AT401983B

AT401983B - Umformer zum herstellen einer wechselspannung aus einer gleichspannung

Info

Publication number: AT401983B
Application number: AT0058491A
Authority: AT
Original assignee: Fronius Schweissmasch
Priority date: 1991-03-15
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 1997-01-27
Also published as: DE4203882A1; ATA58491A

Description

AT 401 983 B

Die Erfindung betrifft einen Umformer zum Herstellen einer Wechselspannung für einen Verbraucher aus einer Gleichspannung mit einer Gleichstromquelle, einem durch eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten, über eine Verbindungsleitung miteinander verbundenen Energiespeichern gebildeten Span-nungsumwandlern, einem Taktschaltglied für Spannungsimpulse und eine dem Spannungsumwandler zugeordnete Steuer- und bzw. oder Überwachungsvorrichtung.

Es ist bereits ein Umwandler bzw. Undulator mit einstellbarer Wellenform bekannt - gemäß DE-OS 29 07 989 - der eine Speiseeinheit und eine Steuerschaltung enthält. Die Speiseeinheit umfaßt eine Vielzahl von Gleichspannungsquellen. Mit einem Taktschaltglied werden entsprechend der herzustellenden Wechselspannungsform mehr oder weniger dieser Gleichspannungsquellen in Reihe geschaltet, sodaß unmittelbar nebeneinander angeordnete Spannungsimpulse entstehen, die zusammengefügt eine Spannungsrampe bzw. eine gewünschte Wechselspannungsform ergeben. Zum Erzeugen von positiven und negativen Halbwellen ist der Undulator mit einer Brückenschaltung versehen, mit welcher die Polarität mittels vier Schaltern umgekehrt werden kann. Nachteilig ist bei dieser Ausführungsvariante, daß eine Vielzahl von kleinen Gleichspannungsquellen benötigt wird, die in ihrer Wartung und in ihrer Lebensdauer sowie der verfügbaren Leistung begrenzt sind und einen hohen Aufwand fordern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Umformer von Gleich- auf Wechselspannung zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist und mit einer geringen Anzahl von Gleichspannungsquellen das Auslangen findet.

Diese Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß das Taktschaltglied mit Unterbrechergliedern, z. B. Schaltorganen und Schaltelementen zwischen den Versorgungsleitungen, der Gleichstromquelle und dem Energiespeicher, sowie dem Energiespeicher und einem Verbraucher zusammenwirkt und mit einem in der Verbindungsleitung zwischen zwei zueinander parallel angeordneten Energiespeichern angebrachten Unterbrecherschaltglied, z. B. Schalter, zwischen den beiden gegengepolten Versorgungsleitungen, wobei diese Verbindungsleitung mit Verbindungsleitungsteilstücken zwischen den zwischen der Versorgungsleitung und den Energiespeichern angeordneten Unterbrechungsschaltgliedern, z. B. Schaltorganen und Schaltelementen und den Energiespeichern verbunden ist. Der überraschende Vorteil dieser scheinbar einfachen Lösung liegt darin, daß durch die Verwendung durch elektronische Bauteile gebildeten Energiespeichern für die Herstellung der Spannungsimpulse eine kleine Baugröße und ein hoher Wirkungsgrad aufgrund der geringen Verlustleistung erzielt werden kann. Dazu kommt aber noch, daß die Schaltgeschwindigkeit derartiger elektronischer Schalter sehr hoch ist und damit mit geringen Pulsbreiten für die Herstellung der Spannungsimpulse gearbeitet werden kann. Dadurch ist es nunmehr möglich, eine feinzahnige Wellenform des Wechselstroms zu erreichen, wodurch die Stabilität der Wechselspannung auch bei höheren Belastungen erhalten bleibt. Ein weiterer überraschender, nicht vorhersehbarer Vorteil dieser Lösung liegt aber auch darin, daß die Umpolung zum Herstellen von positiven und negativen Halbwellen der Wechselspannung im Versorgungsbereich und nicht im Lastbereich erfolgen muß, wodurch mit Schaltorganen niederer Leistung und einer einfacheren Umschaltvorrichtung das Auslangen gefunden werden kann.

Nach einer anderen Ausführung ist vorgesehen, daß die Energiespeicher durch Kondensatoren gebildet sind. Vorteilhaft ist dabei, daß mit betriebssicheren und daher kostengünstigen Bauteilen, die in hohen Stückzahlen produziert werden können, das Auslangen gefunden werden kann.

Es ist aber auch möglich, daß die Steuervorrichtung des Taktschaltgliedes zur Abgabe von aufeinanderfolgenden Spannungsimpulsen der Energiespeicher ausgebildet ist. Dadurch wird erreicht, daß unterschiedlich hohe Spannungsimpulse durch das Zusammenwirken der Steuervorrichtung und der Taktschaltglieder mit nur einer Gleichstromquelle erzielt werden können.

Weiters ist es aber auch möglich, daß eine oder mehrere Energiespeicher über die Steuervorrichtung des Taktschaltgliedes an den Verbraucher angelegt sind und gleichzeitig außer beim Null-Durchgang einer oder mehrere Energiespeicher parallel zueinander und zur Gleichstromquelle geschaltet sind. Dadurch kann die Zeitdauer der einzelnen Spannungsimpulse sehr kurz gehalten werden, sodaß die von den Energiespeichern zur Verfügung zu stellende Leistung gering ist. Damit kann mit einfacheren und billigeren Bauteilen beim Aufbau der Schaltung das Auslangen gefunden werden. Möglich ist aber auch, daß die am Verbraucher angelegten Energiespeicher zueinander in Serie und parallel zum Verbraucher geschaltet sind, wodurch relativ einfach und rasch realisierbare Schaltvorgänge beliebig hohe Spannungsimpuise aus einer Vielzahl von gleichartig ausgebildeten Bauteilen gebildet werden können.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Energiespeicher durch einen Akkumulator mit extrem schneller Ladezeit gebildet ist, da dadurch die Stromversorgung für einen Umformer über eine längere Zeitdauer während der Arbeitspausen des mit dem Umformer versorgten Gerätes erfolgen kann. 2

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Vorteilhaft ist auch eine Ausbildung, bei welcher der Energiespeicher durch einen Elektrolytkondensator gebildet ist, da mit einer geringeren Baugröße für den Umformer das Auslangen gefunden werden kann.

Nach einer anderen Ausführungsvariante ist vorgesehen, daß die Gleichspannungsquelle durch die Energiespeicher, sowie Akku, Solarzelle, usw. gebildet ist. Vorteilhaft ist dabei, daß eine konstante Versorgung mit Gleichspannung möglich ist, sodaß beispielsweise in Gebieten mit extremer Sonneneinstrahlung die Sonnenenergie direkt in Wechselspannung umgesetzt werden kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Unterbrecherschaltglieder durch Triacs oder Transistoren gebildet sind, wodurch eine hohe Betriebssicherheit der Unterbrecherschaltglieder erzielt wird, da diese bei den Schaltvorgängen ohne mechanische Kontakte und Funkenbildung arbeiten.

Es ist aber auch möglich, daß die Unterbrecherschaltglieder durch Kontakte von Schaltrelaise gebildet werden, da dadurch damit mit einem Schaltrelais gleichzeitig eine Mehrzahl von Energiespeichern angesteuert werden kann.

Weiters ist es vorteilhaft, daß die Anzahl der Energiespeicher des Umformers geringer ist als die Hälfte der Summe der für den Aufbau der Spannungsimpulse einer Halbwelle benötigten Energiespeicher, da dadurch insgesamt mit einer geringeren Anzahl von Energiespeichern das Auslangen gefunden werden kann.

Vorteilhaft ist weiters, daß die Umpolvorrichtung zwischen der Energiequelle und den Energiespeichern angeordnet ist, da dadurch mit einer wesentlich schwächer ausgebildeten Umpolvorrichtung das Auslangen gefunden werden kann und überdies Energieverluste während der Schaltvorgänge auf ein Minimum reduziert werden können.

Die Erfindung umfaßt weiters auch ein Verfahren zum Herstellen von Wechselstrom aus Gleichstrom, bei welchem der Gleichstrom in einen pulsierenden Gleichstrom umgewandelt und die Spannung verändert wird, indem die Sinuskurve der Wechselspannung aus einer Mehrzahl von Spannungsimpulsen, insbesondere gleicher Zeitdauer jedoch unterschiedlicher Spannungsgröße zusammengesetzt wird und jeder Spannungsimpuls aus einer Summe von insbesondere gleich großen Einzelspannungen mehrerer Energiespeicher zusammengesetzt wird

Bei diesem Verfahren wird die Anzahl der die Einzelspannung abgebenden Energiespeicher entsprechend dem gewünschten Kurvenverlauf der Wechselspannung ständig verändert und daß mit Ausnahme des Null-Durchgangs wird mindestens ein nicht am Verbraucher anliegender Energiespeicher mit der Energiequelle zusammengeschalten sowie aufgeladen, während mindestens ein weiterer Energiespeicher durch den Verbraucher entladen wird. Vorteilhaft ist dabei, daß durch die beliebige Zusammensetzung der Spannungsimpulse aus beliebiger Anzahl von Energiespeichern und die kurze Schaltdauer der einzelnen Impulse die Belastung der einzelnen Bauteile relativ gering ist und damit eine einfach an unterschiedliche Bedingungen angepaßte Wechselstromversorgungsanlage hergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß ohne komplizierte analoge Regelungsvorgänge lediglich durch Schaltvorgänge, die im Mikrosekundenbereich ablaufen können, die entsprechenden Spannungsimpulse hergestellt werden können. Vorteilhaft ist weiters, daß die Lade- und Entladezeit der als Energiespeicher verwendeten Kondensatoren parallel ablaufen zu lassen, wodurch Spannungsimpulse mit kurzer Zeitdauer zur Erstellung der Wechselspannung verwendet werden können.

Schließlich ist es auch vorteilhaft, daß die Zeitdauer der Spannungsimpulse mit zunehmender Anzahl von Energiespeichern abnimmt, da dadurch der Umformer auch starken Belastungen ausgesetzt werden kann und gleichzeitig die Lebensdauer der Energiespeicher aufgrund der dadurch geringeren Belastung erheblich erhöht werden kann.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Umwandler zum Antrieb von Wechselspannungsgeräten mit einer Gleichspannungsquelle in vereinfachter, schematischer Darstellung;

Fig. 2 ein Schaltschema eines erfindungsgemäßen Umwandlers in vereinfachter, schematischer Darstellung;

Fig. 3 das Schaltschema nach Fig,2 in einer anderen Schaltsteilung;

Fig. 4 das Schaltschema nach Fig.2 bzw. 3 in einem unterschiedlichen Schaltzustand;

Fig. 5 ein Diagramm der mit einem erfindungsgemäßen Umwandler hergestellten Wechselspan nungsform;

Fig. 6 ein Schaltschema einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsvariante des Umformers in vereinfachter, schematischer Darstellung;

Fig. 7 das Schaltschema nach Fig.6 in einer geänderten Schaltstellung;

Fig. 8 das Schaltschema nach Fig.6 bzw. 7 in einer anderen Schaltstellung. 3

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In Fig. 1 ist eine Gleichspannungsquelle 1, z.B. eine Batterie, gezeigt, die über einen Umformer 2 zum Herstellen einer Wechselspannung mit gewünschter Wellenform mit Wechselstromverbrauchern, z.B. einer Bohrmaschine 3 bzw. einen Elektromotor 4 für eine Kreissäge 5 verbunden ist.

Mit dem Umformer 2 ist eine Wechselspannung mit einer mit Reglern 6 bzw. 7 voreinstellbaren Amplitude und Frequenz herstellbar. Mit dem Regler 6 kann die Frequenz die Amplitude dagegen mit dem Regler 7 vorgewählt werden. Überdies kann ein weiteres Regelorgan 8 vorgesehen sein, mit welchem eine Impulsbreite der getakteten Gleichspannungsimpulse einstellbar ist, um die Stabilität der Wechselspannung bei unterschiedliche Belastungen, beispielsweise Bohrmaschinen 3 bzw. Kreissägen 5 zu erzielen.

In Fig.2 ist ein Schaltschema eines derartigen Umformers 2 gezeigt. An die Gleichspannungsquelle 1 sind über eine Umpolvorrichtung 9 und über Versorgungsleitungen 10,11, z.B. durch Kondensatoren 12 gebildete Energiespeicher 13,14,15,16,17,18 angeschlossen. Die Umpolvorrichtung 9 wird am Ausgang 19 bzw. 20 mit positiven bzw. negativen Potential der Gleichstromquelle angeschlossen.

Die Energiespeicher 13-18 bilden gemeinsam mit einem Taktschaltglied 21 einen Spannungsumwandler 22. Das Taktschaltglied 21 umfaßt eine Steuer- und Regelvorrichtung 23 sowie eine Vielzahl von Schaltgliedern 24,25,26,27,28,29 zwischen den Energiespeichern 13-18 und einem Verbraucher 30 sowie eine Mehrzahl von Schaltorganen 31,32,33,34,35,36 zwischen der Versorgungsleitung 10 und den Energiespeichern 13-18, sowie Schaltelementen 37,38,39,40,41,42 zwischen der Versorgungsleitung 11 und den Energiespeichern 13-18.

Zusätzlich sind die Energiespeicher 13-18 über eine serielle Verbindungsleitung 43,44,45,46,47 verbunden, die jeweils mit einem zwischen den Schaltorganen 31-36 und den Energiespeichern 13-18 angeordneten Verbindungsleitungsteil 48 und mit einem Verbindungsleitungsteil 49 zwischen den Schaltelementen 37-42 und den Energiespeichern 13-18 des benachbarten Energiespeichers 13-18 verbunden sind. In den seriellen Verbindungsleitungen 43-47 sind Schalter 50,51,52,53,54 angeordnet.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur sechs Energiespeicher 13-18 dargestellt sind. Deren Anzahl kann jedoch entsprechend der gewünschten Wellenform der Wechselspannung beliebig erhöht werden.

Der Verbraucher 30 kann, wie anhand der Fig. 1 erläutert, durch eine Bohrmaschine 3 oder einen Elektromotor 4 oder jeden beliebigen anderen Wechselstromverbraucher gebildet sein.

Die Steuer- und Regelvorrichtung 23 kann durch einen Mikroprozessor oder durch eine schnelle digital Steuerung in CMOS-Technik gebildet sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, jede beliebige andere Schaltungsart zu verwenden. Die Steuer- und Regelvorrichtung 23 an der die Regler 6,7 bzw. das Regelorgan 8 angeschlossen sind, liefern die Taktimpulse bzw. die Steuersignale zum Öffnen und Schließen der Schaltglieder 24-29, der Schaltorgane 31-36, der Schaltelemente 37-42 und der Schalter 50-54. Diese Schaltglieder 24-29, Schaltorgane 31-36, Schaltelemente 37-42 und Schalter 50-54 können, sowohl durch Relaiskontakte aber auch als elektronische Schalter, beispielsweise Transistoren oder Triac gebildet sein. Es können aber auch alle beliebig anderen für diesen Einsatzzweck geeigneten Schalter, z.B. Umschalter eingesetzt werden. Die Energiespeicher 13-18 können über die Schaltglieder 24-29 und die Schaltelemente 37-42 an mit dem Verbraucher 30 verbundenen Versorgungsleitungen 11,55 angelegt werden.

In den Fig.2 bis 4 wird das Verfahren zur Herstellung einer Wechselspannung 56 mit einer gewünschten Wellenform im Detail beschrieben.

Der Steuerungsablauf zur Herstellung der Wechselspannung 56 ist bei dem Umformer 2 gemäß den in den Fig.2 bis 4 gezeigten Schaltschema wie folgt:

Wie in Fig.2 ersichtlich, wird nach dem Einschalten des Umformers 2 das Schaltorgan 31 und das Schaltelement 37 von der in vollen Linien gezeichneten Stellung durch die Steuer- und Regelvorrichtung 23 in die strichlierte Stellung geschaltet. Dadurch hängt der Energiespeicher 13 über die Versorgungsleitungen 10,11 und der Umpolvorrichtung 9 parallel an der Gleichspannungsquelle 1 und wird der den Energiespeicher 13 bildende Kondensator 12 geladen. Die Ladung des Energiespeichers 13 erfolgt über die Ausgänge 19,20, die Umpolvorrichtung 9, die Versorgungsleitungen 10,11 und das Schaltorgan 31 sowie das Schaltelement 37. Entsprechend der für die Ladung des Kondensators 12 benötigten Zeitspanne wird nun mehr eine Schaltschrittdauer festgelegt bzw. wurde diese bei der Festlegung der Größe des Kondensators 12 der Auslegung der Schaltung entsprechend berechnet und festgelegt oder es wird der Ladezustand des Kondensators 12 überwacht und in Abhängigkeit von der Aufladung der nächste Schaltschritt eingeleitet. Grundsätzlich kann diese Zeitdauer der einzelnen Schaltschritte aber auch in Abhängigkeit von den Reglern 6,7, mit welchen die Frequenz und die Amplitude der gewünschten Wechselspannung eingestellt werden, festgelegt sein. 4

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In Fig.3 ist nun der auf die in Fig.2 gezeigten Schaltschritte des Umformers 2 gezeigt. In diesem wird das Schaltorgan 31 geöffnet, d.h. durch die Steuer- und Regelvorrichtung 23 von der in vollen Linien gezeichneten Stellung in strichlierten Linien dargestellte Lage verstellt. Weiters werden die Schaltorgane 32,33 die Schaltelemente 38,39, sowie das Schaltglied 24 geschlossen, wodurch nunmehr Energiespeicher 14,15 wie in Fig.2 für den Energiespeicher 13 beschrieben, geladen werden. Währenddessen wird die zuvor im Energiespeicher 13 gespeicherte Energie über das Schaltglied 24 und das Schaltelement 37 über Versorgungsleitungen 11,55 am Verbraucher 30 angelegt. Das Entladen des Energiespeichers 13 am Verbraucher 30 erfolgt nun über die Dauer des Schaltschrittes, also über jene Zeitdauer, über die nunmehr die weiteren im Energiespeicher 14,15 aufgeladen werden.

Die Zeitdauer die zum Laden und Entladen der Energiespeicher 13-18 zur Verfügung steht, hängt natürlich nicht nur von der Einstellung der Regler 6,7, sondern der Gesamtanzahl der zur Erzeugung der Wechselspannung vorhandenen Energiespeicher ab. Sind mehr Energiespeicher vorhanden, ist es möglich, eine "feinere Zahnung" der Wellenform der Wechselspannung zu erreichen, obwohl bei gleicher Amplitude, jedoch veränderter Anzahl von Energiespeichern bzw. feinerer Zahnung der Wellenform die Zeitspanne, die zum Aufladen der Energiespeicher 13-18 bzw. zu deren Entladung zur Verfügung steht, geringer wird.

In Fig.4 ist nun die Schaltstellung des Umformers 2 in der nächsten Zeitdauer bzw. im nächsten Schaltschritt gezeigt. Die Steuer- und Regelvorrichtung 23 öffnet das Schaltglied 24, die Schaltelemente 37,38 und die Schaltorgane 31,32. Gleichzeitig werden die Schaltorgane 34,35,36 sowie die Schaltelemente 40,41,42, das Schaltglied 26 und der Schalter 51 geschlossen. Die im Energiespeicher 14 gespeicherte Energie wird über den Schalter 51 in Reihe zu der Energie im Energiespeicher 15 geschalten und somit die Spannung verdoppelt.

Die verdoppelte Spannung wird nun über das Schaltglied 26 und die Versorgungsleitung 55 an den Verbraucher 30 angelegt. Der Gegenpol liegt über das Schaltelement 38 und die Versorgungsleitung 11 am Verbraucher 30 an. Die Energiespeicher 14,15 werden vom Verbraucher 30 entladen. Während der Entladung der Energiespeicher 14,15 ladet die Gleichspannungsquelle 1 die Energiespeicher 16,17,18. Die Schaltzyklen wiederholen sich bis zu einem gewissen Spannungswert und werden nachfolgend detaillierter anhand der Fig.5 beschrieben.

Ist der maximale Spannungswert erreicht, wird jedem Schaltzyklus einen Energiespeicher 13-18 weniger von der Steuer- und Regelvorrichtung 23 an den Verbraucher 30 angelegt.

Ist der Schaltzyklus in dem kein Energiespeicher 13-18 geladen wird, also beispielsweise dann, - die Spannungskurve die Nullinie durchschreitet erreicht - so aktiviert die Steuer- und Regelvorrichtung 23 die Umpolvorrichtung 9. Durch die Betätigung der Umpolvorrichtung 9 werden die Umschaltkontakte derselben aus der in vollen Linien gezeichneten in die strichlierten Linien gezeichnete Stellung verstellt, wodurch der Ausgang 19 der Gleichsspannungsquelle an die Versorgungsleitung 11 und der Ausgang 20 an die Versorgungsleitung 10 angelegt wird. Damit werden die Energiespeicher 13-18 bildenden Kondensatoren 12 oder sonstige Energiespeicher in der entgegengesetzten Richtung geladen, wodurch eine in der der Richtung der vorhergehenden Spannungswelle entgegengesetzte Richtung gerichtete Halbwelle erzeugt werden kann.

Wie besser aus Fig.5 zu ersehen ist, wird eine positive und negative Halbwelle 57,58 einer Wechselspannung 59 aus einer Vielzahl von Spannungsimpulsen 60,61,62,63 zusammengesetzt. Jeder dieser Spannungsimpulse 60-63 setzt sich aus Einzelspannungsimpulsen der Energiespeicher 13-18 zusammen. So besteht der Spannungsimpuls 60 aus einem Einzelimpuls 64 des Energiespeichers 13, während der Spannungsimpuls 61 beispielsweise aus zwei Einzelimpulsen 65,66 der Energiespeicher 14,15 und der Spannungsimpuls 62 aus drei Einzelimpulsen 67,68,69 der Energiespeicher 16,17,18 zusammengesetzt ist.

Durch eine Zeitdauer 70, über welche die Energiespeicher 13-18 ge- bzw. entladen werden, der also auch den Abstand zwischen einzelnen Taktimpulsen festlegt, kann die Welligkeit der Wechselspannung 59 verändert werden. Diese Zeitdauer 70 kann über das Regelorgan 8 der Steuer- und Regelvorrichtung 23 vorgewählt und somit an verschiedene Einsatzbedingungen angepaßt werden. Ein möglicher Regelbereich ist jedoch meist durch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Energiespeicher 13-18 eingegrenzt. Wird die Zeitdauer 70 klein gewählt, so wird eine hohe Stabilität des Wechselstroms auch bei hohen Belastungen bzw. bei Belastungsspitzen der Verbraucher 30 erzielt. Es versteht sich von selbst, daß bei geringerer Breite der Spannungsimpulse 60-63 die Anzahl der zur Herstellung einer Wechselspannung 59 benötigten Energiespeicher 13-18 erhöht werden muß.

Wird ein Spannungsimpuls 71 wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das Zusammenschalten von vier Einzelimpulsen 72, d.h. also den Ausgängen von gleichzeitig vier angesteuerten Energiespeichern hergestellt, so benötigt der Umformer 2 zumindest den Energiespeicher 13-18. Nachdem der maximale Spannungsimpuls 71 überschritten worden ist, wird durch die Aufladung einer immer geringeren Anzahl von Energiespeichern das Spannungsniveau pro Spannungsimpuls 60-63 abgesenkt, bis es den 5

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Nullwert - bei Durchschreiten der Nullinie durch die Spannungslinie - erreicht, worauf die entgegengesetzte Halbwelle durch Ladung einer pro Schaltschritt ständig zunehmenden Anzahl von Energiespeichern erhöht wird bis wiederum der Spitzenwert erreicht ist. Jeweils beim Durchschreiten der Nullinie wird die Umpolvorrichtung 9 umgeschaltet.

Durch die Wahl der Anzahl der Einzelimpulse 64-69,72 aus welchen sich ein Spannungsimpuls 60-63, 71 zusammensetzt, kann die Spannungshöhe der Wechselspannung 59 variiert bzw. festgelegt werden. Diese kann mit dem Regler 7 der Steuer- und Regelvorrichtung 23 vorgewählt werden.

In Fig.6 ist eine andere Schaltungsvariante eines derartigen Umformers 2 gezeigt. Zur Gleichspannungsquelle 1 sind über Versorgungsleitungen 80,81, z.B. aus Kondensatoren 12 gebildete Energiespeicher 82-87 parallel zur Gleichstromquelle 1 am Ausgang 19 bzw. 20 mit positivem bzw. negativen Potential angeschlossen.

Die Energiespeicher 82-87 bilden gemeinsam mit einem Taktschaltglied 88 einen Spannungsumwandler 22. Das Taktschaltglied 88 umfaßt eine Steuer- und Regelvorrichtung 89, ein Schaltglied 90,91, sowie einen Verbraucher 92, dargestellt als Motor 93, sowie eine Mehrzahl von Schaltorganen 94-99, zwischen der Versorgungsleitung 80 und den Energiespeichern 82-87, sowie Schaltelemente 100-105 zwischen der Versorgungsleitung 81 und den Energiespeichern 82-87.

Zusätzlich sind die Energiespeicher 82-87 über eine serielle Verbindungsleitung 106-110 verbunden, die jeweils mit einem zwischen den Schaltorganen 94-99 und den Energiespeichern 82-87 angeordneten Verbindungsleitungsteil 111 zwischen den Schaltelementen 100-105 und den Energiespeichern 82-87 des benachbarten Energiespeichers 82-87 verbunden. Weiters sind Sie mit einem Verbindungsleitungsteil 112, der zwischen den Schaltorganen 94-99 und den Energiespeichern 82-87 des benachbarten Energiespeichers 82-87 verbunden. In den seriellen Verbindungsleitungen 106-110 sind Schalter 113-117 angeordnet.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur sechs Energiespeicher 82-87 dargestellt sind, diese jedoch entsprechend der gewünschten Wellenform der Wechselspannung beliebig erhöht werden können.

In den Fig.6 bis 8 wird nun der Ablauf zur Herstellung einer Wechselspannung 56 mit einer gewünschten Wellenform im Detail beschrieben. Bei dieser in Fig.6 gezeichneten Schaltungsvarianten werden die Energiespeicher 82-87 in zwei Hälften aufgeteilt. Durch das Aufteilen der Energiespeicher 82-87 in zwei Hälften werden die nicht benötigten Energiespeicher 82-87 parallel an der Gleichstromquelle 1 angeschlossen und ständig geladen. Es wird nun das Schaltorgan 97 geöffnet, d.h. von der in vollen Linien gezeichneten Stellung in die in strichlierten Linien gezeichnete Stellung geschaltet. Zur gleichen Zeit schließt das Schaltglied 91 und die gespeicherte Energie im Energiespeicher 85 fließt über das Schaltglied 91 an den Verbraucher 92. Das negative Potential wird mit dem Schaltelement 103 und der Versorgungsleitung 81 gebildet und an den Verbraucher 92 angeschlossen.

Die Herstellung eines unmittelbar nachfolgenden Spannungsimpulses 61 wird in Fig.7 naher erläutert. In Fig.7 wird das Schaltorgan 97 und das Schaltglied 91 von der Steuer- und Regelvorrichtung 89 in die Ausgangsstellung zurückgeschaltet. Gleichzeitig steuert die Steuer- und Regelvorrichtung 89, die Schaltorgane 95,96, den Schalter 114, das Schaltelement 102 sowie das Schaltglied 90. Durch das Schließen des Schalters 114 wird der Energiespeicher 83 über die Verbindungsleitung 107 in Serie zum Energiespeicher 84 geschaltet und die einzelnen Spannungen summieren sich. Die verdoppelte Spannung fließt über das Schaltglied 91 an den Verbraucher 92. Das negative Potential bildet nun das Schaltelement 101 mit der Versorgungsleitung 81 um die Verdopplung der Spannung zu ermöglichen muß das Schaltelement 102 geöffnet werden, ansonsten wurde der Energiespeicher 83 direkt auf das negative Potential geschaltet und kurzgeschlossen. Durch das Öffnen der Schaltorgane 95,96 werden die Energiespeicher 83,84 von der Gleichspannungsquelle 1 weggeschalten und es wird nur die gespeicherte Energie an den Verbraucher 92 abgegeben.

Der in Fig.6 verwendete Energiespeicher 86 wird durch das Schließen des Schaltorganes 97 und des Schaltelementes 103 parallel an die Gleichstromquelle 1 angeschlossen und somit wieder geladen. Nach Ablauf der Zeitdauer 70 ist der Energiespeicher 85 wieder voll geladen.

Die Schaltstellung des Umformers 2 über die Zeitdauer 70 des nächsten Spannungsimpulses, die in Fig.8 gezeigt ist, ist deutlich zu erkennen, daß der in Fig.6 verwendet Energiespeicher 85 bei der Erzeugung des übernächsten Spannungsimpulses bereits wieder verwendet wird.

In Fig.8 werden die Schaltorgane 95,96 von der Steuer- und Regelvorrichtung 89 in ihre Ruhelage, d.h. von der in strichlierten Linien in die mit vollen Linien gezeichnete Stellung zurückgeschaltet und damit die Energiespeicher 83,84 an die Gleichspannungsquelle 1 angeschlossen und geladen. In derselben Zeitperiode schaltet die Steuer- und Regelvorrichtung 89 die Schaltorgane 97,98,99, die Schaltelemente 103,104, die Schalter 115,116, sowie das Schaltglied 91 in die in vollen Linien gezeigte Stellung. Das Öffnen der Schaltorgane 97,98,99 sowie der Schaltelemente 103,104 bewirkt, daß die Energiespeicher von der 6

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Gleichspannungsquelle 1 weggeschaitet werden und somit nur die gespeicherte Energie an den Verbraucher 92 abgegeben, wird

Ein positives Potential 118 des Energiespeichers 87 liegt über die Verbindungsleitung 109 und den geschlossenen Schalter 116 am negativen Pol 119 des Energiespeichers 86 an und verdoppelt sich daher. Der geschlossene Schalter 115 bewirkt, daß die verdoppelte Energie über die Verbindungsleitung 108 und den Schalter 115 an den Energiespeicher 85 anliegen. Aufgrund des Zusammenschalten der einzelnen Energiespeicher 85,86, 87 in Serie summiert sich die Energie. Ist das Schaltglied 91 geschlossen, so fließt die sich an der Anzahl des jeweils in Serie geschalteten Energiespeichers 82-87 ergebende Summenspannung über das Schaltglied 91 an den Verbraucher 92 und es entsteht der Spannungsimpuls 62, wie in Fig.5 ersichtlich. Um den Kreislauf des Energieflusses zu schließen, wird das negative Potential des Verbrauchers 92 über eine Versorgungsleitung 81 und über das Schaltelement 105 an den Energiespeicher 87 angeschlossen.

Diese Vorgänge wiederholen sich, bis der maximale Spannungsimpuls 71, wie in Fig.5 ersichtlich, erreicht wird. Ist der maximale Spannungsimpuls 71, wie in unserem Beispiel erreicht, so wird im nächstfolgenden Schaltschritt nicht mehr zusätzlich ein Energiespeicher hinzugeschaltet, sondern ein Energiespeicher weniger an den Verbraucher 92 angelegt.

Der Vorteil dieser Variante liegt darin, daß, wie in den Fig.6 bis 8 beschrieben, entgegen der in den Fig.2 bis 4 dargestellten Ausführungsform die vorhandenen Energiespeicher für die Erzeugung von Spannungsimpulsen unterschiedlicher Höhe mehrfach verwendet, während bei der Ausführungsvariante gemäß den Fig.2 bis 4 jeden Spannungsimpuls ganz bestimmte Energiespeicher zugeordnet sind, die auch ausschließlich nur für die Herstellung dieses Spannungsimpulses aufgeschalten werden.

Die zuletzt beschriebene Ausführungsvariante hat daher den Vorteil, daß für die Herstellung von Spannungsimpulsen gleicher Höhe bzw. einer gleichartigen Wellenform des Spannungsverlaufes mit einer erheblich geringeren Gesamtanzahl von Energiespeichern das Auslangen gefunden werden kann.

Im Rahmen der Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich, Schaltungsdetails bzw. die dargestellten Einzelschaltungsteile durch einen Fachmann auf dem Stand der Technik bekannte beliebige andere Schaltungsteile zu ersetzen und es können auch einzelne Baugruppen der Schaltung für sich eigenständige erfindungsgemäße Lösungen bilden.

Des weiteren wird darauf hingewiesen, daß es sich bei den dargestellten Schaltbildern um Blockschaltbilder handelt, in welchen einzelne Schaltungsdetails, die zur Stabilisierung der Spannung bzw. zur Vermeidung von Kurzschlüssen zusätzlich noch angeordnet werden können, nicht dargestellt sind.

Bezugszeichenaufstellung 1 Gleichspannungsquelle 2 Umformer 3 Bohrmaschine 4 Elektromotor 5 Kreissäge 6 Regler 7 Regler 8 Regelorgan 9 Umpolvorrichtung 10 Versorgungsleitung 11 Versorgungsleitung 12 Kondensator 13 Energiespeicher 14 Energiespeicher 15 Energiespeicher 16 Energiespeicher 17 Energiespeicher 18 Energiespeicher 19 Ausgang 20 Ausgang 21 Taktschaltglied 22 Spannungsumwandler 23 Steuer- und Regelvorrichtung 24 Schaltglied 7

AT 401 983 B 25 Schaltglied 26 Schaltglied 27 Schaltglied 28 Schaltglied 29 Schaltglied 30 Verbraucher 31 Schaltorgan 32 Schaltorgan 33 Schaltorgan 34 Schaltorgan 35 Schaltorgan 36 Schaltorgan 37 Schaitelement 38 Schaltelement 39 Schaltelement 40 Schaltelement 41 Schaltelement 42 Schaltelement 43 Verbindungsleitung 44 Verbindungsleitung 45 Verbindungsleitung 46 Verbindungsleitung 47 Verbindungsleitung 48 Verbindungsleitungsteil 49 Verbindungsleitungsteil 50 Schalter 51 Schalter 52 Schalter 53 Schalter 54 Schalter 55 Versorgungsleitung 56 Wechselspannung 57 positive Halbwelle 58 negative Halbwelle 59 Wechselspannung 60 Spannungsimpuls 61 Spannungsimpuls 62 Spannungsimpuls 63 Spannungsimpuls 64 Einzelimpuls 65 Einzelimpuls 66 Einzelimpuls 67 Einzelimpuls 68 Einzelimpuls 69 Einzelimpuls 70 Zeitdauer 71 Spannungsimpuls 72 73 74 75 76 77 78 79 Einzelimpuls 80 Versorgungsleitung 81 Versorgungsleitung 82 Energiespeicher 8

Claims

AT 401 983 B 83 Energiespeicher 84 Energiespeicher 85 Energiespeicher 86 Energiespeicher 87 Energiespeicher 88 Taktschaltglied 89 Steuer- und Regelvorrichtung 90 Schaltglied 91 Schaltglied 92 Verbraucher 93 Motor 94 Schaltorgan 95 Schaltorgan 96 Schaltorgan 97 Schaltorgan 98 Schaltorgan 99 Schaltorgan 100 Schaltelement 101 Schaltelement 102 Schaltelement 103 Schaltelement 104 Schaltelement 105 Schaltelement 106 Verbindungsleitung 107 Verbindungsleitung 108 Verbindungsleitung 109 Verbindungsleitung 110 Verbindungsleitung 111 Verbindungsleitungsteil 112 Verbindungsleitungsteil 113 Schalter 114 Schalter 115 Schalter 116 Schalter 117 Schalter 118 positives Potential 119 negativer Pol Patentansprüche 1. Umformer zum Herstellen einer Wechselspannung für einen Verbraucher aus einer Gleichspannung mit einer Gleichstromquelle, einem durch eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten, über eine Verbindungsleitung miteinander verbundenen Energiespeichern gebildeten Spannungsumwandlern, einem Taktschaltglied für Spannungsimpulse und eine dem Spannungsumwandler zugeordnete Steuer-und bzw. oder Überwachungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Taktschaltglied (21) mit Unterbrechergliedern, z. B. Schaltorganen (31-36) und Schaltelementen (37-42) zwischen den Versorgungsleitungen (10,11), der Gleichstromquelle (1) und dem Energiespeicher (13-18), sowie dem Energiespeicher (13-18) und einem Verbraucher (30) zusammenwirkt und mit einem in der Verbindungsleitung (43-47) zwischen zwei zueinander parallel angeordneten Energiespeichern (13-18) angebrachten Unterbrecherschaltglied, z. B. Schalter (50-54), zwischen den beiden gegengepolten Versorgungsleitungen (10,11), wobei diese Verbindungsleitung (43-47) mit Verbindungsleitungsteilstücken zwischen den zwischen der Versorgungsleitung (10,11) und den Energiespeichern (13-18) angeordneten Unterbrechungsschaltgliedern,z. B. Schaltorganen (31-36) und Schaltelementen (37-42) und den Energiespeichern (13-18) verbunden ist.
2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeicher (13-18) durch Kondensatoren (12) gebildet sind. 9 ΑΤ 401 983 Β
3. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung des Taktschaltgliedes (21) zur Abgabe von aufeinanderfolgenden Spannungsimpulsen (60-63) der Energiespeicher (13-18) ausgebildet ist.
4. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Energiespeicher (13-18) über die Steuervorrichtung des Taktschaltgliedes (21) an den Verbraucher (30) angelegt sind und gleichzeitig außer beim Null-Durchgang einer oder mehrere Energiespeicher (13-18) parallel zueinander und zur Gleichstromquelle geschaltet sind.
5. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die am Verbraucher (30) angelegten Energiespeicher (13-18) zueinander in Serie und parallel zum Verbraucher (30) geschaltet sind.
6. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (13-18) durch einen Akkumulator mit extrem schneller Ladezeit gebildet ist.
7. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (13-18) durch einen Elektrolytkondensator gebildet ist.
8. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (1) durch die Energiespeicher (13-18), sowie Akku, Solarzelle, usw. gebildet ist.
9. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrecherschaltglieder durch Triacs oder Transistoren gebildet sind.
10. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrecherschaltglieder durch Kontakte von Schaltrelaise gebildet werden.
11. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Energiespeicher (13-18) des Umformers (2) geringer ist als die Hälfte der Summe der für den Aufbau der Spannungsimpulse (60-63) einer Halbwelle benötigten Energiespeicher (13-18).
12. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Umpolvorrichtung (9) zwischen der Energiequelle und den Energiespeichern (13-18) angeordnet ist.
13. Verfahren zum Herstellen von Wechselstrom aus Gleichstrom, bei welchem der Gleichstrom in einen pulsierenden Gleichstrom umgewandelt und die Spannung verändert wird, indem die Sinuskurve der Wechselspannung aus einer Mehrzahl von Spannungsimpulsen, insbesondere gleicher Zeitdauer jedoch unterschiedlicher Spannungsgröße zusammengesetzt wird und jeder Spannungsimpuls aus einer Summe von insbesondere gleich großen Einzelspannungen mehrerer Energiespeicher zusammengesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der die Einzelspannung abgebenden Energiespeicher (13-18) entsprechend dem gewünschten Kurvenverlauf der Wechselspannung (59) ständig verändert wird und daß mit Ausnahme des Null-Durchgangs mindestens ein nicht am Verbraucher (92) anliegender Energiespeicher (82-87) mit der Energiequelle zusammengeschalten sowie aufgeladen wird, während mindestens ein weiterer Energiespeicher (82-88) durch den Verbraucher (92) entladen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauer (70) der Spannungsimpulse (60-63) mit zunehmender Anzahl von Energiespeichern (13-18) abnimmt. Hiezu 8 Blatt Zeichnungen 10