СХЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ИСКРОБЕЗОПАСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
POWER SUPPLY CIRCUIT FOR SPARK-PROOF ELECTROMAGNETIC ACTUATORS

Изобретение относится к электротехнике, а именно к схеме энергоснабжения искробезопасных, эксплуатируемых с напряжением допущенного для подземных горных разработок сетевого блока питания электромагнитных исполнительных устройств. Такие схемы электроснабжения обеспечивают питанием большое количество электромагнитных исполнительных устройств, служащих для включения электрогидравлических клапанов в подземных горных разработках.
Известна схема электроснабжения электромагнитных исполнительных устройств для подземных горных разработок по патенту US 2003179534, опубликованному 25.09.2003. Данная схема содержит электромагнитную катушку с якорем. Фактический ток в обмотке катушки отслеживает детектирующая схема, отправляющая сигнал на микроконтроллер для управления перемещением якоря. Множество подобных схем подключено к искробезопасной линии постоянного тока.
Недостатком такой схемы является большой расход энергии на ее электропитание, т.к. все элементы схемы электроснабжения потребляют энергию сетевого блока питания.
Другим недостатком является то, что искробезопасная линия не защищена от попадания в нее импульсов индуктивных нагрузок с каждой из множества упомянутых схем энергоснабжения, что при повреждении линии чревато недопустимой в отношении искробезопасности ситуацией.
Известна система электроснабжения электромагнитных исполнительных устройств для подземных горных разработок по патенту US 2005078428, опубликованному 14.04.2005. Данная система содержит блок питания, к которому через сетевую линию подключены схемы энергоснабжения электромагнитных исполнительных устройств для включения электрогидравлических клапанов в подземных горных разработках. Фактический ток в обмотке каждой катушки отслеживает детектирующая схема, отправляющая сигнал на микроконтроллер для управления перемещением якоря. Схема энергоснабжения снабжена аккумулирующим конденсатором, который заряжается напряжением блока питания.
Недостатком такой системы является ее неэкономный расход энергии, т.к. все элементы схемы энергоснабжения, включая аккумулирующий конденсатор, потребляют энергию сетевого блока питания.
Другим недостатком является то, что искробезопасная сетевая линия не защищена от попадания в нее импульсов индуктивных нагрузок с каждой из множества упомянутых схем энергоснабжения, что при повреждении линии чревато недопустимой в отношении искробезопасности ситуацией.
Известна защитная схема энергоснабжения электромагнитных исполнительных устройств для включения электрогидравлических клапанов в подземных горных разработках по патенту RU 2372700, опубликованному 10.11.2009. Данная схема энергоснабжения, соединенная сетевой линией с положительным потенциалом и GND-потенциалом блока питания, содержит катушку, подключенную к положительному потенциалу и GND-потенциалу, аккумулятор, заряжаемый при подаче напряжения на катушку от блока питания, закорачивающие катушку полупроводниковый переключатель и диоды, и детектирующую схему, имеющую возможность активирования полупроводникового переключателя. В целях защиты от попадания в сетевую линию индуктивных импульсов с катушки служат закорачивающие ее полупроводниковый переключатель и диоды.
Недостатком такой схемы являются большие энергозатраты, т.к. все элементы схемы энергоснабжения, включая аккумулятор, потребляют энергию сетевого блока питания. Энергия, накопленная в катушке, уходит в тепловые потери через катушку и закорачивающие средства.
За прототип выбрана защитная схема энергоснабжения электромагнитных исполнительных устройств для включения электрогидравлических клапанов в подземных горных разработках по патенту RU 2374734, опубликованному 27.11.2009. Данная схема энергоснабжения, соединенная сетевой линией с положительным потенциалом и GND-потенциалом блока питания, содержит катушку, подключенную к положительному потенциалу и GND-потенциалу, аккумулятор, заряжаемый при подаче напряжения на катушку от блока питания, полупроводниковый переключатель, включенный между катушкой и GND-потенциалом, и детектирующую схему, имеющую возможность активирования полупроводникового переключателя. В целях защиты от попадания в сетевую линию индуктивных импульсов с катушки, параллельно катушке включены закорачивающие ее диоды.
Недостатком такой схемы являются большие энергозатраты, т.к. все элементы схемы энергоснабжения, включая аккумулятор, потребляют энергию только сетевого блока питания. Энергия, накопленная в катушке, уходит в тепловые потери через катушку и закорачивающие диоды.
Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании энергосберегающей схемы электроснабжения искробезопасных электромагнитных исполнительных устройств для включения электрогидравлических клапанов в подземных горных разработках.
Поставленная задача решена тем, что схема энергоснабжения искробезопасных электромагнитных исполнительных устройств, эксплуатируемых с напряжением допущенного для подземных горных разработок блока питания, соединенная сетевой линией с положительным потенциалом и GND-потенциалом блока питания, как и прототип, содержит катушку, подключенную своим первым выводом к положительному потенциалу, и своим вторым выводом - к GND-потенциалу, полупроводниковый переключатель, включенный между катушкой и GND-потенциалом, и аккумулятор, заряжаемый энергией блока питания по меньшей мере в одной фазе технологического процесса.
В отличие от прототипа, для зарядки аккумулятора рекуперированной энергией по меньшей мере в одной фазе технологического процесса, введены следующие элементы: полупроводниковый переключатель, включенный между положительным потенциалом и катушкой, диод, включенный между вторым выводом катушки и положительным потенциалом в прямом направлении, диод, включенный между GND-потенциалом и первым выводом катушки в прямом направлении, и микроконтроллер, имеющий возможность управления полупроводниковыми переключателями в зависимости от параметров отслеженного детектирующей схемой сигнала тока в катушке.
Решению технической задачи способствует и то, что аккумулятор, заряженный рекуперированной энергией, имеет возможность снабжения ею катушки.
Кроме того, введено несколько, предпочтительно три блокирующих диода, подключенных к положительному потенциалу сетевой линии в обратном направлении.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, на которых изображена схема энергоснабжения искробезопасных электромагнитных исполнительных устройств в следующих фазах технологического цикла:
фиг.1 - фаза включения электромагнитного исполнительного устройства;
фиг.2 - фаза удержания электромагнитного исполнительного устройства во включенном состоянии с выключенными полупроводниковыми переключателями;
фиг.3 - фаза удержания электромагнитного исполнительного устройства во включенном состоянии с включенными полупроводниковыми переключателями.
На фиг.1-3 изображен блок питания 1, к которому через искробезопасную сетевую линию 2 подключены схемы энергоснабжения 3 электромагнитных исполнительных устройств для включения электрогидравлических клапанов в подземных горных разработках. Блок питания 1 выполнен в виде разрешенного для эксплуатации в подземных горных работах источника постоянного тока с положительным потенциалом (+), на котором имеется потенциал определенной величины в диапазоне от 12В до 24В, и GND-потенциалом в виде нулевого проводника.
Каждая схема энергоснабжения 3 содержит катушку (L), подключенную своим первым выводом 4 к положительному потенциалу (+), и своим вторым выводом 5 - к GND-потенциалу. Блокирующие диоды 6 включены в обратном направлении к положительному потенциалу сетевой линии 2. Между блокирующими диодами 6 и катушкой (L) включен полупроводниковый переключатель (Т1), между катушкой (L) и GND-потенциалом последовательно включены детектирующая схема 7 и полупроводниковый переключатель (Т2). Полупроводниковые переключатели (Т1) и (Т2) представляют собой транзисторы, в частности полевые транзисторы.
Аккумулятор (С), подключенный параллельно сетевому блоку 1 через блокирующие диоды 6, содержит конденсатор. Детектирующая схема 7 содержит резистор (R) с включенным параллельно ему компаратором 8. Логический выход компаратора 8 соединен информационной линией со входом микроконтроллера 9, выходы которого связаны управляющими линиями с затворами полупроводниковых переключателей (Т1) и (Т2). Детектирующая схема 7 включена последовательно с катушкой (L) и имеет возможность слежения за параметрами сигнала тока катушки (L) известным способом. Микроконтроллер 9 имеет возможность управления полупроводниковыми выключателями (Т1) и (Т2) в зависимости от параметров, например амплитуды, отслеженного детектирующей схемой 7 сигнала тока в катушке (L).
Второй вывод 5 катушки (L) последовательно соединен с положительным потенциалом (+) через детектирующую схему 7, диод (Д1) в прямом направлении, и блокирующие диоды 6 в обратном направлении. Диод (Д2) включен между GND-потенциалом сетевого блока питания 1 и первым выводом 4 катушки (L) в прямом направлении.
Контуры, по которым протекает ток в фазах включения электромагнитного исполнительного устройства, удержания электромагнитного исполнительного устройства во включенном состоянии с выключенными полупроводниковыми переключателями (Т1) и (Т2) и удержания электромагнитного исполнительного устройства во включенном состоянии с включенными полупроводниковыми переключателями (Т1) и (Т2), обозначены позициями соответственно 10, 11 и 12.
Схема энергоснабжения искробезопасных электромагнитных исполнительных устройств работает следующим образом.
Фаза включения электромагнитного исполнительного устройства (рис.1) характеризуется притягиванием якоря к катушке (L) и начинается после подачи напряжения сетевого блока 1 в схему энергоснабжения 3, что приводит к мгновенному заряду аккумулятора (С). Микроконтроллер 9 подает сигнал на включение полупроводниковых переключателей (Т1) и (Т2). Ток с положительного потенциала (+) на GND-потенциал последовательно протекает по контуру 10 через блокирующие диоды 6, полупроводниковый переключатель (Т1), катушку (L), резистор (R) и полупроводниковый переключатель (Т2). Компаратор 8 отслеживает сигнал протекающего через резистор (R) тока и отправляет данный сигнал на микроконтроллер 9. Величина тока, протекающего через катушку (L), возрастает и достигает порогового уровня, необходимого для притягивания якоря. Якорь притягивается к катушке (L).
Фаза удержания электромагнитного исполнительного устройства во включенном состоянии (рис.2) характеризуется удержанием якоря притянутым к катушке (L). Микроконтроллер 9, получающий сигнал с детектирующей схемы 7 о достижении током катушки порогового уровня, подает сигнал на выключение полупроводниковых переключателей (Т1) и (Т2), что изменяет контур тока. Ток последовательно протекает по рекуперирующему контуру 11 через диод (Д2), катушку (L), резистор (R), диод (Д1) и аккумулятор (С). При этом остаточный ток с катушки (L), протекающий через аккумулятор (С), заряжает его энергией, накопленной в катушке (L). Благодаря тому, что блокирующие диоды 6 отсекают рекуперирующий контур 11 от сетевой линии 2, вся накопленная в катушке (L) энергия поступает на аккумулятор (С).
Если напряжение на катушке (L) упало ниже номинального, микроконтроллер 9 вновь отправляет сигнал на включение полупроводниковых переключателей (Т1) и (Т2). Ток протекает по контуру 12 (рис.3) и процесс подпитки катушки (L) повторяется аналогично вышеописанному в фазе включения с тем отличием, что для дальнейшего режима удержания якоря расходуется меньше энергии от сетевого блока 1, т.к. часть энергии заимствуется с аккумулятора (С).
Энергия, запасенная на аккумуляторе (С), используется и в случае кратковременных просадок питания с сетевого блока питания 1.
В фазе отключения электромагнитного исполнительного устройства сетевой блок питания 1 отключен, и энергия перестает поступать в схему энергоснабжения 3. Это приводит к тому, что микроконтроллер 9 выключает полупроводниковые переключатели (Т1) и (Т2), и катушка (L) отпускает якорь.
Из приведенного описания работы схемы электроснабжения 3 следует также то, что работа электромагнитного исполнительного устройства зависит не от величины напряжения сетевого блока питания 1, а от параметров сигнала тока катушки (L), который отслеживается детектирующей схемой 7 и отправляется на микроконтроллер 9. Следовательно, величину напряжения сетевого блока питания 1 можно изменять в диапазоне разрешенных для подземных работ значений, например от 12В до 24В.
Блокирующие диоды 6, подключенные в обратном направлении к положительному потенциалу сетевой линии 2, защищают данную линию во всех фазах технологического процесса от попадания в нее импульсов энергии от аккумулятора (С) и катушки (L).
Введение полупроводникового переключателя (Т1), включенного между положительным потенциалом (+) и катушкой (L), а также введение диода (Д1), включенного между вторым выводом катушки (L) и положительным потенциалом (+) в прямом направлении, и диода (Д2), включенного между GND-потенциалом и первым выводом катушки (L) в прямом направлении, позволяют в фазе удержания якоря с выключенными полупроводниковыми переключателями (Т1) и (Т2) заряжать аккумулятор (С) накопленной в катушке (L) энергией для питания данной рекуперированной энергией катушки.
Введение микроконтроллера 9, имеющего возможность управления полупроводниковыми переключателями (Т1) и (Т2) в зависимости от параметров отслеженного детектирующей схемой 7 сигнала, позволяет при достижении током на катушке (L) порогового значения выключать полупроводниковые переключатели (Т1) и (Т2), что приводит к протеканию тока по заряжающему аккумулятор (С) от катушки (L) рекуперирующему контуру 11. Затем, при снижении тока до минимально допустимого, включать полупроводниковые переключатели (Т1) и (Т2), что приводит к повторному использованию катушкой (L) вышеупомянутой энергии.
Причем благодаря тому, что блокирующие диоды 6 отсекают рекуперирующий контур 11 от сетевой линии питания 2, вся накопленная в катушке (L) энергия поступает на аккумулятор (С).
В целом это обеспечивает энергосбережение в системе электроснабжения искробезопасных электромагнитных исполнительных устройств.