PL204248B1 - Urządzenie sterujące dla elektromagnesu, zwłaszcza do górniczych układów sterowania - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie sterujące dla elektromagnesu, zwłaszcza do górniczych układów sterowania, znajdujących zastosowanie w szczególności w elektronicznych układach sterowania sekcji ścianowej obudowy zmechanizowanej.

W podziemnych urządzeniach elektrohydraulicznych, dla przykładu w sekcjach obudowy górniczej, w związku z zagrożeniem wybuchowym i agresywnym środowiskiem, zasilanie w prąd elektryczny grup sekcji obudowy następuje poprzez bezpieczne wobec metanu zasilacze i obwody prądu stałego. Dzięki takiej charakterystyce zasilaczy i sieci elektrycznej przy awarii jakiejś funkcji ewentualne zaiskrzenie nie ma wystarczająco dużej energii dla wywołania eksplozji. W wyniku systemowych ograniczeń mocy prądu wykorzystywanego do włączania funkcji oraz generowanego przez bezpieczne wobec metanu zasilacze stosuje się, znane na przykład z niemieckiego opisu patentowego DE 32 29 835 C2 rozwiązania, w których za pomocą przyporządkowanego elektromagnesom elektronicznego urządzenia sterującego, prąd trzymania w fazie trzymania obniża się do poziomu niższego od prądu wzbudzenia.

W górnictwie podziemnym, przy elektromagnesach z odpowiednimi urządzeniami sterującymi istotny jest również problem obniżenia prądu trzymania elektromagnesów. Przy obniżeniu wartości prądu trzymania na niższy poziom, siła szczątkowej indukcji magnetycznej, generowanej w procesie włączania elektromagnesów wykorzystywana jest do trzymania elektromagnesu wykonawczego zaworu wstępnego bądź głównego sterowania w jednej z dwóch pozycji włączających. Kotwica elektromagnesu i element wykonawczy zaworu hydraulicznego z reguły, po odcięciu zasilania elektromagnesu, poruszane są wstecz w wyniku zadziałania siły powrotnej jednej ze sprężyn. Stąd też, dla zredukowania ilości ciepła wytwarzanego i odprowadzanego przez bezpieczne wobec metanu zasilacze, dąży się do umożliwienia zasterowywania i włączania wielu zaworów elektrohydraulicznych sekcji obudowy za pomocą tylko jednego zasilacza.

W innym rozwiązaniu, na przykład znanym z niemieckiego opisu patentowego DE 102 12 092 A1 elektromagnes służący uruchamianiu elementu wykonawczego zaworu hydraulicznego sterowany jest za pomocą elektronicznego układu sterującego, wyposażonego w mikroprocesor i jednostkę modulacyjną. Do uzwojenia cewki elektromagnesu w fazie przyciągania kotwicy doprowadzany jest prąd wzbudzenia, a w fazie trzymania kotwicy realizowana jest funkcja redukcji prądu trzymania. Prąd rzeczywisty w uzwojeniu cewki elektromagnesu, po jego zasterowaniu, jest stale mierzony za pomocą opornika pomiarowego, współpracującego z mikroprocesorem, dla rozpoznania ruchu kotwicy. Siła przyciągania jest proporcjonalna do przepływu prądu rzeczywistego, natomiast ruch elementu wykonawczego wyzwala przeciwindukcję, która kumuluje się w mierzonym prądzie rzeczywistym w uzwojeniu cewki. Śledzenie ruchu kotwicy pozwala, dzięki redukcji prądu do poziomu prądu trzymania realizowanej poprzez elektroniczne urządzenie sterujące z mikroprocesorem i jednostką modulującą, na optymalizację wielkości energii. Zaznaczenia wymaga fakt, że dotychczas w elektromagnesach przed ich aktywacją nie zachodził przepływ prądu elektrycznego, a cewka elektromagnesu pobierała energię dopiero wtedy, gdy sygnał włączający dla określonego elektromagnesu został nadany przez nadrzędne urządzenia sterujące. Podczas procesu włączającego każdy pojedynczy elektromagnes wykazywał stosunkowo wysoki sumaryczny pobór energii.

Celem wynalazku jest opracowanie udoskonalonej wersji urządzenia sterującego dla elektromagnesu, zapewniającej korzystniejsze parametry techniczno-ruchowe elektrohydraulicznych układów sterowania.

Istota wynalazku polega na tym, że urządzenie sterujące wyposażone jest w zintegrowany z mikroprocesorem akumulator, połączony szeregowo z zasilaczem. Akumulator przez swe rozładowanie dla fazy przyciągania powoduje wzrost, a korzystnie maksymalnie podwojenie, napięcia przyłożonego na cewce elektromagnesu uruchamianego w stosunku do napięcia zasilania z zasilacza.

W preferowanym wykonaniu urządzenia, akumulator podłączony jest do zasilacza, niezależnie od stanu włączenia elektromagnesu, dzięki czemu akumulator może podlegać ładowaniu w dowolnym czasokresie poza fazą przyciągania, realizowaną przez elektromagnes, w której to fazie odbywa się rozładowanie akumulatora.

Korzystnym jest także, gdy akumulator podłączony jest do zasilacza poprzez opornik, co pozwala na ograniczenie prądu ładowania.

Najlepiej jest, gdy akumulator jest kondensatorem, względnie obejmuje kondensator.

Szczególnie korzystnym jest, gdy mikroprocesor urządzenia połączony jest z opornikiem pomiarowym prądu rzeczywistego, włączonym w obwód cewki elektromagnesu.

PL 204 248 B1

Pożądanym jest zwłaszcza takie wykonanie urządzenia, w którym ma ono przyporządkowanych wiele połączonych kaskadowo do zasilacza elektromagnesów, współpracujących z odpowiadającymi im zaworami.

Ze względów praktycznych, wynikających ze specyfiki sterowania sekcjami górniczej obudowy ścianowej, celowym jest takie wykonanie, w którym urządzenie ma każdorazowo przyporządkowane dwa, zlokalizowane we wspólnej obudowie elektromagnesy z cewkami i kotwicami współpracującymi z odpowiadającymi im zaworami, co jest szczególnie pożądane przy kaskadowym włączaniu elektromagnesów za pomocą urządzenia sterującego.

Zasadnicza korzyść z zastosowania urządzenia według wynalazku wynika z charakterystyki jego działania. Napięcie prądu doprowadzonego do elektromagnesu wzrasta z chwilą rozpoczęcia procesu włączania elektromagnesu. Zainicjowanie jego włączania powoduje, że akumulator włączony jest szeregowo do zasilacza zasilającego cewkę, wskutek czego przy równoczesnym rozładowaniu akumulatora następuje wzrost napięcia na cewce, nie powodujący widocznego wzrostu poboru prądu. Nachylenie charakterystyki funkcji wykładniczej cewki zachowuje się odwrotnie proporcjonalnie do przyłożonego napięcia, wskutek czego nawet czas włączenia do ruchu kotwicy elektromagnesu można skrócić poprzez podniesienie napięcia zasilającego. W wyniku podwyższenia tego napięcia czas do momentu, gdy kotwica osiągnie swą pozycję końcową ulega skróceniu. Ten moment odpowiada końcowi fazy przyciągania, względnie optymalnemu momentowi rozpoczęcia fazy trzymania. Dzięki skróceniu fazy przyciągania może być wcześniej wdrożona faza trzymania, a uzyskana przez to rezerwa mocy zasilacza może być wykorzystana do włączania innych elektromagnesów. Stąd też dzięki wynalazkowi możliwym jest uruchamianie dwa razy większej niż dotychczas liczby elektromagnesów w tym samym czasie przez wspólny zasilacz, co podnosi sprawność układu sterowania przy optymalnych warunkach pracy. Zintegrowanie akumulatora z mikroprocesorem umożliwia automatyczne, ponowne nastawienie właściwego napięcia zasilającego zasilacza po rozładowaniu akumulatora i/lub kondensatora, które z kolei za pomocą urządzenia sterującego ponownie redukowane jest do poziomu prądu trzymania tak, że w fazie trzymania nie zachodzi zjawisko wzrostu prądu roboczego. Kaskadowe włączanie wielu elektromagnesów do zasilania przy pomocy urządzenia według wynalazku, względnie z udziałem nadrzędnego urządzenia sterującego umożliwia przy takim samym poborze prądu uruchomienie dwukrotnie większej ilości elementów wykonawczych, bądź też w tym samym czasie można przełączyć taką samą ilość elektromagnesów przy o połowę mniejszym poborze prądu.

Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia w ujęciu schematycznym zawór elektrohydrauliczny z dwoma elektromagnesami, dwa zawory hydrauliczne wielodrożne i jedno przynależne im urządzenie sterujące, a fig. 2 - charakterystykę poboru prądu przez elektromagnesy i poboru prądu całościowego.

Elektrohydrauliczny zawór sterujący I ma budowę modułową i zawiera obudowę 1 z dwoma elektromagnesami 2, 3, z których każdy, jak powszechnie wiadomo, posiada nie narysowaną kotwicę i również nie narysowaną cewkę. Dzięki przepływowi prądu przez uzwojenie przynależnej cewki, każdorazowo jednego z dwóch elektromagnesów 2, 3, jego kotwica może poruszać się tam i z powrotem od pozycji wyjściowej do pozycji końcowej. Obudowa 1 elektromagnesów 2, 3 przyłączona jest kołnierzowo do bloku zaworowego 4, w którym znajduje się wiele hydraulicznych zaworów wielodrożnych 5, 6 włączanych niezale ż nie od siebie, za pomocą elektromagnesów 2, 3. W górnictwie podziemnym zwykle stosuje się bloki zaworowe z ośmioma zaworami hydraulicznymi. Przykładowo (fig. 1) zawór hydrauliczny 5 znajduje się w pozycji włączającej, w której przyłącze odbiornika A1 podłączone jest do przewodu wysokociśnieniowego P medium hydraulicznego. Kotwica elektromagnesu 2 znajduje się odpowiednio w swej końcowej pozycji. Zawór hydrauliczny 6 zaś znajduje się w swej pozycji wyjściowej, w której przyłącze odbiornika A2 podłączone jest do przewodu spływowego T. Przynależna kotwica elektromagnesu 3, którą włączany jest zawór hydrauliczny 6, znajduje się odpowiednio w pozycji wyjściowej.

Zawór elektrohydrauliczny I obejmuje ponadto przymocowaną do obudowy 1 elektromagnesów 2, 3 obudowę 7, w której ulokowane jest elektroniczne urządzenie sterujące II. Elektromagnesy 2, 3 połączone są poprzez to elektroniczne urządzenie sterujące II z dalszym, nie narysowanym sterowaniem ścianowym. Cewki elektromagnesów 2, 3 zasilane są w prąd poprzez przewody 8, 9 z zasilacza 10, który służy równocześnie do zasilania dalszych elektromagnesów elektrohydraulicznych zaworów sterujących. Za pomocą elektronicznego urządzenia sterującego II uzyskuje się obniżenie wartości prądu trzymania w fazie trzymania elektromagnesów 2, 3, co jest znane ze stanu techniki.

PL 204 248 B1

W opisywanym przykł adzie wykonania każ dej cewce obydwóch elektromagnesów 2, 3 przyporządkowany jest opornik pomiarowy R1 względnie R2, do wykonywania pomiaru wartości prądu chwilowego w uzwojeniu cewek elektromagnesów 2, 3. Dzięki temu, w wyniku analizy matematycznej w mikroprocesorze 11 urządzenia sterującego II, dokonuje się obniżenia wartości prądu chwilowego do wartości niższej prądu trzymania w optymalnym czasie. Redukcja do poziomu wartości może być realizowana w drodze modulacji impulsowej za pomocą regulatora 12 modulacji długości impulsów.

Zgodnie z wynalazkiem każdemu z elektromagnesów 2, 3 przyporządkowany jest akumulator 13 względnie 14, który w tym wykonaniu jest zintegrowany w urządzeniu sterującym II, chociaż może być również zlokalizowany w innym miejscu, zwłaszcza w nadrzędnym urządzeniu sterowania ścianowego, bądź w urządzeniu sterowania ścianowego, lub w urządzeniu sterującym sekcją obudowy ścianowej. Obydwa akumulatory 13, 14 niezależnie od pozycji włączeniowej elektromagnesów 2, 3 ładowane są poprzez przewody 8, 9 z odpowiadającego sterowaniu zasilacza 10. Zadaniem tych akumulatorów 13, 14 jest spowodowanie krótkotrwałego wzrostu napięcia przyłożonego do cewek elektromagnesów 2, 3 w stosunku do napięcia zasilającego, podawanego z zasilacza 10. Akumulator 13 jest przykładowo przynależny cewce elektromagnesu 2, a akumulator 14 - cewce elektromagnesu 3. Jeśli z nadrzędnej jednostki sterującej wyjdzie sygnał aktywujący do włączenia elektromagnesu 2, względnie poprzez niego włączonego zaworu hydraulicznego 5, akumulator 13 zostanie włączony szeregowo z zasilaczem 10 i poprzez rozładowanie kondensatora akumulatora 13 napięcie przyłożone do cewki elektromagnesu 2 zostanie przykładowo podwojone. Dzięki temu o połowę skraca się czas do chwili zainicjowania procesu włączania elektromagnesu 2 do momentu, w którym kotwica elektromagnesu 2 osiągnie swą końcową pozycję, przy której zawór hydrauliczny 5 jest włączony, w porównaniu do czasu potrzebnego na taką samą operację elektromagnesowi 2 zasilanemu wyłącznie napięciem z zasilacza 10. W ten sam sposób można, po zainicjowaniu procesu włączania elektromagnesu 3, podwoić napięcie przyłożone do cewki elektromagnesu 3 poprzez szeregowe połączenie kondensatora akumulatora 14 z zasilaczem 10 i jednocześnie skrócić o połowę czas przełączania dla elektromagnesu 3. Załączenie obydwu elektromagnesów 2, 3 następuje korzystnie kaskadowo, przy czym włączanie kaskadowe uruchamiane jest albo przez mikroprocesor 11, albo przez nadrzędne urządzenie włączające.

Efekt możliwy do osiągnięcia zgodnie z wynalazkiem, dzięki zastosowaniu akumulatorów 13, 14 i kaskadowego włączania elektromagnesów 2, 3 pod podwojonym napięciem obrazuje charakterystyka zmian prądu w czasie (fig. 2). Oznaczenie I1 obrazuje przy tym pobór prądu cewki elektromagnessu 2 a oznaczenie I2 obrazuje pobór prądu cewki elektromagnesu 3. Przyjmuje się, że konwencjonalny, typowy elektromagnes 2, 3 włączany pod napięciem z zasilacza 10 wykazuje w fazie przyciągania kotwicy pobór prądu 200 mA, a w fazie trzymania pobór prądu 30 mA, przy czym czas włączania elektromagnesu 2, 3 do rozpoczęcia fazy trzymania wynosi 200 ms. Dzięki włączanemu w fazie przyciągania i rozładowującemu się kondensatorowi akumulatora 13 uzyskuje się podwojenie chwilowego napięcia zasilającego cewkę, przez co czas przełączania elektromagnesu 2 skrócony zostaje o połowę i wynosi 100 ms, co obrazuje linia I1. W efekcie prąd cewki elektromagnesu 2 zostaje obniżony do wartości prądu trzymania na poziomie 30 mA. Tą samą metodą przez naładowany w fazie przyciągania rozładowujący się kondensator akumulatora 14 czas przełączania elektromagnesu 3 zostaje skrócony do 100 ms. Na końcu fazy przyciągania pobór prądu przez cewkę elektromagnesu 3 spada do poziomu prądu trzymania o wartości 30 mA, co obrazuje linia I2. Całościowy pobór prądu obydwóch elektromagnesów 2, 3, zobrazowany linią I3, wzrasta na krótko podczas procesu włączania elektromagnesu 3 do wartości 230 mA i w fazie trzymania obydwóch elektromagnesów 2, 3 wynosi 60 mA. Gdyby obydwa elektromagnesy 2, 3 zasilane były tylko napięciem zasilającym z zasilacza 10, przy równoczesnym ich włączeniu i związanemu z tym dłuższemu, wynoszącemu 200 ms czasowi przyłączania, całkowity pobór prądu obydwóch elektromagnesów 2, 3 wynosiłby 400 mA. Powstaje zatem możliwość włączenia w tym samym czasie kolejnych dwóch elektromagnesów, bez konieczności zwiększania mocy zasilacza 10.

Zalety urządzenia sterującego zgodnego z wynalazkiem uwidaczniają się szczególnie wyraźnie w zastosowaniu pod ziemią, w warunkach górniczych w elektrohydraulicznych sterowaniach sekcjami obudowy zmechanizowanej, jako że umożliwiają uruchamianie w tym samym czasie dwa razy większej ilości elektromagnesów, które mogą być zasilane przez wspólny, bezpieczny wobec metanu zasilacz.

W ramach przedmiotowego wynalazku może istnieć wiele możliwych wariantów budowy akumulatorów, służących wywołaniu krótkotrwałego wzrostu napięcia w cewce elektromagnesu. Również redukcja wartości prądu trzymania może być realizowana na inne sposoby, zarówno wynikające ze stanu techniki, jak i ewentualnie różniące się od nich.

Claims (7)

1. Urządzenie sterujące dla elektromagnesu, zwłaszcza do górniczych układów sterowania, wyposażone w co najmniej jeden elektromagnes o cewce podłączonej, względnie podłączanej do odpowiadającego jej zasilacza i kotwicy sterującej przynależnym jej zaworem wstępnego, bądź głównego sterowania sekcji obudowy górniczej, przy czym do regulacji parametrów zasilania cewki służy elektroniczne urządzenie sterujące, wyposażone przynajmniej w mikroprocesor, znamienne tym, że wyposażone jest w akumulator (13, 14) zintegrowany z mikroprocesorem (11) i podłączony szeregowo do zasilacza (10).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że akumulator (13, 14) podłączony jest do zasilacza (10) niezależnie od stanu włączenia elektromagnesu (2, 3).

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że akumulator (13, 14) podłączony jest do zasilacza (10) za pośrednictwem opornika ograniczającego prąd ładowania.

4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że akumulator (13, 14) jest kondensatorem, względnie obejmuje kondensator.

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że jego mikroprocesor (11) połączony jest z opornikiem pomiarowym (R1, R2) prądu rzeczywistego, włączonym w obwód cewki elektromagnesu (2, 3).

6. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, albo 3, znamienne tym, że ma przyporządkowanych wiele przyłączonych kaskadowo do zasilacza (10) elektromagnesów (2, 3) współpracujących z odpowiadającymi im zaworami (5, 6).

7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że ma przyporządkowane po dwa, zlokalizowane we wspólnej obudowie (1) elektromagnesy (2, 3) z cewkami i kotwicami współpracującymi z odpowiadającymi im zaworami (5, 6).