为电器供应经提高的功率的本质安全的能量传输单元

摘要

用于在爆炸防护区域内为电器供电的本质安全的能量传输单元和能量传输系统。借助于具有多个电分离且被单独屏蔽的导体对的实施为多重线路的线路连接，从具有多个电分离的单个源的能量源传输功率。在多重线路的端部，在点火防护的包封中设置收集器装置。所述收集器装置具有用于电分离的导体对的去耦设备并且具有组合器电路。所述组合器电路将分别由电分离的导体对传输的电功率合并为总功率，其中该总功率在收集器装置的输出端处输出到电器。通过展开到多个导体对，可以本质安全地传输可缩放的、增大的总功率，并且可以使用常见的按照标准的本质安全的导体对进行传输。因此，利用较小的耗费就向电器本质安全地供应超大功率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于为电器（Elektrogerät）提供经提高的功率的本质安全的能量传输单元，适用于有爆炸危险的区域。所述能量传输单元包括线路连接并且被构造为将电功率经由所述线路连接从能量源本质安全地传输到所述电器。

背景技术

在特殊的应用情况中，电器用在有爆炸危险的区域中，例如在那些可能存在可燃气体、粉尘或其他能爆炸物质的区域中。为了避免爆炸危险，所述电器及其能量供应装置均不允许形成爆炸的点火源头。为此，必须根据特定的点火防护类型（Zündschutzart）来构建被安装在有爆炸危险的区域中或位于有爆炸危险的区域中的设备。

在相关国家和国际标准和指南中定义的爆炸防护规则规定了不同点火防护类型，根据分别适用于电气设备的爆炸防护将所述电气设备归类于所述点火防护类型。在许多情况下，应用“本质安全”点火防护类型（缩写为符号“Ex-i”）是有利的。在这种点火防护类型的情况下，限制电压、电流和功率，使得不可能产生点火火花或危险的发热。在此，将所述限制选择为使得不会达到爆炸性混合物的最低能量和点火温度。本质安全的电气运行装置仅包含满足对本质安全电路的要求的电路。对于本质安全电路，只考虑具有低功率的电路。在此，限制电压、电流和功率，使得不可能形成可燃火花或危险的发热。对于这种情况存在两种技术实施方式，即“ Ex ia”和“Ex ib”。 “Ex ia”具有特别高的安全性，“Ex ib”具有高安全性。例如，在IEC 60079-11标准中描述了这种技术实施方式。

由于与电压、电流以及对应地也与功率有关的限制，已经证明尤其是通过长线路来为传感器供电是困难的，特别是当所述测量传感器需要的功率超过安全技术允许的功率时。在“Ex ia”点火防护类型的情况下，根据电流、电压、线路单位长度参数值（Leitungsbelägen）和其他设备参数的相应具体值，在实践中通常将功率限制在大约2瓦范围内的值。

如果为了给电器供电而需要的功率超过在给定电压和电流状态（Stromlage）的情况下根据IEC 60079-11标准指定的允许功率，自一段时间以来对IEC 60079-39标准中提到的方法的应用提供了补救办法。该方法规定：检测线路的短路或中断，然后在可能发生爆炸之前中断能量输入。该方法需要相对大的耗费。由于为此需要的电子电流限制、辅助电路和去耦网络，只能实现较低的点火防护类型“Ex ib”。而对于更高的点火防护类型“Ex ia”则这通常并非是解决方案。

发明内容

存在对一种本质安全的供应装置的需要，利用该本质安全的供应装置，可以向具有比常规的本质安全可传输功率需求更高的功率需求的电器持久足够地供应功率。

基于此，本发明基于以下任务，即，鉴于可传输功率方面增大开头所述类型的本质安全的能量传输。

根据本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。有利的扩展是从属权利要求的主题。

在本质安全的能量传输单元的情况下，其中该能量传输单元适合于用于为电器供电的爆炸防护区域，该能量传输单元包括线路连接并且被构造为经由所述线路连接将电功率从具有多个电分离的单个源（Einzelquellen）的能量源本质安全地传输到所述电器，根据本发明规定：所述线路连接被实施为多重线路，其具有多个电分离且单独被屏蔽的导体对，导体对分别用于连接到所述单个源，并且在所述多重线路的电器侧的端部处设置收集器装置，所述收集器装置以爆炸防护的方式在点火防护的包封（Umhüllung）中实施并且分别具有自己的用于电分离的导体对的连接端以及具有组合器电路，其中所述连接端在所述收集器装置中配备有去耦设备，所述去耦设备防止对所连接的导体对的反作用，并且所述组合器电路被构造为将由电分离的导体对在所述连接端处相应传输的电功率合并（zusammenführen）为总功率，其中所述总功率在所述收集器装置的输出端处输出到所述电器。

本发明基于仍然本质安全地从合适的能量源向电器供应超大（übergroß）功率的思想，其方式是功率传输经由多个电分离且单独被屏蔽的导体对进行，其中分别经由各个导体对传输的单功率（Einzel-Leistungen）在所述去耦设备之后合并为用于输出到所述电器的总功率。在此，“超大”意味着：存在比可通过单个线路本质安全地传输的功率更高的功率。极限值是在给定电压和电流状态的情况下根据IEC 60079-11指定的允许功率。在此，各个导体对及其通过能量源、特别是通过单个能量源进行的供电分别以本身已知的方式是本质安全的，但是在功率上是不足的。通过将待传输的功率展开（Auffächerung）到多个导体对，可以本质安全地传输自身可任意缩放的（skalierbar）经增大的功率，并且可以使用常见的按标准的导体对，用于例如根据IEC 60079-25来进行本质安全的传输。因此，使得能够用较少的耗费本质安全地也向电器供应超大功率。这特别适用于以下情况：各个导体对连接到所述能量源的对应多个电分离的单个源，其中根据IEC 60079-11标准，所述单个源是有电流和/或电压限制的，特别是有功率限制的。因此，由于本发明，可以创建特别是满足IEC 60079-25标准要求并且仍然本质安全地向电器供应超大功率的线路连接。

在本发明的范畴内，功率限制应理解为对电流和电压的限制。这种限制由规范的预给定值得出并且不可避免地导致对功率的相应限制。然而，原则上本发明允许在遵守所述规范的预给定值的情况下存在特别大的总功率。因此，根据本发明，并非由安全技术方面得出而是例如由负载、特别是电器的与安全技术无关的属性或功能得出对功率的分别限制。

本发明的一个特别的优点是，使得更高功率传输是比较少耗费的并且特别是不需要复杂的电子设备。这与开头部分中提到的根据IEC 60079-39标准指定的方法相比是特别有效的。本发明提供的另一优点是，由于较少的耗费，特别是由于电子设备的较小复杂性，可以实现更高的可靠性程度。

此外，由于本发明可以实现特别高的安全性程度，通过所述特别高的安全性程度甚至可以满足“Ex ia”保护类型，并且确切地说，在各个导体对的电路通过无源器件（例如电阻）而被限流的情况下可以满足“Ex ia”保护类型。

即使在有错误的情况下，例如在由于机械作用或绝缘故障导致的线路连接损坏的情况下，根据本发明的经由多个电分离的导体对进行的能量传输也保持本质安全。例如，如果一个线路由于切断（Durchschneiden）而损坏，那么首先一个导体对被切断，然后下一个导体对再被切断，并依此类推。在此，切割工具首先切断屏蔽件，然后切断所述导体对的第一导体，接下来切断所述导体对的第二导体，并且最后切断所述屏蔽件的其余部分，其中在最坏的情况下，在假定有可导电切口的情况下，首先将所述屏蔽件与导体对的第一导体相互连接，并且接下来将该第一导体与该导体对的该第二导体相互连接。由于在本质安全的能量传输的情况下各个导体对原则上仅传输少量的、在安全技术上没有危险的功率，因此在短路情况下也只会产生在安全技术上没有危险的通过电流。然后对其他导体对重复该顺序。至关重要的是，在切割时要逐步地切断各个导体对，使得同时仅分别中断来自单个源的电流，而从不中断来自多个单个源的电流的总和。因为对于单个源自身来说所述切断分别是安全的，所以根据本发明的线路连接的逐步切断不会导致点火。由于所使用的屏蔽，因此该切断情况相应地在所有可想到的状况中都是安全的。如果发生断裂，这种情况可能更为严重。在此，最坏的情况是在n个导体对中首先中断n-1个返回导体（Rückleiter），其中这些源彼此之间电连接，例如通过在源侧共同接地。在同时中断的情况下，所有n个导体对的电流然后流过唯一剩余的返回导体。如果随后该唯一剩余的返回导体也被中断，则分离出n倍电流，这然后可能会导致点火火花。这可以通过对单个源进行电分离来避免，从而在这方面实现了安全性。最后，还要考虑绝缘故障的情况。原则上，线路连接的绝缘可能会由于各种原因而出现故障，例如由于物理过载，特别是因为压力、温度和/或UV辐射的缘故，或者由于化学影响而导致的分解。在此，在没有绝缘的情况下由于所述屏蔽而总是仅形成在屏蔽网内部的导体对的两个导体之间的短路。因此，短路电流被限于流过一个导体对的电流的本质安全的程度。因此，不可能出现危险的电流增加。

“本质安全”可以理解为这样一种电路，在该电路中，在标准中规定的检验条件下出现的热效应以及火花都不可能引起特定的标准化成分的有爆炸危险的气氛着火。因此，在“本质安全”点火防护类型的情况下功率始终受到限制，并且确切地说使得在由于出现火花而导致短路的情况下只可能出现在安全技术上没有危险的能量释放。这是术语“爆炸防护”所涉及的次级爆炸防护的一种措施。这些定义是专业的，并且可以在相关标准中找到，例如在IEC 60079标准族中，特别是在标准部分-11，-14，-25中。

“不易受干扰”是专业术语，在关于本质安全的相关标准中使用该专业术语来评价部件和部件组。因此，例如用于限制电压的齐纳二极管和其他半导体元件通常被视为易受干扰，而相反，用于限制电流的层电阻或线电阻在特定的规范前提下则被视为不易受干扰的部件。

然而，适宜的是，不仅根据本发明的能量传输以及特别是所述能量传输的能量源被实施为本质安全的，而且所述电器本身也根据标准化点火防护类型而被实施为爆炸防护的，优选根据Ex ia或Ex ib实施为本质安全的。特别优选地，可以针对供应功率和能量消耗形成直至包括电器在内的本质安全的链。

有利地，所述收集器装置和/或所述组合器电路被灌封和/或布置在耐压的壳体中。通过所述灌封或布置在耐压的壳体中，针对其中将流过多个导体对的功率合并在一起的关键区域实现了特别好的保护。由于所述灌封，有爆炸危险的气体根本无法到达引导全部功率的电路，否则，在故障情况下所述耐压的壳体则将作为进行保护的密封封闭装置（Containment）起作用。

优选地，所述去耦设备具有冗余实施的去耦元件。所述冗余确保了更高的运行安全性，因为在去耦元件之一故障的情况下，也可以保持有去耦功能。为了进一步简化，将去耦元件实施为优选地为无源的电流阀，由此所述去耦元件可以比有源元件具有更高的可靠性。在此，电流阀在其相应的去耦设备中在不易受干扰的串联电路中连接。因此，在其中一个或多个电流阀失效的情况下可以实现故障安全行为：如果所述电流阀发生在其他方面的严重短路，在串联电路的情况下仍可实现期望的功能。

所述组合器电路被适宜地构造为合并由导体对传输的电流，并且确切地说优选地构造为并联电路。因此，通过电路技术上耗费少并且由于需要少量部件而因此可靠的方式，能够将由各个导体对传输的单电流（Einzelstrom）合并为总电流。然而，替代地，也可以将所述组合器电路优选地作为串联电路而这样实施，使得相应导体对的单电压（Einzelspannung）被连接（verketten）以形成更高的总电压。因此，可以通过同样简单而巧妙的方式为所述电器供应更高的供电电压。

有利地针对导体对设置了电流限制和/或功率限制。通常，无论是鉴于电流、电压和/或功率方面，本质安全的能量源都有限制。但是，特别是在冗余或更广泛的可使用性方面，例如与其他不相应受限制的能量源一起使用的情况下，仍然是有利的是，所述能量传输单元具有自身的电流限制和/或功率限制，并且确切地说特别是在线路连接中和/或线路连接的开始处、在收集器装置中和/或在线路连接的能量源侧具有自身的电流限制和/或功率限制。所述电流限制的特别简单且适宜的实施方式可以借助于电阻来实现。为了也根据与安全技术无关的负载特性或负载功能来简单地实现功率限制，可以将电阻与其他执行器（Stellglied）组合使用。因此，无论是作为线路对的起始部分还是连接在上游，可以分别在线路对的开始处设置电阻，以便从一开始就经由所述线路对的整个延伸获得所期望的限制。但是，附加地或替代地也可以规定，所述电流限制和/或所述功率限制、例如所述电阻被布置在所述收集器装置中或被实施为集成到所述能量源中。因此，线路连接及其导体对本身可以保持无附加的限制组件，这简化了结构上的实施方式。适宜地，所述导体对的功率限制被分配为（bemessen）在1.5和2.5瓦之间的范围内。

有利地，所述电器被实施为现场设备，特别是被实施为过程技术设施的有源传感器、遥测设备、通信设备、执行器和/或调节器。此外，无论是为了提高可靠性还是作为附加的功率供应，所述电器可以具有自己的蓄电池。

优选地，所述收集器装置配备有电压调节器，所述电压调节器被构造为将施加在导体对的连接端上的电压调整（stellen）和/或限制为预先确定值，其中所述电压调节器优选地被实施成本质安全的，特别是以分流拓扑的方式来实施。因此，可以实现所述收集器装置的经调节的输出电压。这不仅可以有利地用于向期望经稳定化的（stabilisieren）供电电压的电器供电，而且还可以被利用用于例如对所述电器的蓄电池进行充电。适宜地，所述电压调节器本身同样被实施为本质安全的。特别地，在将收集器装置实施在灌封下的情况下，所述电压调节器也一起被灌封。与常见的同相调节器（Längsregler）相比，以分流拓扑方式的实施方案使得根据“Ex ia”的本质安全的实现方案成为可能。此外，借助于分流调节器可以在利用能量源的线路电阻和内电阻的情况下对所述蓄电池的电压进行限制。在这种情况下，有利地，将所述电压调节器的执行器布置在去耦装置前面的线路侧。这提供以下优点：所述执行器仅“看见”来自自己的源的功率，而无法“看见”来自必要时布置在所述电器中的蓄电池的功率。

特别有利的是，应当借助于所述分流调节器来实现所述蓄电池的最大电池电压限制。为此，适应地设置限制器电路（Begrenzerschaltung），所述限制器电路被构造为在达到预定义阈值、例如所述蓄电池的最大电压时结束或至少暂时中断对所述蓄电池充电。

此外，为了保护所述蓄电池，可以有利地在所述电器中设置释放电路（Freigabeschaltung），所述释放电路被构造为仅当所述蓄电池具有一定的预先确定最小电压时才执行所述蓄电池的充电过程。

适宜地还规定，给这些连接端分别分配自己的电压调节器。这使得损耗功率可以分配到各个电压调节器，因此也即在n个导体对处的n个电压调节器的情况下分配成n个小部分。此外，避免了不同连接端的相互影响。另外，将所述电压调节器布置在收集器装置中具有以下优点：所述电压调节器的损耗功率出现在收集器装置中，而不是在可能对热更敏感的电器中。

有利地，所述导体对的接地线路在所述线路连接中被绝缘并且在所述收集器装置中、优选地在点火防护的包封内才被合并，或者穿过所述收集器装置，以便在所述电器中才被合并。优选地将所述接地线路合并为不易受干扰的地电势（“GND”）。各个导体对的互连（Zusammenschaltung）在此在所述收集器装置的组合器电路内才完全进行，或者甚至在要供电的电器内才完全进行。

适宜地，所述导体对布置在共同的护套（Ummantelung）中。这简化了所述线路连接的引导和受保护的布置。此外，所述线路连接优选地配备有屏蔽，其中所述屏蔽优选地在一侧、特别是在源侧接地。通过在一侧接地的屏蔽，可以减弱干扰性的电磁影响，并且通过所述屏蔽排除了在安全技术上有危险的电位拖曳（Potentialverschleppung）。

此外，可以可选地在所述导体连接上设置电势监视器（Potentialwächter）。所述电势监视器适宜地被构造为监控各个供电电路的电压。另外，可以可选地设置绝缘监视器（Isolationswächter），所述绝缘监视器被构造为探测导体对中的短路和/或导体对之间的短路，并且在识别出短路的情况下限制流过这些导体对的通过电流。可以通过电势监视器和/或绝缘监视器实现对所述能量传输单元的运行安全性的有效监控。

本发明还扩展到一种适用于在爆炸防护区域内对电器供电的本质安全的能量供应系统，所述能量供应系统包括如上所述的能量源和能量传输单元。对于所述能量传输单元的其他细节，参考上面的描述。

关于所述能量源，应该注意的是，所述能量源包括多个单个源，其中每个单个源被分配给这些导体对之一，并且与其他单个源电分离。所述能量源和/或其单个源优选地有电流限制和/或电压限制，并且为此适宜地具有输出电阻。因此通过适宜的方式，可以实现：将电流和电压以对于本质安全来说所期望的方式限制为在安全技术上没有危险的值，并对应地限制针对每个单个导体对而言可传输的功率。对于只需要按照“Ex ib”进行保护的应用，也可以并不进行串联电阻限制而是对有源组件进行冗余电子电流限制，例如通过晶体管电路。

关于所述电器，应该注意的是，可以可选地将所述收集器装置集成到所述电器中，或者反之将所述电器集成到所述收集器装置中，其中所述电器优选是现场设备，特别是过程技术设施的有源传感器、执行器或调节器。特别是在具有高功率需求的电器的情况下，借助于收集器装置在所述收集器装置那里才进行所述合并，以便避免具有经组合的电流和/或经组合的电压的不必要地长的传输路径。

优选地，所述电器具有蓄电池，其优选地具有用于所述蓄电池的集成的充电调节器，其中所述充电调节器进一步优选地被构造为调压控制的（spannungsgeführt）。因此可以将本发明用于向所述电器的蓄电池充电，或者也可以用于钳位（Klemmung）蓄电池电压。在此，优选地还设置限制器电路，所述限制器电路被构造为在达到预定义阈值、特别是最大电压时结束对所述蓄电池的充电。

附图说明

下面基于有利的实施方式示例性描述本发明。

图1示出了本质安全的能量供应系统的示意图；

图2示出了图1的等效电路图；

图3示出了具有电流互连的第一实施方式；

图4示出了具有电压互连的第二实施方式；

图5示出了用于能量传输单元的分流调节器；

图6示出了具有有利地实施的变压器的能量源；

图7示出了根据用于为不同电器供电的实施变型的能量传输单元。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的本质安全的能量传输系统10的示例的示意图。作为主要部件，所述能量传输系统包括本质安全的能量传输单元1，用于为作为负载的电器8供电，其中所需的功率从能量源9馈送到能量传输单元1中。

能量传输单元1包括具有多重线路（Mehrfachleitung）3的线路连接2，多重线路3具有多个导体对31-34。在图1中示例性地示出了四个导体对，但是也可以是2、3或5个以及更多的导体对。这些导体对分别配备有自己的屏蔽35并且布置在共同的包封30中。在该实施方式中，屏蔽35在一侧上，并且确切地说在源侧上，也就是说在能量源9那侧上置于地电势36。

线路连接2具有多个输入连接端21、22、23、24，其中输入连接端的数量与导体对31、32、33、34的数量相同。具有多个电分离的单个源91、92、93、94的能量源9连接到输入连接端21、22、23、24，其中向其中每个连接端21-24分配这些能量源91-94其中之一。在导体对31-34中的每个导体对的开始处，示出了限制装置20，该限制装置可以被实施为电流或电压限制装置（在最简单的情况下被实施为无源电阻）。所述限制装置将其中每个导体对31-34中的电流和/或电压限制为本质安全的程度。所述程度分别有多大是根据相关标准得出的，并由本领域技术人员相应地确定。典型地，由此得到针对这些导体对31-34其中每个导体对的单功率小于3 W，大多在1.5W至2.5 W的范围内。

多重线路3的另一端连接到收集器装置（Sammlereinrichtung）4。为此，收集器装置4具有多个连接端41、42、43、44，导体对31、32、33、34的端部连接到这些连接端。收集器装置4将经由各个导体对31-34传输的各个功率合并为总功率。由于在此过程中出现的更高电流/电压，收集器装置4布置在耐压壳体5中以用于保护。替代地或补充地，收集器装置5布置在灌封（Verguss）50下（参见图3至图5）。在收集器装置4的输出端48处提供这样形成的总功率，其中要供电的电器8作为负载连接到所述输出端。

在图2中示出了等效电路图。可以在图像的左侧区域中看到能量源9，其输出电阻通过阻抗99象征。阻抗99限制了可从源91提取的最大电流，并且因此间接地也限制了可提取的功率。接着连接的是具有布置在导体对中的线路电阻37以及线路电容37'和线路电感37''的线路连接2。在图2中未示出收集器装置4，因为就此而论该收集器装置从电气方面看是透明的。最后，电器8形成为负载。

在图3中示出了第一实施方式。该第一实施方式被构造为，使得在各个导体对31-34中传输的电流互连。为此，收集器装置4配备有组合器电路（Kombinatorschaltung）47。连接端41-44经由去耦设备45与组合器电路47连接。出于冗余的原因，这些去耦设备45其中的每个都包含多个去耦元件46、46'，46''，在所示的实施例中，这些去耦元件被实施为串联的三个二极管。所述去耦元件起到电流阀（Stromventile）的作用，并将由相应的导体对31-34传输的电流传导到组合器电路47。在所示的实施方式中，所述组合器电路被实施为使得其并联各个电流并将这些电流累加（aufaddieren）成总电流。这样形成的总电流可以输出到由电器8形成的负载，该负载在该实施例中与收集器装置4集成地安装在共同的灌封50下。

在该实施方式中，与图1不同，以简化的形式实施电流限制装置20，即，将电流限制装置20实施为在线路连接2的开始处在单个源91-94下游连接的限制电阻39。

在图4中示出了第二替代实施方式。所述第二替代实施方式基本上与图3所示的实施方式一致，其中相同或相同类型的元件具有相同的附图标记。所述第二替代实施方式的区别基本上在于，使用了实施得不同的组合器电路49。所述组合器电路被构造为将各个导体对31-34串联连接并因此执行电压的累加。这样形成的总电压再次被输出到作为负载的电器8。

在图5所示的实施变型中，附加地为所述能量传输单元设置了分流调节器6。在导体对34的连接端44处示例性地示出了分流调节器6，适宜地，也为其他连接端设置分流调节器。分流调节器6同样布置在灌封50中。分流调节器6被构造为，监控导体对34中的电压并因此确保以受控方式将电压输出到作为负载的电器8。在未示出的实施例中，代替所述灌封而使用另外的按照标准的点火防护类型，例如封装，例如耐压封装、根据标准化的点火防护类型“增高安全性（erhöhte Sicherheit）”的封装、沙封装、油封装、过压封装。

分流调节器6除了为电器8本身供电外还适用于为电器8的集成式蓄电池81充电。为此，分流调节器6优选与同样集成地布置在灌封50中的充电调节器61以及限制器电路62一起工作，其中该限制器电路在达到预定义的最大电压时结束对蓄电池81的充电。另外，可选地设置释放电路63。所述释放电路被构造为：为了保护蓄电池而仅在所述蓄电池具有特定的最小电压时才释放所述充电。

在图6中示出具有变压器96的能量源9的特别安全的实施方式。示出了总共两个变压器96，所述变压器分别具有两个支路，其中每个支路都连接到导体对31-34之一。这些变压器96分别具有两个单独的、电分离的次级绕组，整流器97、97'分别连接到这两个次级绕组以转换为直流电压。该直流电压的大小经由电压调节器98、98'调节，在所述电压调节器的下游连接了用于限制电流的限制电阻99、99'。

在图7中示出了收集器装置4的另一种变型。在该实施例中，收集器装置4'不检测所有导体对，而是仅检测这些导体对中的一部分，即导体对32-34。通过并联合并的总电流在多个输出端48、48'、48''处输出，这些输出端可以被不同地切换。例如，在输出端48和48'处分别布置欧姆负载，而在输出端48''处设置DC/DC转换器80以用于向在其他电压水平工作的电器8'供电。