DE4203882A1 - Umformer zum herstellen einer wechselspannung aus einer gleichspannung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Umformer, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist.

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 Takt­ schaltglied werden entsprechend der herzustellenden Wechselspannungsform mehr oder weniger dieser Gleichspannungsquellen in Reihe geschaltet, sodaß unmittelbar nebenein­ ander angeordnete Spannungsimpulse entstehen, die zusammengefügt eine Spannungsram­ pe 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 benö­ tigt 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 ge­ ringen Anzahl von Gleichspannungsquellen das Auslangen findet.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Patentan­ spruches 1 gelöst. Der überraschende Vorteil dieser scheinbar einfachen Lösung liegt dar­ in, daß durch die Verwendung von durch elektronische Bauteile gebildeten Energiespei­ cher für die Herstellung der Spannungsimpulse eine kleine Baugröße und ein hoher Wir­ kungsgrad 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 wer­ den kann. Dadurch ist es nunmehr möglich, eine feinzahnige Wellenform des Wechsel­ stroms zu erreichen, wodurch die Stabilität der Wechselspannung auch bei höheren Bela­ stungen erhalten bleibt. Ein weiterer überraschender, nicht vorhersehbarer Vorteil dieser Lösung liegt aber auch darin, daß die Umpolung zum Herstellen von positiven und ne­ gativen Halbwellen der Wechselspannung im Versorgungsbereich und nicht im Lastbe­ reich erfolgen muß, wodurch mit Schaltorganen niederer Leistung und einer einfacheren Umschaltvorrichtung das Auslangen gefunden werden kann.

Eine weitere Ausführungsvariante ist im Patentanspruch 2 gekennzeichnet. Vorteilhaft ist dabei, daß mit betriebssicheren und daher kostengünstigen Bauteilen, die in hohen Stück­ zahlen produzierten werden können, das Auslangen gefunden werden kann.

Bei einer Ausführungsvariante nach Patentanspruch 3 ist von Vorteil, daß unterschiedlich hohe Spannungsimpulse durch das Zusammenwirken der Steuervorrichtung und der Takt­ schaltglieder mit nur einer Gleichstromquelle erzielt werden können.

Es ist aber auch eine Ausführung nach Patentanspruch 4 möglich, wodurch die Zeitdauer der einzelnen Spannungsimpulse sehr kurz gehalten werden kann, sodaß die von den Ener­ giespeichern zur Verfügung zu stellende Leistung gering ist. Damit kann mit einfacheren und billigeren Bauteilen beim Aufbau der Schaltung das Auslangen gefunden werden.

Mit der Ausbildung nach Patentanspruch 5 wird erreicht, daß durch relativ einfach und rasch realisierbare Schaltvorgänge beliebig hohe Spannungsimpulse aus einer Vielzahl von gleichartig ausgebildeten Bauteilen gebildet werden können.

Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung nach Patentanspruch 6, da dadurch die Stromver­ sorgung für einen Umformer über eine längere Zeitdauer während der Arbeitspausen des mit dem Umformer versorgten Gerätes erfolgen kann.

Die Ausbildung nach Patentanspruch 7 ist vorteilhaft, da mit einer geringeren Baugröße für den Umformer das Auslangen gefunden werden kann.

Eine andere Weiterbildung beschreibt Patentanspruch 8. Vorteilhaft ist dabei, daß eine konstante Versorgung mit Gleichspannung möglich ist, sodaß beispielsweise in Gebieten mit extremer Sonneneinstrahlung die Sonnenenergie direkt in Wechselspannung umge­ setzt werden kann.

Durch die Ausgestaltung nach Patentanspruch 9 ist es möglich, eine hohe Betriebssicher­ heit für die Unterbrecherschaltglieder zu erzielen, da diese bei den Schaltvorgängen ohne mechanische Kontakte und Funkenbildung arbeiten.

Es ist aber natürlich auch eine Ausbildung nach Patentanspruch 10 möglich, da damit mit einem Schaltrelais gleichzeitig eine Mehrzahl von Energie speichern angesteuert werden kann.

Vorteilhaft ist aber auch eine Verfahrensweise nach Patentanspruch 11, da dadurch der Umformer auch starken Belastungen ausgesetzt werden kann und gleichzeitig die Lebens­ dauer der Energiespeicher aufgrund der dadurch geringeren Belastung erheblich erhöht werden kann.

Schließlich ist auch eine Ausbildung nach Patentanspruch 12 von Vorteil, da dadurch ins­ gesamt mit einer geringeren Anzahl von Energiespeichern das Auslangen gefunden wer­ den kann.

Vorteilhaft ist auch eine weitere Anordnung nach Patentanspruch 13, da dadurch mit ei­ ner wesentlich schwächer ausgebildeten Umpolvorrichtung das Auslangen gefunden wer­ den kann und überdies Energieverluste während der Schaltvorgänge auf ein Minimum re­ duziert werden können.

Die Erfindung umfaßt weiter auch ein Verfahren zum Herstellen von Wechselstrom aus Gleichstrom, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 14 beschrieben ist.

Dieses Verfahren ist durch die kennzeichnenden Merkmale im Patentanspruch 14 gekenn­ zeichnet. Vorteilhaft ist dabei, daß durch die beliebige Zusammensetzung der Spannungs­ impulse aus der beliebigen 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 her­ gestellt werden kann.

Vorteilhaft ist auch eine Ausgestaltung nach Patentanspruch 15, da die einzelnen Energie­ speicher für die Erstellung unterschiedlicher Spannungsimpulse wechselweise verwendet werden können und insgesamt die Ersatzteilhaltung vereinfacht wird.

Ein Vorgehen nach Patentanspruch 16 ist vorteilhaft, da ohne komplizierte, analoge Rege­ lungsvorgänge lediglich durch Schaltvorgänge, die im Mikrosekundenbereich ablaufen können, die entsprechenden Spannungsimpulse hergestellt werden können.

Durch die Maßnahmen nach Patentanspruch 17 ist es möglich, die Lade- und Entladezeit des als Energiespeicher verwendeten Kondensators parallel ablaufen zu lassen, wodurch Spannungsimpulse mit kurzer Zeitdauer zur Erstellung der Wechselspannung verwendet werden können.

Vorteilhaft ist aber auch eine Verfahrensvariante nach Patentanspruch 18, da dadurch eine gleichmäßigere Belastung der Energiequelle für das Aufladen der Energiespeicher erzielt wird und Spitzenbelastungen der Energiequelle kaum auftreten.

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

Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Umwandler zum Antrieb von Wechselspannungsgerä­ ten mit einer Gleichspannungsquelle in vereinfachter, schematischer Darstel­ lung;

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

Fig. 3 das Schaltschema nach Fig. 2 in einer anderen Schaltstellung;

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

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

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.

In Fig. 1 ist eine Gleichspannungsquelle 1, z. B. eine Batterie, gezeigt, die über einen Um­ former 2 zum Herstellen einer Wechselspannung mit gewünschter Wellenform mit Wech­ selstromverbrauchern, 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 vorein­ stellbaren Amplitude und Frequenz herstellbar. Mit dem Regler 6 kann die Frequenz die Amplitude dagegen mit dem Regler 7 vorgewählt werden. Überdies kann ein weiteres Re­ gelorgan 8 vorgesehen sein, mit welchem eine Impulsbreite der getakteten Gleichspan­ nungsimpulse einstellbar ist, um die Stabilität der Wechselspannung bei unterschiedli­ chen Belastungen, beispielsweise Bohrmaschinen 3 bzw. Kreissägen 5, zu erzielen.

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

Die Energiespeicher 13-18 bilden gemeinsam mit einem Taktschaltglied 21 einen Span­ nungsumwandler 22. Das Taktschaltglied 21 umfaßt eine Steuer- und Regelvorrichtung 23 sowie eine Vielzahl von Schaltgliedern 24, 25, 26, 27, 28, 29 zwischen den Energiespei­ chern 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 Schaltelemente 37, 38, 39, 40, 41, 42 zwischen der Versorgungsleitung 11 und den Energie­ speichern 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 Verbin­ dungsleitungsteil 49 zwischen den Schaltelementen 37-42 und den Energiespeichern 13-18 des benachbarten Energiespeichers 13-18 verbunden sind. In den seriellen Verbin­ dungsleitungen 43-47 sind Schalter 50, 51, 52, 53, 54 angeordnet.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur sechs Ener­ giespeicher 13-18 dargestellt sind. Deren Anzahl kann jedoch entsprechend der gewün­ schten 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 gebil­ det sein.

Die Steuer- und Regelvorrichtung 23 kann durch einen Mikroprozessor oder durch eine schnelle digitale Steuerung in CMOS-Technik gebildet sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, jede beliebige andere Schaltungsart zu verwenden. Die Steuer- und Regel­ vorrichtung 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 kön­ nen sowohl durch Relaiskontakte aber auch als elektronische Schalter, beispielsweise Transistoren oder Triac, gebildet sein. Es können aber auch alle beliebig anderen für die­ sen Einsatzzweck geeigneten Schalter, z. B. Umschalter, eingesetzt werden. Die Energie­ speicher 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 ei­ ner 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 pa­ rallel an der Gleichspannungsquelle 1 und wird der den Energiespeicher 13 bildende Kon­ densator 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 benö­ tigten Zeitspanne wird nunmehr 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. Grundsätz­ lich kann diese Zeitdauer der einzelnen Schaltschritte aber auch in Abhängigkeit von den Reglern 6, 7, mit welchen die Frequenz und die Amplitude der gewünschten Wechselspan­ nung eingestellt werden, festgelegt sein.

In Fig. 3 ist nun jener Schaltschritt gezeigt, welcher auf die in Fig. 2 gezeigten Schaltschrit­ te des Umformers 2 folgt. In diesem wird das Schaltorgan 31 geöffnet, d. h. durch die Steuer- und Regelvorrichtung 23 von der in vollen Linien gezeichneten Stellung in die in strichlierten Linien dargestellte Lage verstellt. Weiteres werden die Schaltorgane 32, 33 die Schaltelemente 38, 39 sowie das Schaltglied 24 geschlossen, wodurch nunmehr Energie­ speicher 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 Verbrau­ cher 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 weiter­ en 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 Gesamtan­ zahl 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 Energiespeicher 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 Schalt­ glied 24, die Schaltelemente 37 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 Span­ nung 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 lädt 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 bei jedem Schaltzyklus ein Energiespei­ cher 13-18 weniger von der Steuer- und Regelvorrichtung 23 an den Verbraucher 30 ange­ legt.

Ist der Schaltzyklus, in dem kein Energiespeicher 13-18 geladen wird, also beispielsweise dann, wenn die Spannungskurve die Nullinie durchschreitet, erreicht, so aktiviert die Steuer- und Regelvorrichtung 23 die Umpolvorrichtung 9. Durch die Betätigung der Um­ polvorrichtung 9 werden die Umschaltkontakte derselben aus der in vollen Linien gezeich­ neten in die in strichlierten Linien gezeichnete Stellung verstellt, wodurch der Ausgang 19 der Gleichsspannungsquelle 1 an die Versorgungsleitung 11 und der Ausgang 20 an die Versorgungsleitung 10 angelegt wird. Damit werden die Energiespeicher 13-18 bilden­ den Kondensatoren 12 oder sonstige Energiespeicher in der entgegengesetzten Richtung geladen, wodurch eine in der der Richtung der vorhergehenden Spannungswelle entgegen­ gesetzte Richtung gerichtete Halbwelle erzeugt werden kann.

Wie besser aus Fig. 5 zu ersehen ist, wird eine positive und negative Halbwelle 57, 58 ei­ ner Wechselspannung 59 aus einer Vielzahl von Spannungsimpulsen 60, 61, 62, 63 zusam­ mengesetzt. Jeder dieser Spannungsimpulse 60-63 setzt sich aus Einzelspannungsimpul­ sen der Energiespeicher 13-18 zusammen. So besteht der Spannungsimpuls 60 aus einem Einzelimpuls 64 des Energiespeichers 13, während der Spannungsimpuls 61 beispielswei­ se 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 wer­ den, der also auch den Abstand zwischen einzelnen Taktimpulsen festlegt, kann die Wel­ ligkeit der Wechselspannung 59 verändert werden. Diese Zeitdauer 70 kann über das Re­ gelorgan 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 ho­ hen 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 Her­ stellung einer Wechselspannung 59 benötigten Energiespeicher 13-18 erhöht werden muß.

Wird ein Spannungsimpuls 71 wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das Zu­ sammenschalten 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 Energiespei­ chern das Spannungsniveau pro Spannungsimpuls 60-63 abgesenkt, bis es den Nullwert bei Durchschreiten der Nullinie durch die Spannungslinie - erreicht, worauf die entgegen­ gesetzte 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 Spannungs­ impuls 60-63, 71 zusammensetzt, kann die Spannungshöhe der Wechselspannung 59 vari­ iert bzw. festgelegt werden. Diese kann mit dem Regler 7 der Steuer- und Regelvorrich­ tung 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 Span­ nungsumwandler 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 Energiespei­ chern 82-87 angeordneten Verbindungsleitungsteil 111 zwischen den Schaltelementen 100-105 und den Energiespeichern 82-87 des benachbarten Energiespeichers 82-87 ver­ bunden sind. Weiters sind sie mit einem Verbindungsleitungsteil 112, der zwischen den Schaltorganen 94-99 und den Energiespeichern 82-87 des benachbarten Energiespeichers 82-87 angeordnet ist, verbunden. In den seriellen Verbindungsleitungen 106-110 sind Schalter 113-117 angeordnet.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur sechs Ener­ giespeicher 82-87 dargestellt sind, diese jedoch entsprechend der gewünschten Wellen­ form 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 Schaltungsvariante 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 ge­ laden. Es wird nun das Schaltorgan 97 geöffnet, d. h. von der in vollen Linien gezeichne­ ten 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 nä­ her 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 Schaltele­ ment 102 sowie das Schaltglied 90. Durch das Schließen des Schalters 114 wird der Ener­ giespeicher 83 über die Verbindungsleitung 107 in Serie zum Energiespeicher 84 geschal­ tet und die einzelnen Spannungen summieren sich. Die verdoppelte Spannung fließt über das Schaltglied 90 an den Verbraucher 92. Das negative Potential bildet nun das Schaltele­ ment 101 mit der Versorgungsleitung 81 um die Verdopplung der Spannung zu ermögli­ chen, muß das Schaltelement 102 geöffnet werden, ansonsten würde 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 abgege­ ben.

Der in Fig. 6 verwendete Energiespeicher 85 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 Spannungsimpul­ ses, die in Fig. 8 gezeigt ist, ist deutlich zu erkennen, daß der in Fig. 6 verwendet Energie­ speicher 85 bei der Erzeugung des übernächsten Spannungsimpulses bereits wieder ver­ wendet 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 Gleichspannungs­ quelle 1 angeschlossen und geladen. In derselben Zeitperiode schaltet die Steuer- und Re­ gelvorrichtung 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 Energiespei­ cher von der Gleichspannungsquelle 1 weggeschaltet werden und somit nur die gespeicher­ te 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 Zusammenschaltens 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 Summen­ spannung über das Schaltglied 91 an den Verbraucher 92, und es entsteht der Spannungs­ impuls 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 Energiespei­ cher hinzugeschaltet, sondern ein Energiespeicher weniger an den Verbraucher 92 ange­ legt.

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 werden können, während bei der Ausführungsvariante gemäß den Fig. 2 bis 4 jedem Span­ nungsimpuls 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 Herstel­ lung 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 durch auf dem Stand der Technik bekannte beliebige andere Schaltungsteile zu ersetzen, und es können auch ein­ zelne Baugruppen der Schaltung für sich eigenständige erfindungsgemäße Lösungen bil­ den.

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 wer­ den können, nicht dargestellt sind.

Bezugszeichenaufstellung

  1 Gleichspannungsquelle
  2 Umformer
  3 Bohrmaschine
  4 Elektromotor
  5 Kreissäge
  6 Regler
  7 Regler
  8 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
 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 Schaltelement
 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 Einzelimpuls
 73
 74
 75
 76
 77
 78
 79
 80 Versorgungsleitung
 81 Versorgungsleitung
 82 Energiespeicher
 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 Verbindungsleitung
112 Verbindungsleitung
113 Schalter
114 Schalter
115 Schalter
116 Schalter
117 Schalter
118 positives Potential
119 negativer Pol

Claims (18)

1. Umformer zum Herstellen einer Wechselspannung aus einer Gleichspan­ nung mit einer Gleichstromquelle, einem Taktschaltglied für Spannungsimpulse und eine dem Umwandler zugeordnete Steuer- und bzw. oder Überwachungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von parallel zur Gleichstromquelle angeordneten Energiespeichern (13-18) einen Spannungsumwandler (22) bilden und daß das Taktschaltglied (21) mit Unterbrechergliedern in den Versorgungsleitungen (10, 11) zwischen der Gleichstromquelle und dem Energiespeicher (13-18) bzw. die­ sem sowie einem Verbraucher (30) zusammenwirkt und eine Verbindungsleitung (43-47) mit einem in dieser angeordneten Unterbrecherschaltglied zwischen den bei­ den gegengepolten Versorgungsleitungen (10, 11) zweier zueinander parallel ange­ ordneter Energiespeicher (13-18) umfaßt, wobei diese Verbindungsleitung (43-47) mit Verbindungsleitungsteilstücken zwischen den in der Versorgungsleitung (10, 11) der Energiespeicher (13-18) angeordneten Unterbrechungsschaltgliedern und den Energiespeichern (13-18) verbunden sind.

2. Umformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie­ speicher (13-18; 82-87) durch Kondensatoren (12) gebildet sind.

3. Umformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung des Taktschaltgliedes (21; 88) zur Abgabe von aufeinanderfolgen­ den Spannungsimpulsen (60-63, 71) der Energiespeicher (13-18; 82-87) ausgebildet ist.

4. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein oder mehrere Energiespeicher (13-18; 82-87) über die Steuer­ vorrichtung des Taktschaltgliedes (21; 88) an den Verbraucher (30; 82) angelegt sind und gleichzeitig außer beim Null-Durchgang ein oder mehrere Energiespeicher (13- 18; 82-87) parallel zueinander und zur Gleichstromquelle geschaltet sind.

5. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die am Verbraucher (30; 92) angelegten Energiespeicher (13- 18, 82-87) zueinander in Serie und parallel zum Verbraucher (30) geschaltet sind.

6. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Energiespeicher (13-18; 82-87) durch einen Akkumulator mit extrem schneller Ladezeit gebildet ist.

7. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Energiespeicher (13-18; 82-87) durch einen Elektrolytkondensator gebil­ det ist.

8. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, 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 gekenn­ zeichnet, daß die Unterbrecherschaltglieder durch Triacs oder Transistoren gebildet sind.

10. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Unterbrecherschaltglieder durch Kontakte von Schaltrelais gebildet wer­ den.

11. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Zeitdauer (70) der Spannungsimpulse (60-63, 71) mit zunehmender An­ zahl von Energiespeichern (13-18; 82-87) abnimmt.

12. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, 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, 71) einer Halb­ welle benötigten Energiespeicher (13-18).

13. Umformer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Umpolvorrichtung (9) zwischen der Energiequelle und den Energiespei­ chern (13-18; 82-87) angeordnet ist.

14. Verfahren zum Herstellen von Wechselstrom aus Gleichstrom, bei welchem der Gleichstrom in einen pulsierenden Gleichstrom umgewandelt und die Spannung verän­ dert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Sinuskurve der Wechselspannung (56; 59) aus einer Mehrzahl von Spannungsimpulsen (60-63, 71), insbesondere gleicher Zeitdauer (70), jedoch unterschiedlicher Spannungsgröße zusammengesetzt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsim­ pulse (60-63, 71) aus einer Summe von insbesondere gleich großen Einzelspannungen mehrerer Energiespeicher (13-18; 82-87) zusammengesetzt sind.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der die Einzelspannung abgebenden Energiespeicher (13-18; 82-87) entsprechend dem ge­ wünschten Kurvenverlauf der Wechselspannung (56; 59) ständig verändert wird.

17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit Ausnahme des Null-Durchgangs mindestens ein Energiespeicher (13-18; 82-87) aufgeladen wird, während mindestens ein weiterer Energiespeicher (13- 18, 82-87) durch den Verbraucher (30; 92) entladen wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die nicht am Verbraucher (30; 92) anliegenden Energiespeicher (13- 18; 82-87) mit der Energiequelle zusammengeschaltet sind.