DE3906621C1 - - Google Patents

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.

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.