CZ200521A3 - Piezoelektrická ovládací jednotka pro přepínání ventilů - Google Patents

Description

Piezoelektrická ovládací jednotka pro přepínání ventilů

Oblast techniky

Vynález se týká piezoelektrické ovládací jednotky pro přepínání ventilů, zejména pro přepínání servoventilů pro olejovou nebo vodní hydraulickou instalaci v podzemním dobývání, s piezoelektrickým elementem měnícím při přiložení řídicího napětí svoji velikost pro přepnutí ventilu.

Dosavadní stav techniky

Při podzemním dobývání se pro přepínání ventilů sestávajících ze servoventilů a hlavních řídicích ventilů a používaných u rámů důlních výztuží používají obvykle elektromagnetické ovladače. Vhodným přepínáním elektromagnetických ovladačů, zejména přepnutím pro snížení přídržného proudu, je možno omezit spotřebu proudu elektromagnetických ovladačů. Omezený příkon každého jednotlivého elektromagnetického ovladače umožňuje při podzemním dobývání výhodnější poměr mezi elektrickým výkonem, který má být instalován, a ventily ovladatelné tímto instalovaným výkonem. Veškeré elektromagnetické ovladače použité při podzemním dobývání jsou opatřeny vratnou pružinou, která je určena k tomu, aby například při poruše přepínání, při krátkodobém poklesu napětí v síti, při přerušení kabelu způsobeném poruchou a i v jiných situacích, vrátila servoventil, a tudíž i za ním zařazený hlavní řídicí ventil, do jeho výchozí polohy. U ventilů pro ovládání stojek rámů podzemních výztuží odpovídá výchozí poloha většinou zavřené poloze ventilu, takže hydraulické, respektive podpěrné stojky rámu výztuže si • · · · • · · · · ····· ····· ···· · ····· · · · ··· ·· ·· ···· ·· ··· zachovají momentální délku vysunutí nebo pohybující se pohony se zastaví. Při podzemním dobývání se, pokud jde o samočinný návrat elektromagnetických ovladačů do jejich výchozí polohy, často hovoří o funkci mrtvého muže, neboli bezpečnostní funkci, nebo o poloze mrtvého muže, neboli bezpečnostní poloze, která je při podzemním dobývání nutně vyžadována z bezpečnostních důvodů u ovladačů, respektive u ventilů jimi přepínaných.

Při podzemním dobývání dále existují značné snahy snižovat spotřebu elektrického výkonu ovladačů pro přepínání ventilů. Jeden přístup k tomuto problému zahrnuje použití piezoelektrických ovladačů, protože tyto piezoelektrické ovladače při přiložení řídicího napětí spotřebovávají pouze nabíjecí proud pro kapacitu piezoelektrického elementu a následně si při spotřebě zanedbatelného zbytkového proudu zachovají svůj již jednou zaujmutý stav přepnutí, to znamená svoji objemovou, popřípadě délkovou změnu. Piezoelektrické elementy se vyznačují malým opotřebením, rychlejšími dobami přepínání a vysokou stavěči silou na začátku přepínacího postupu, jakož i nízkou spotřebou energie. Piezoelektrické elementy však mají při přiložení řídicího napětí jen nepatrné objemové změny, takže přepínacího zdvihu potřebného pro přepnutí ventilů může být dosaženo zpravidla jen při vložení (mechanického) pákového převodu, viz DE 102 33 316 Al. V tomto spise DE 102 33 316 Al je uvedena možnost řešení pro rychlejší návrat přepínací páky při funkci mrtvého muže ovladače tím, že výkyvné páce je přiřazen hydraulicky ovladatelný píst.

Piezoelektrické ovladače se vyznačují zejména svými kapacitními vlastnostmi. Přiloží-li se k piezoelektrickému elementu napětí, dojde k nabíjecímu toku do tohoto piezoelektrického elementu, který si toto nabití ponechá tak dlouho, dokud se nevybije. K samočinnému vybití dochází jen v zanedbatelné míře ztrátovým proudem přes vnitřní odpor piezoelektrického elementu. Krátkodobý samočinný návrat piezoelektrického elementu do jeho výchozí polohy odejmutím řídicího napětí proto není možný,

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je vytvořit piezoelektrickou ovládací jednotku pro podzemní dobývání, která pro funkci mrtvého muže umožní bezpečnější a rychlejší návrat piezoelektrického elementu do výchozí polohy, respektive na výchozí rozměr.

Uvedený úkol splňuje piezoelektrická ovládací jednotka pro přepínání ventilů, zejména pro přepínání servoventilů pro olejovou nebo vodní hydraulickou instalaci v podzemním dobývání, s piezoelektrickým elementem měnícím při přiložení řídicího napětí svoji velikost pro přepnutí ventilu, podle vynálezu, jehož podstatou je, že piezoelektrická ovládací jednotka obsahuje piezoelektrickému elementu přiřazený vybíjecí obvod obsahující alespoň jeden vybíjecí element, vybíjející piezoelektrický element, přičemž tento vybíjecí obvod je pro přerušení vybíjení přerušitelný přiložením řídicího napětí a/nebo odblokovacího napětí.

Vybíjecí obvod je vytvořen tak, že vybíjecí element permanentně, respektive stále, vybíjí piezoelektrický element, pokud žádný odblokovací signál aktivně nepřeruší tento vybíjecí obvod. Aktivní přerušení vybíjecího obvodu pro přerušení vybíjení se provede s výhodou přiložením řídicího napětí a/nebo odblokovacího napětí. Vybíjecí obvod s vybíjecím elementem je proto vytvořen tak, že piezoelektrický element se vybíjecím elementem pasivně vybíjí, pokud nebyl vydán žádný řídicí signál do piezoelektrické ovládací jednotky, respektive pokud není na piezoelektrický element, popřípadě na vybíjecí obvod, přiloženo žádné řídicí napětí, • · · ·

vyvolávající přepínací zdvih. Teprve tehdy, když se nadřazenou řídicí jednotkou přivede do piezoelektrického elementu piezoelektrické ovládací jednotky řídicí signál nebo řídicí napětí, je podle vynálezu vybíjecí element prostřednictvím vybíjecího obvodu ovládán tak, že tento vybíjecí element se od piezoelektrického elementu oddělí, čímž se přeruší vybíjení a piezoelektrický element může provést požadovaný přepínací zdvih. Tím, co vyvolá tento stav, je vhodný odblokovací signál přivedený do vybíjecího obvodu.

Pomocí ovladatelného vybíjecího obvodu podle vynálezu, obsahujícího vybíjecí element, se proto pro uskutečnění funkce mrtvého muže potřebné při podzemním dobývání vyvolá vybíjení piezoelektrického elementu vždy tehdy, když se má ovladač nacházet při podzemním dobývání v bezpečné výchozí poloze. Pasivní vybíjení piezoelektrického elementu se vybíjecím elementem oproti samočinnému vybíjení při zatížení značně urychlí, přičemž vybíjení piezoelektrického elementu principiálně způsobí objemovou změnu piezoelektrického elementu, a tudíž jeho návrat do výchozí polohy.

U jednoho provedení podle vynálezu může být odblokovací napětí přímo vytvořeno řídicím napětím nebo se může přímo z tohoto řídicího napětí vytvořit. Alternativně se může odblokovací napětí vytvořit z řídicího napětí snížením řídicího napětí. Při přerušení napětí na piezoelektrické ovládací jednotce se potom přímo přeruší i odblokovací napětí. Odblokovací signál však může být aktivován i nezávisle na řídicím signálu, i když je výhodné aktivovat odblokovací signál zejména přímo řídicím signálem. Dále může být upraven analogický obvod k vytváření řídicího napětí a odblokovacího napětí z přepínacího signálu. Alternativně nebo přídavně může být upravena předřazená, zejména digitální inteligence pro vytváření řídicího napětí a odblokovacího napětí, respektive odpovídajících signálů. Tím je navíc umožněno pomocí předřazené

inteligence prostřednictvím komunikačního vedení vyměňovat s nadřazenými řídicími zařízeními data, zejména požadované hodnoty, skutečné hodnoty a stavy.

Řešení podle vynálezu obsahuje jako alternativu ovládání vybíjecího elementu přiložením téhož řídicího napětí. Je zřejmé, že přiložením stejného řídicího napětí nemusí být nutně vyžadováno, aby se při podzemním dobývání použilo totéž řídicí napětí pro napájení piezoelektrického elementu a pro ovládání vybíjecího obvodu. Pro řešení podle vynálezu spíše postačí, když se ovládání vybíjecího elementu, respektive vybíjecího obvodu, vyvolá přiložením řídicího napětí na piezoelektrickou ovládací jednotku.

Podle výhodného provedení je vybíjecímu obvodu přiřazen spínací element, který přeruší nabíjení piezoelektrického elementu pouze při přiložení řídicího napětí nebo odblokovacího napětí, respektive rozdělí spínací obvod s vybíjecím elementem, přičemž vždy tehdy, když do piezoelektrické ovládací jednotky není přivedeno žádné odblokovací nebo řídicí napětí, zkratuje piezoelektrický element a vybíjecí element. Toto výhodné řešení podle vynálezu má tu výhodu, že piezoelektrický element musí být aktivně odpojen pro dosažení přepínacího zdvihu, protože jinak se piezoelektrický element permanentně vybíjí a z tohoto důvodu nemůže být zapojen. V případě přerušení napětí nebo nějaké jiné poruchy v napájecí síti nebo v nadřazeném řídicím zařízení je potom do piezoelektrické ovládací jednotky permanentně integrována pasivní bezpečnostní funkce, která způsobí samočinný, bezpečný a krátkodobý automatický návrat piezoelektrického elementu do jeho výchozího stavu.

U zvlášť výhodného provedení je vybíjecí element uspořádán paralelně s piezoelektrickým elementem. V nejjednodušším provedení vybíjecího obvodu sestává vybíjecí element z alespoň jednoho

vybíjecího odporu. Je zřejmé, že vybíjecí odpor, popřípadě vybíjecí odpory, musí být přizpůsoben/přizpůsobeny kapacitě piezoelektrického elementu. Odpovídající volbou vybíjecího odporu je umožněno vybít piezoelektrický element (piezoelektrické zařízení, respektive piezoelektrický ovladač) v průběhu milisekund.

Spínací element může sestávat zejména ze spínacího tranzistoru nebo z tranzistoru FET (tranzistoru s efektem pole), zejména ze součásti NC-FET (NC=Normally Closed - normálně zavřené). Místo jednoho spínacího tranzistoru nebo tranzistoru FET může být upraveno i více spínacích tranzistorů nebo FET-součástí.

Pro použití piezoelektrických ovládacích jednotek při podzemním dobývání je zvlášť výhodné, když je vybíjecí obvod proveden jako nadbytečný, a když obsahuje alespoň dva spínací obvody s vybíjecím elementem a spínacím elementem. Nadbytečné, neboli redundantní provedení vybíjecího obvodu s více spínacími obvody zaručuje fungování funkce mrtvého muže i při odtržení kontaktů mezi jedním z vybíjecích obvodů a piezoelektrickým elementem. Protože piezoelektrický element principiálně mění svůj objem, představuje spolehlivé spojení kontaktů piezoelektrického elementu a spínacího obvodu problém. Po určitém počtu spínacích zdvihů může dojít k odtržení jednotlivých kontaktů. Podle výhodného provedení podle vynálezu je proto každý spínací obvod připojen k piezoelektrickému elementu pomocí oddělených kontaktů. Ze stejných důvodů je zvlášť výhodné, když jsou některé nebo všechny elektrické kontakty s piezoelektrickým elementem provedeny alespoň zdvoj eně.

Pro odborníka je zřejmé, že u piezoelektrické ovládací jednotky mohou být použity všechny druhy piezoelektrických elementů, zejména sloupce z piezoelektrických elementů, protože vybíjecí

obvod podle vynálezu může být upraven nezávisle na provedení piezoelektrického elementu.

Přehled obrázků na výkresech

Další výhody a provedení vynálezu vyplývají z následujícího popisu příkladného provedení hydraulického ventilu s piezoelektrickou ovládací jednotkou, znázorněného schematicky na přiložených výkresech a určeného pro podzemní dobývání, přičemž obr. 1 znázorňuje schéma předběžné řízeného hydraulického ventilu s piezoelektrickou ovládací jednotkou pro podzemní dobývání v poloze mrtvého muže, obr. 2 vytvoření vybíjecího obvodu piezoelektrické ovládací jednotky podle vynálezu podle schematického elektrického plánu zapojení a obr. 3 ovládací jednotku podle vynálezu s ovládáním podle druhého příkladného provedení.

Příklady provedení vynálezu

Ve schéma podle obr. 1 je před hydraulickým hlavním řídicím ventilem 1. předřazen servoventil 2, který může být ovládán přiložením symbolicky naznačeného řídicího napětí S_ na piezoelektrickou ovládací jednotku 10. Schéma ukazuje oba ventily 1_, 2 ve výchozí poloze. Ovládáním piezoelektrické ovládací jednotky 10 se šoupátko servoventilu 2 přesune tak, , že výstupní potrubí 3. servoventilu 2 je hydraulicky spojeno se zdrojem 4 vysokého tlaku, čímž šoupátko dále zařazeného hlavního řídicího ventilu £ rovněž změní svoji spínací polohu a prostřednictvím potrubí 5. spojuje spotřebič se zdrojem 4 vysokého tlaku. Ve znázorněné výchozí poloze je naproti tomu jak potrubí 5_ ke spotřebiči, tak i výstupní potrubí 3_ servoventilu 2, připojeno k vratnému potrubí 6_.

U známého provedení hydraulických ventilů pro podzemní dobývání s elektromagnetickým ovladačem by se spínací zdvihátko elektromagnetu přemístilo zpět účinkem pružiny do své výchozí polohy vždy tehdy, když by do ovladače nebylo přiváděno žádné řídicí napětí, takže cívkou elektromagnetu by neprotékal žádný proud. U piezoelektrické ovládací jednotky 10 podle vynálezu pro ovládání servoventilu 2 je naproti tomu upraven vybíjecí obvod, aby se piezoelektrický element piezoelektrické ovládací jednotky 10. přemístil zpět do svého výchozího stavu vždy tehdy, když do piezoelektrické ovládací jednotky 10 není přiváděno žádné řídicí napětí S..

Obr. 2 znázorňuje na elektrickém zapojení piezoelektrickou ovládací jednotku 10 s piezoelektrickým elementem 11. Piezoelektrický element 11 je ve své výchozí poloze předepnut pomocí symbolicky naznačené předpínací pružiny 12. Síla této předpínací pružiny 12 však nepostačuje pro rychlé elektrické samočinné vybití piezoelektrického elementu 11. Jak je samo o sobě známo, piezoelektrický element 11 změní přiložením řídicího napětí

S. na řídicí póly 13, 14 piezoelektrické ovládací jednotky 10 svoji délku pro způsobení přepínacího zdvihu. Oba řídicí póly 13, 14 jsou s piezoelektrickým elementem 11 spojeny vedeními 15, 16 a systém sestávající z řídicích pólů 13, 14, jakož i z vedení 15, 16, tvoří piezoelektrické ovládání piezoelektrického elementu 11. Podle vynálezu je piezoelektrická ovládací jednotka 10 opatřena vybíjecím obvodem, který je u znázorněného příkladného provedení podle obr. 2 proveden se dvěma navzájem identicky vytvořenými vybíjecími obvody 20, 30. Každý vybíjecí obvod 20, 30 sestává z vybíjecího odporu 21, 31 a z jemu přiřazené FET-součásti 22, 32. Oba vybíjecí odpory 21, 31 jsou zapojeny paralelně s piezoelektrickým elementem 11 a u znázorněného příkladného provedení má vybíjecí odpor 21 na • 9 9 9 9 9 ·· 9 · · ·

9 9 9 9 9 · 9 9 9 • •••9 99 9

9 9 9999 9 9 9 9« piezoelektrickém elementu 11 tytéž kontakty 17 jako vedení 16 od záporného pólu, zatímco vybíjecí odpor 31 je k piezoelektrickému elementu 11 připojen prostřednictvím zvláštních kontaktů 33.

Přitom není znázorněno, že každý kontakt může být současně proveden i vícenásobně. FET-součásti 22, 32 přiřazené vybíjecím odporům 21, 31 jsou provedeny tak, aby piezoelektrický element 11 s příslušným přiřazeným vybíjecím odporem 21, 31 prostřednictvím vedení normálně zkratovaly, čímž vybíjecí odpory 21, 31 piezoelektrický element 11 vybijí. Je-li ovšem řídicí napětí

S. přiváděno do řídicích pólů 13, 14 a současně i do řídicích pólů 26, 36, je napájena FET-součást 22 pomocí odbočného vedení 18, 25 a FET-součást 32 pomocí vedení 34, 35 ke kontaktům, takže obě FETsoučásti 22, 32 se rozpojí a přeruší, respektive rovněž rozpojí, příslušné vybíjecí obvody 20, 3 0. Při přivedení řídicího napětí

S. pouze k řídicím pólům 13, 14 nebo k řídicím pólům 26, 36 proto nedojde k žádnému aktivnímu vybití piezoelektrického elementu 11 přes vybíjecí odpory 21, 31. Jakmile řídicí napětí S. přestane být k řídicím pólům 13, 14 piezoelektrického ovládání, jakož i k řídicím pólům 26, 3 6, přiváděno, FET-součásti 22, 32 se spojí a tím opět zkratují vybíjecí odpory 21, 31 s piezoelektrickým elementem 11, takže znovu přímo dojde k vybití piezoelektrického elementu 11. Tím piezoelektrický element 11 opět nabude své výchozí délky, čímž se servoventil 2 (obr. 1) vrátí zpět do své výchozí polohy.

Obr. 3 znázorňuje podle druhého příkladného provedení piezoelektrickou ovládací jednotku 10 při ovládání předřazeným obvodem 40. Piezoelektrická ovládací jednotka 10 má totéž provedení jako u příkladného provedení podle obr. 2 a stejné součásti jsou opatřeny stejnými vztahovými značkami. Poukazuje se zde tedy na výše uvedený popis. Analogový obvod 40 vytváří z řídicího signálu 44 nadřazeného řídicího zařízení 43 jednak řídicí napětí S. a jednak i ·· ·· ·· ···· odblokovací napětí Es. I přes existující řídicí napětí S. na řídicích pólech 13, 14 se piezoelektrický element 11 vysune jen tehdy, když je současně do řídicích pólů 26, 36 přiveden odblokovací signál, například jako odblokovací napětí Es, protože pouze tímto odblokovacím napětím Es, které ovládá FET-součásti 22, 32 pomocí řídicích vedení 25, 35, se vybíjecí obvody 20, 30 rozpojí. Toto aktivní rozpojení vybíjecích obvodů 20, 30, kterým se vybíjecí odpory 21, 31 oddělí od piezoelektrického elementu 11, je nutným předpokladem pro zvětšení délky piezoelektrického elementu 11. Při přiložení odblokovacího napětí Es pouze na řídicí póly 26, 36 proto nedojde k žádnému jinak stálému vybíjení piezoelektrického elementu 11 přes vybíjecí odpory 21, 31. Jakmile přestane být odblokovací napětí Es k řídicím pólům 26, 36 přiváděno, FET-součásti 22, 32 se spojí a tím znovu zkratují vybíjecí odpory 21, 3 1 s piezoelektrickým elementem 11, takže znovu přímo začne vybití piezoelektrického elementu 11. Tím piezoelektrický element 11 nabude znovu své výchozí délky, čímž se servoventil 2 (obr. 1) vrátí zpět do své výchozí polohy. Obvod 40 může být opatřen schematicky naznačenou inteligencí 41 (centrální řídicí jednotkou CPU atd.), aby bylo možno pomocí komunikačního vedení 44 obousměrně vyměňovat s nadřazenými řídicím zařízením 43 data, jako požadované a skutečné hodnoty.

Pro odborníka vyplývají z výše uvedeného popisu četné modifikace, které by měly spadat do rozsahu ochrany připojených nároků. Místo jen jednoho vybíjecího obvodu nebo dvou vybíjecích obvodů mohou být upraveny i tři nebo i více vybíjecích obvodů. Některé nebo veškeré kontakty mohou být provedeny dvojnásobně nebo i vícenásobně. Místo FET-součástí, které se přiložením řídicího napětí rozpojí, by mohly být použity i jiné vhodné spínací tranzistory.

Claims (14)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Piezoelektrická ovládací jednotka pro přepínání ventilů, zejména pro přepínání servoventilů pro olejovou nebo vodní hydraulickou instalaci v podzemním dobývání, s piezoelektrickým elementem měnícím při přiložení řídicího napětí svoji velikost pro přepnutí ventilu, vyznačující se piezoelektrickému elementu (11) přiřazeným vybíjecím obvodem (20, 30) obsahujícím alespoň jeden vybíjecí element (21, 31), vybíjející piezoelektrický element (11), přičemž tento vybíjecí obvod (20, 30) je pro přerušení vybíjení přerušitelný přiložením řídicího napětí (S) a/nebo odblolcovacího napětí (Es).
2. 2. Piezoelektrická ovládací jednotka podle nároku 1, vyznačující se tím, že vybíjecí obvod (20, 30) obsahuje spínací element (22, 32), který přeruší vybíjení piezoelektrického elementu (11) jen při přiložení odblokovacího napětí (Es) nebo řídicího napětí (S).
3. 3. Piezoelektrická ovládací jednotka podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že odblokovací napětí (Es) je vytvořeno řídicím napětím (S) nebo je přímo vytvořeno z řídicího napětí (S) nebo je vytvořeno snížením napětí.
4. 4. Piezoelektrická ovládací jednotka podle jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že při přerušení napětí na ovládací jednotce přímo zanikne i odblokovací napětí.
5. 5. Piezoelektrická ovládací jednotka podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se analogovým obvodem (40) pro vytváření řídicího napětí (S) a odblokovacího napětí (Es) ze spínacího signálu (44).
6. 6. Piezoelektrická ovládací jednotka podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se předřazenou, zejména digitální inteligencí (41) pro vytváření řídicího napětí (S) a odblokovacího napětí (Es).
7. 7. Piezoelektrická ovládací jednotka podle nároku 6, vyznačující se tím, že předřazená inteligence (41) si vyměňuje prostřednictvím komunikačního vedení (42) s nadřazenými řídicími zařízeními (43) data, zejména požadované hodnoty, skutečné hodnoty a stavy.
8. 8. Piezoelektrická ovládací jednotka podle jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že vybíjecí obvod s vybíjecím elementem (21, 31) je uspořádán paralelně s piezoelektrickým elementem (11).
9. 9. Piezoelektrická ovládací jednotka podle jednoho z nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že vybíjecí element sestává z alespoň jednoho vybíjecího odporu (21, 31).
10. 10. Piezoelektrická ovládací jednotka podle jednoho z nároků 2 až 9, vyznačující se tím, že spínací element sestává ze spínacího tranzistoru nebo obsahuje spínací tranzistor.
11. 11. Piezoelektrická ovládací jednotka podle jednoho z nároků 2 až 10, vyznačující se tím, že spínací element (22, 32) sestává z FETsoučásti nebo FET-součást obsahuje.
12. 12. Piezoelektrická ovládací jednotka podle jednoho z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že vybíjecí obvod je proveden redundantně a obsahuje alespoň dva vybíjecí obvody (20, 30) s vybíjecím elementem (21, 31) a spínacím elementem (22, 32).

    • ·· ·» ·· ·· 9999

    99 · · · · · · 9 9 ♦
13. 13 .: :···♦

    9 9 9 9 9 9 9 9 9

    999 99 99 9999 99 999

    13. Piezoelektrická ovládací jednotka podle nároku 12, vyznačující se tím, že každý vybíjecí obvod je k piezoelektrickému elementu připojen prostřednictvím oddělených kontaktů.
14. 14. Piezoelektrická ovládací jednotka podle jednoho z nároků 1 až 13, vyznačující se tím, že všechny elektrické kontakty s piezoelektrickým elementem jsou provedeny dvojnásobně nebo vícenásobně.