms beträgt. Durch
den erfindungsgemäß in der Anzugsphase
zugeschalteten und sich entladenden Kondensator des Speichermittels 24 wird
eine Verdopplung der momentanen Spulenversorgungsspannung bewirkt,
wodurch die Durchschaltzeit des Elektromagneten 2, wie
die Linie 30 in 2 zeigt, auf 100 ms halbiert
wird. Anschließend
wird der Strom für die
Spu le des Elektromagneten 2 auf das Haltestromniveau von
30 mA angesenkt. In der gleichen Weise wird über den geladenen und sich
in der Anzugsphase entladenden Kondensator des Speichermittels 25 die
Schaltzeit des Elektromagneten 3 auf 100 ms halbiert. Am
Ende der Anzugsphase wird dann die Stromaufnahme des Elektromagneten 3 auf
das Haltestromniveau von 30 mA abgesenkt, wie die Linie 40 verdeutlicht.
Die Gesamtstromaufnahme beider Elektromagneten 2, 3 steigt,
wie die Linie 50 zeigt, nur kurzfristig während des
Schaltvorgangs für
den Elektromagneten 3 auf eine Gesamtstromaufnahme von 230
mA an und liegt in der Haltestromphase beider Elektromagneten bei
60 mA. Wären
beide Elektromagneten 2, 3 ausschließlich mit
der Spannung des Netzteils 23 beaufschlagt worden, hätte bei
gleichzeitigem Einschalten beider Elektromagneten während der
dann längeren
Durchschaltzeit von 200 ms die Gesamtstromaufnahme beider Elektromagneten
400 mA betragen. Durch die Erfindung können mithin in der gleichen
Zeit zwei weitere Elektromagneten geschaltet werden, ohne daß das Netzteil 23 eine
höhere
Leistung abgeben muß.
Die erfindungsgemäßen Vorteile
wirken sich insbesondere bei untertägigen, elektrohydraulischen
Ausbausteuerungen aus, da durch die Erfindung doppelt so viele Elektromagneten
in derselben Zeit geschaltet und mit einem gemeinsamen Netzteil
versorgt werden können.
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Für den Fachmann
ergeben sich aus der vorhergehenden Beschreibung eine Reihe von
Abweichungen, die in den Schutzbereich der anhängenden Ansprüche fallen.
Der Fachmann kann insbesondere die Art und Weise, wie das Speichermittel
für die kurzfristige
Steigerung der an den Spulen anliegenden Spannung aufgebaut ist,
variieren. Die Haltestromabsenkung kann, wie in der
DE 102 12 092 A1 beschrieben,
durchgeführt
werden. Für
die Haltestromabsenkung lassen sich jedoch auch andere Verfahrensweisen
wählen,
ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen.