PL229204B1 - Sposób i układ zdalnego zasilania urządzeń funkcjonujących w środowisku wybuchowym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób i układ zdalnego zasilania terminali elektrycznych, funkcjonujących w środowisku wybuchowym, zwłaszcza w metanowych kopalniach węgla kamiennego. Sposób przesyłania iskrobezpiecznej energii elektrycznej prądem przemiennym przez metalowy tor przesyłowy dla zasilania różnorakiego rodzaju terminali elektronicznych i elektrycznych funkcjonujących w środowisku wybuchowym, polega na tym, że dokonuje się konwersji energii zasilania prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej (50 Hz) w sinusoidalny prąd w zakresie kilohercowym częstotliwości, następnie prąd przemienny jest przekazywany do toru przesyłowego poprzez transformator separujący i obwód elektryczny, tworzący wspólnie z indukcyjnością wtórnego uzwojenia transformatora układ selektywnego filtrowania dla wybranej częstotliwości prądu zasilania, na przykład układ w którym powstaje rezonans napięciowy lub prądowy lub oba razem. Układ przesyłania energii elektrycznej prądem przemiennym zawiera szeregowo połączone filtr sieciowy (1), prostownik (2), filtr prostownika (3), generator zadający prądu przemiennego (4), wzmacniacz mocy (5), interfejs selektywny (6), układ separacji energetycznej (7), wyjście którego jest związane z wejściem toru przesyłowego (8), a wejście sterujące jest związane z wyjściem czujnika prądu (9), wejście którego jest związane z wyjściem pomiarowym interfejsu selektywnego (6).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ zdalnego zasilania terminali elektrycznych funkcjonujących w środowisku wybuchowym, zwłaszcza w metanowych kopalniach węgla kamiennego.

Znane są sposoby i układy ich realizacji zdalnego zasilania prądem stałym lub przemiennym przez metalowy tor przesyłowy.

Ograniczenie wartości mocy elektrycznej, która może być dostarczona na odległość do urządzeń automatyki i telekomunikacji, funkcjonujących w środowisku wybuchowym, występuje z dwóch przyczyn, koniecznością zapewnienia przeciwwybuchowości wg wymagań dyrektywy ATEX 2014/34/UE, oraz zagrożeń porażeniowych, określonych przepisami górniczymi.

Znany jest, na przykład z opisu patentowego PL 155 753, sposób zdalnego iskrobezpiecznego zasilania urządzeń telekomunikacyjnych prądem stałym przez tor przesyłowy polegający na tym, że tor przesyłowy rozdziela się galwanicznie przelotowymi konwerterami napięcia tworząc odcinki toru, o długościach tak dobranych, aby wartość energii elektrycznej zgromadzonej w poszczególnych odcinkach była iskrobezpieczna. Wartość wyjściowego napięcia każdego odcinka jest podniesiona za pomocą przelotowych konwerterów napięcia, aby na wejściu następnego odcinka zostało utrzymane napięcie o jednakowej wartości, dopuszczonej przepisami bezpieczeństwa pracy pod napięciem. Iskrobezpieczeństwo poszczególnych odcinków linii przesyłowej zapewnia się za pomocą szybkodziałających układów izolacji energetycznej włączonych na ich początkach i końcach.

Wadą tego sposobu jest ograniczona wartość energii elektrycznej, która może być dostarczona przez tor przesyłowy do odbiorników terytorialnie rozłożonych przy jednoczesnym spełnieniu wymagań dyrektywy ATEX 2014/34/UE.

Z opisu patentowego PL 203 393 znany jest sposób przesyłania iskrobezpiecznej energii elektrycznej, poprzez tor przesyłowy, polegający na rozdzielaniu tego toru na odcinki za pomocą przelotowych konwerterów napięcia i utrzymaniu na wyjściu tych konwerterów największej wartości napięcia, dopuszczonej przepisami bezpieczeństwa pracy pod napięciem, w którym część energii elektrycznej, odebranej na końcu poszczególnych odcinków toru przesyłowego, doprowadza się do następnego odcinka tego toru jednokierunkowo bez przetwarzania, a pozostałą część energii elektrycznej przetwarza się w dodawczym konwerterze i doprowadza się do następnego odcinka, tak aby przy szeregowym dodaniu napięć, na wejściu następnego odcinka zostało utrzymane napięcie o żądanej wartości.

Znany jest z opisu patentowego SU 244496 sposób zapewnienia iskrobezpieczeństwa, według którego dokonuje się pomiaru wzrostu pobieranej mocy w ustalonym interwale czasowym, mniejszym od minimalnego okresu zapalenia mieszaniny wybuchowej i wyprzedzającym odłączeniu źródła zasilania wskutek przekroczenia wartości ustalonej.

Wadą takiego rozwiązania jest niska iskrobezpieczna energia doprowadzana do rozproszonych w terenie odbiorników energii elektrycznej oraz jego skomplikowana realizacja techniczna.

Z opisu patentowego SU 1559209 znany jest układ iskrobezpiecznego zasilania prądem przemiennym, w którym energia z iskrobezpiecznego źródła zasilania jest przetwarzana w energię wysokoczęstotliwościowego prądu przemiennego. Zatem wysokoczęstotliwościowy prąd przemienny jest przekazywany do obciążenia za pomocą separującego transformatora.

Celem takiego rozwiązania, według zastrzeżenia patentowego, jest zwiększenie niezawodności oraz uproszczenie układu zasilania. Wadą takiego jest niska iskrobezpieczna moc doprowadzana do obciążenia wskutek wydłużenia czasu odłączenia wyjściowego wzmacniacza mocy.

Ponadto znany jest, na przykład z opisu patentowego RU 2029876 sposób zapewnienia iskrobezpieczeństwa, według którego energia iskrobezpiecznego źródła prądu stałego jest przetwarzana w energię prądu przemiennego wysokiej częstotliwości, zatem wysokoczęstotliwościowy prąd przemienny jest różniczkowany i przekazywany do obwodu wyjściowego z wykorzystaniem operacji galwanicznej separacji i prostowania. Iskrobezpieczeństwo obwodu wyjściowego zapewnia się drogą kontroli częstotliwości prądu przemiennego w chwili powstania komutacji awaryjnej w obwodzie wyjściowym, to znaczy, że w przypadku odchylenia częstotliwości prądu przemiennego od wartości ustalonej następuje ograniczenie energii wysokoczęstotliwościowego prądu przemiennego przekazywanego do obwodu wyjściowego.

Wadą takiego rozwiązania jest również niska iskrobezpieczna energia przekazywana do obciążenia z wykorzystaniem toru przesyłowego z przyczyny opóźnienia i niskiej szybkości zadziałania proPL 229 204 B1 cesu izolacji energetycznej spowodowanej opóźnieniem wnoszącym przez tor przesyłowy oraz wprowadzeniem w algorytm sterowania operacji różniczkowania, kontroli częstotliwości i zatem blokowanie dopływu energii do obciążenia, jak również jego skomplikowana realizacja techniczna.

Z kolei znany jest, na przykład z opisu patentowego RU 2055437 sposób zapewnienia iskrobezpieczeństwa, obwodu elektrycznego polegający na tym, że energia pierwotnego iskrobezpiecznego źródła zasilania jest przetwarzana w iskrobezpieczną energię wysokoczęstotliwościowego prądu przemiennego, zatem ten prąd poprzez wysokoczęstotliwościowy transformator separujący jest przekazywany do toru przesyłowego. Wymagania przeciwwybuchowości zapewnia się drogą przerwania strumienia magnetycznego w transformatorze separującym. Iskrobezpieczeństwo obwodu wyjściowego zapewnia się drogą zmniejszenia strumienia magnetycznego pomiędzy iskrobezpiecznym pierwotnym i iskrobezpiecznym wtórnym obwodem transformatora separującego.

Wadą takiego sposobu jest obecność elementu indukcyjnego w obwodzie zapewnienia iskrobezpieczeństwa, co zmniejsza jego szybko działalność, co skutkuje zmniejszeniem iskrobezpiecznej mocy elektrycznej doprowadzanej do odbiorników.

Znany jest, na przykład z Katalogu MTL Instruments - Bariery separujące serii MTL 3042, www.mtl-inst.com, sposób iskrobezpiecznego zasilania, według którego energia prądu stałego jest przetwarzana w energię prądu przemiennego, następuje separacja galwaniczna między obwodem wejściowym i obwodem wyjściowym, a iskrobezpieczeństwo - obwodu wyjściowego zapewnia się drogą ograniczenia prądu w obwodzie wejściowym.

Wadą takiego sposobu jest niska iskrobezpieczna energia przekazywana do obciążenia, ponieważ w trybie awaryjnym dokonuje się tylko ograniczenie energii elektrycznej doprowadzonej do obciążenia bez separacji energetycznej źródła zasilania.

Znany jest również z opisu patentowego GB 1533680 sposób i układ iskrobezpiecznego zasilania prądem przemiennym, na przykład napędu elektrycznego, zawierający zbudowany w układzie mostkowym inwerter, przetwarzający prąd stały z iskrobezpiecznego zasilacza w prąd przemienny, zasilający silnik elektryczny, włączony w przekątną mostka, przy czym wejście inwertera jest chronione bocznikiem zawierającym dwie równoległe diody.

Wadą takiego sposobu jest niska iskrobezpieczna moc doprowadzana do obciążenia, ponieważ iskrobezpieczeństwo obciążenia zapewnia się obwodami prądu stałego, iskrobezpieczna moc których jest znacznie niższa w porównaniu z mocą obwodów prądu przemiennego o podwyższonym napięciu.

Z opisu patentowego WO 02/099663 znane jest rozwiązanie iskrobezpiecznej magistrali komunikacyjnej i zasilającej prądem przemiennym. Iskrobezpieczeństwo magistrali zapewnia się drogą monitorowania fal odbitych na wejściu magistrali. W przypadku naruszenia trybu pracy magistrali współczynnik odbicia przewyższa wartość ustaloną co powoduje odpowiednie wysterowanie źródła zasilania w kierunku zmniejszenia mocy doprowadzanej do toru przesyłowego.

Wadą takiego rozwiązania jest wymagana stabilność poboru energii zasilania, co wyklucza możliwość zasilania odbiorników cechującymi się zmiennym w czasie poborem energii elektrycznej. Techniczna realizacja tego sposobu jest zbyt skomplikowana oraz wymaga stosowania kabli metalowych z małym stosunkiem jednostkowych indukcyjności do rezystancji, co jest sprzeczne z zasadami iskrobezpieczeństwa elektrycznych systemów z liniami przesyłowymi.

Znany jest z opisu patentowego US 4293799 system zasilania odbiorników energii elektrycznej, zwłaszcza fluorescencyjnych lamp, ulokowanych w strefie zagrożenia wybuchem. Budowa systemu jest oparta na stosowaniu przemiennego prądu w zakresie od 1 kHz do 500 kHz. Każdy odbiornik jest zasilany z wtórnego uzwojenia odrębnego transformatora, a pierwotne uzwojenia tych transformatorów są połączone szeregowo poprzez kondensatory. Rozwiązaniem według patentu US 42993799 jest modernizacja technicznego rozwiązania znanego z opisu patentowego GB 1401628.

Wadą takiego systemu jest możliwość zasilania odbiorników energii elektrycznej ulokowanych na stosunkowo małej odległości, ponieważ obecność znaczącej sumarycznej indukcyjności w obwodzie elektrycznym zmniejsza stosunek indukcyjności do rezystancji tego obwodu, co skutkuje zmniejszeniem iskrobezpiecznej mocy przekazywanej na odległość, zwłaszcza przy zapewnieniu iskrobezpieczeństwa kategorii ”ia”.

Znany jest także z opisu patentowego EP 2077007 schemat blokowy magistrali teleinformatycznej zawierającej na wejściu jeden główny sterownik i monitor bezpieczeństwa. Odbiorniki energii elektrycznej prądu stałego są kolejno podłączane do głównej magistrali poprzez odpowiednie wyłączniki. Magistrala zawiera główny wyłącznik sterowany przez monitor bezpieczeństwa.

PL 229 204 B1

Wadą takiego rozwiązania jest zbyt skomplikowana realizacja techniczna, konieczność organizacji dodatkowych kanałów sterowania oraz niski poziom nienaruszalności funkcjonalnej (SIL).

Znany jest również z polskiego opisu patentowego nr 158 382 układ iskrobezpiecznego zdalnego zasilania urządzeń telekomunikacyjnych zawierający źródło zasilania połączone przez pierwszy filtr dolnoprzepustowy i pierwszy układ zabezpieczenia z linią przesyłową, wyście której jest połączone przez drugi układ zabezpieczenia i drugi filtr dolnoprzepustowy z odbiornikiem energii elektrycznej, przy czym wejście linii przesyłowej jest jednocześnie połączone z wejściem pierwszego filtru górnoprzepustowego, wyjście którego jest związane z wejściem sterującym pierwszego układu zabezpieczenia, z kolei wyjście linii przesyłowej jest jednocześnie połączone z wejściem drugiego filtru górnoprzepustowego, wyjście którego jest związane z wejściem sterującym drugiego układu zabezpieczenia.

Wadą takiego strukturalnego rozwiązania układu przesyłania energii elektrycznej jest to, że w przypadku stosowania, w postaci układu zabezpieczenia elektronicznego, klucza zwierającego zaciski wyjściowe pierwszego filtru dolnoprzepustowego (tzw. zwiernik) energia źródła zasilania jest pompowana do tego układu zabezpieczenia. Wymusza to stosowanie elementów elektronicznych o dużej mocy, zabezpieczenia temperaturowego wg. wymagań norm iskrobezpieczeństwa (np. wydajnego radiatora i bezpiecznika termicznego). Z kolei wszelka zmiana prądu pobieranego przez odbiornik energii elektrycznej na końcu linii przesyłowej związana jest ze zmianą napięcia na jego wejściu.

Znany jest również z polskiego opisu patentowego nr 210 056 układ iskrobezpiecznego zasilania zawiera samowzbudny generator wysokiej częstotliwości z regulowanym korektorem amplitudy i fazy w pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego. Wyjście samowzbudnego generatora poprzez szeregowo połączone wzmacniacz, separujący transformator i prostownik związane jest z obciążeniem. Wadą tego sposobu jest również ograniczona wartość energii elektrycznej, charakterystyczna dla sposobów zdalnego zasilania prądem stałym, która może być dostarczona w sposób iskrobezpieczny przez tor przesyłowy do odbiorników terytorialnie rozłożonych.

W sposobie przesyłania iskrobezpiecznej energii elektrycznej prądem przemiennym przez metalowy tor przesyłowy dla zasilania różnorakiego rodzaju terminali elektronicznych i elektrycznych funkcjonujących w środowisku wybuchowym, według wynalazku, dokonuje się konwersji energii zasilania prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej (50 Hz) w sinusoidalny prąd w zakresie kilohercowym częstotliwości, następnie prąd przemienny jest przekazywany do toru przesyłowego poprzez transformator separujący i obwód elektryczny tworzący wspólnie z indukcyjnością wtórnego uzwojenia transformatora układ selektywnego filtrowania dla wybranej częstotliwości prądu zasilania, na przykład układ w którym powstaje rezonans napięciowy lub prądowy lub oba razem.

W przypadku realizacji rezonansu napięciowego rezystancja pasywna układu selektywnego filtrowania jest minimalna i określa się w stopniu dominującym dobrocią wtórnego uzwojenia transformatora separującego i obwodu elektrycznego. Przy powstaniu wyładowania iskrowego w torze przesyłowym energetyczne pasmo prądu zasilającego rozszerza się wskutek powstania pasm bocznych, dla których układ selektywnego filtrowania przestaje być rezonansowym, co równoznacznie wtrąceniu dodatkowej reaktancji i rezystancji dynamicznej w obwód zasilania i pogorszeniu warunków transformacji energii elektrycznej w energię cieplną w kanale wyładowania iskrowego. Dodatkowo przy powstaniu wyładowania iskrowego i naruszeniu warunków rezonansowych rośnie reaktancja dla częstotliwości odbieranej z transformatora separującego, co skutkuje zmniejszeniem energii elektrycznej doprowadzanej do punktu wyładowania iskrowego.

Z kolei w przypadku powstania rezonansu prądowego reaktancja bocznikująca zaciski wyjściowe wtórnego uzwojenia transformatora separującego jest maksymalna. Natomiast w trybie naruszenia warunków rezonansowych wskutek powstania wyładowania iskrowego reaktancja bocznikująca maleje. Powoduje to gwałtowne obniżenie energii elektrycznej pobieranej ze źródła zasilania i zmniejszenie prawdopodobieństwa zapalenia mieszaniny wybuchowej.

A więc, przy powstaniu komutacji awaryjnej na odcinku źródło zasilania-odbiornik energii elektrycznej powstaje mniej wydajne” wyładowanie iskrowe, pod względem zapalenia mieszaniny wybuchowej, w stosunku do zasilania prądem stałym. Sposób zapewnia zwiększenie iskrobezpiecznej mocy przesyłanej na odległość z wykorzystaniem torów metalowych kabli symetrycznych lub współosiowych. Kolejną zaletą sposobu jest również to, że wykorzystanie prądu wysokiej częstotliwości w zakresie 5-30 kHz zwiększa bezpieczeństwo porażeniowe z przyczyn fizjologicznych (Stefan Gierlotka: Porażenie prądem elektrycznym o częstotliwości większej od 50 Hz, Wiadomości Elektro-techniczne, nr 10/2007, Wyd. SIGMA-NOT, Warszawa).

PL 229 204 B1

Przedmiot wynalazku zostanie dokładniej przedstawiony w oparciu o rysunek, przedstawiający układ przesyłania iskrobezpiecznej energii elektrycznej prądem przemiennym w zakresie kilohercowych częstotliwości dla zasilania różnorakich terminali elektronicznych i elektrycznych stosowanych w środowisku wybuchowym.

Sposób przesyłania energii elektrycznej prądem przemiennym w zakresie kilohercowym częstotliwości przez metalowy tor przesyłowy polega na tym, że dokonuje się konwersji energii zasilania prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej (50 Hz) w sinusoidalny prąd w zakresie kilohercowych częstotliwości, następnie prąd przemienny jest doprowadzany do toru przesyłowego poprzez interfejs dokonujący separację galwaniczną wraz selektywnym filtrowaniem wybranej częstotliwości prądu zasilania.

Układ przesyłania energii elektrycznej prądem przemiennym zawiera szeregowo połączone filtr sieciowy 1, prostownik 2, filtr prostownika 3, generator zadający prądu przemiennego 4, wzmacniacz mocy 5, interfejs selektywny 6, układ separacji energetycznej 7, wyjście którego jest związane z wejściem toru przesyłowego 8 a wejście sterujące jest związane z wyjściem czujnika prądu 9, wejście którego jest związane z wyjściem pomiarowym interfejsu selektywnego 6.

Układ działa w sposób następujący. Prądu przemienny z sieci przemysłowej o częstotliwości 50 CHZ przez filtr sieciowy 1 jest doprowadzany do prostownika 2, z wyjścia którego prąd stały jest filtrowany za pomocą filtra 3, zatem jest wykorzystywany do zasilania zadającego generatora 4 prądu przemiennego w zakresie kilohercowych częstotliwości, który jest wzmacniany za pomocą wzmacniacza mocy 5 zatem doprowadzany do interfejsu selektywnego 6, na przykład w postaci wysokoczęstotliwościowego separującego transformatora, do wtórnego uzwojenia którego jest równoległe podłączony kondensator. Indukcyjność wtórnego uzwojenia transformatora wspólnie z równolegle podłączonym kondensatorem tworzą układ rezonansu prądowego dla wybranej częstotliwości prądu zasilania. W trybie normalnej pracy występuje rezonans prądowy, a reaktancja bocznikująca bieguny zasilania jest maksymalna, zatem prąd przemienny przez układ separacji energetycznej 7 jest doprowadzany do toru przesyłowego 8. Wejście sterujące układu separacji energetycznej 7, na przykład elektronicznego klucza zwierającego zaciski zasilania lub rozwierającego obwód zasilania, jest związane z wyjściem czujnika prądu 9, wejście którego z kolei jest związane z wyjściem pomiarowym interfejsu selektywnego 6. W przypadku powstania wyładowania iskrowego w obwodzie wyjściowym, wskutek nieliniowego procesu wyładowania, energetyczne pasmo prądu zasilającego rozszerza się wskutek powstania pasm bocznych, dla których układ selektywnego filtrowania przestaje być rezonansowym, co zmniejsza reaktancję i opór dynamiczny bocznikujący zaciski zasilania. Oprócz tego na wyjściu obwodu rezonansowego wystąpi prąd, wskutek czego zostanie również wysterowany układ separacji energetycznej 7, który dokona zwarcia zacisków wejściowych toru przesyłowego. Powoduje to gwałtowne obniżenie energii elektrycznej doprowadzanej do toru przesyłowego i zmniejszenie prawdopodobieństwa zapalenia mieszaniny wybuchowej.

Claims (2)

1. Sposób przesyłania iskrobezpiecznej energii elektrycznej prądem przemiennym poprzez metalowy tor przesyłowy, według którego energia prądu przemiennego o częstotliwości przemysłowej jest konwertowana w energię prądu przemiennego wysokiej częstotliwości i jest doprowadzana do toru przesyłowego, znamienny tym, że energia prądu przemiennego w zakresie kilohercowych częstotliwości jest doprowadzana do toru przesyłowego z dokonaniem separacji galwanicznej wraz z selektywnym filtrowaniem wybranej częstotliwości prądu zasilania.

2. Układ przesyłania iskrobezpiecznej energii elektrycznej prądem przemiennym, poprzez metalowy tor przesyłowy, znamienny tym, że zawiera szeregowo połączone filtr sieciowy 1, prostownik 2, filtr prostownika 3, generator zadający prądu przemiennego 4, wzmacniacz mocy 5, interfejs selektywny 6, układ separacji energetycznej 7, wyjście którego jest związane z wejściem toru przesyłowego 8, a wejście sterujące układu separacji energetycznej 7 jest związane z wyjściem czujnika prądu 9, wejście którego jest związane z wyjściem pomiarowym interfejsu selektywnego 6.