(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの電力整流器と、２つの蓄電素子と、充電器と、数本の幹線リード線とによって構成される電圧切換え装置であって、
第１の電力整流器が回線によって前記充電器に接続され、前記充電器が前記幹線リード線を通じて電源に接続され、第２の電力整流器は、前記電源により供給された電力が本線評価ユニットに記憶された値を上回るか下回るかによって前記本線評価ユニットによって前記電源と接続されるか前記電源との接続が切られ、前記第２の電力整流器は、電力消費設備にも接続される電圧切換え装置において、
前記第１の電力整流器（８）の正の電位が、第１の蓄電素子（１１）を間に介して前記第２の電力整流器（９）の負の電位に接続され、
前記第２の電力整流器（９）の正の電位が、第２の蓄電素子（１４）を間に介して前記第１の電力整流器（８）の負の電位に接続され、
前記第２の電力整流器（９）は、開閉装置（２３）を介して、前記電源（７）に切換え可能に接続され、幹線評価ユニット（２６）は前記充電器（１９）に結合され、
前記２つの蓄電素子（１１、１４）の各々の少なくとも１つの電力消費設備（２、３）は、給電のための２つの独立した電流回路（２９、３０）のうち１つに配置されることを特徴とする電圧切換え装置。
【請求項２】
前記幹線評価ユニット（２６）が前記開閉装置（２３）と結合されることを特徴とする請求項１に記載の電圧切換え装置。
【請求項３】
前記開閉装置（２３）が、トライアック（登録商標）またはスイッチによる電子負荷継電器の形式で備えられることを特徴とする請求項１または２に記載の電圧切換え装置。
【請求項４】
前記蓄電素子（１１、１４）がキャパシタ（１２、１５）の形式で備えられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電圧切換え装置。
【請求項５】
前記電源（７）が単相または多相回路網であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電圧切換え装置。
【請求項６】
一方の前記電力整流器（８、９）が制御可能な整流ブリッジであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電圧切換え装置。
【請求項７】
前記電力消費設備（２、３）が少なくとも１つまたはそれより多い変成器（３８）を起動する２つの平衡１次モジュール（５、６）の形式で備えられることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電圧切換え装置。
【請求項８】
前記２つの平衡１次モジュール（５、６）が各前記蓄電素子（１１、１４）を横切る独立した回路（２９、３０）を形成することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電圧切換え装置。
【請求項９】
マイクロプロセッサ制御システムである制御システム（３５）が、前記電力消費設備（２、３）特に前記１次モジュール（５、６）、および任意に前記電圧切換え装置（１）を制御する手段として備えられることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電圧切換え装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、請求項１および１２のおいて書き部分に概説される通り、電圧切換え装置および該電圧切換え装置の制御方法に関する。
【０００２】
電圧切換え装置を制御する方法は、ＥＰ ０ ４７６ ２７８ Ａ２で公知である。ここでは、２つの蓄電素子が、充電器によって適切なエネルギー値まで充電され、電源から供給されるエネルギーが電力整流器により交流電圧から直流電圧に変換されることによって、電力消費設備との間に電流回路を形成する。蓄電素子を充電している間、電源から供給されるエネルギーの定格は、幹線評価装置によって評価もしくは決定され、供給されるエネルギーの定格に応じて別の切換え可能な電力整流器に電源が投入もしくは開放される。
整流器電流供給回路はＥＰ ０ ０２１ ７１４ Ａで公知である。ここでは、エネルギーを電力消費装置に供給するために、２つの蓄電素子が電源から給電され、電力整流器がその間に接続される。
電力切換え回路網コンポーネントを起動させるために使用される別の電圧切換え装置が知られている。このために、考えられ得るあらゆる電圧定格特に２３０Vおよび４００Vの本線電圧のために別個のスイッチ群が配置され、定格が評価されたら、開閉装置により該当のスイッチ群に電圧が切換えられるように、電圧切換え装置が構成される。個々のスイッチ群は、例えば、電力整流器および蓄電素子によって構成される。様々な電圧レベルのために配置される個々のスイッチ群は、相互に並列に接続され、各スイッチ群はこれに対応する開閉装置により起動される。このシステムの短所は、個々のスイッチ群のディメンジョンを個別に決定しなければならず、様々なコンポーネントを使用することによるコストがこの種の電圧切換え装置のコストを比較的高くすることである。
【０００３】
本発明の基礎となる目的は、ある電圧定格を持つ電源から異なる電圧定格を持つ別の電源に切換えるための単純な手段を提供する電圧切換え装置を提供することである。
【０００４】
この目的は、請求項１の特徴書き部分において示される特徴のおかげで本発明により達成される。この配置の利点は、電力整流器、蓄電素子など使用されるすべてのコンポーネントが、本線電圧が高くても低くても均等に作動され電力を与えられるので、電圧切換え装置の製造コストが削減されることである。
他の有利な実施形態については、請求項２から１１において説明される。その結果得られる利点は、図面の詳細な説明から分かる。
【０００５】
発明については、以下の図面において例示される実施形態の例を参照して、さらに詳しく下に説明する。
【０００６】
まず、様々な実施形態において説明される同じ部分は、同じ参照番号および同じコンポーネント名で記されており、説明全体を通じて行われる開示は、意味上、同じ参照番号または同じコンポーネント名を持つ同じ部分に置き換えできることを指摘しておかなければならない。さらに、説明のために選ばれる最頂部、最下部、側面などの位置は、特に説明中の図面に関するものであり、意味上、別の図面について説明するときには新しい位置に置き換えることができる。例示され説明される様々な実施形態の個々の特徴または特徴の組み合わせは、本発明が独自に提案する独立した発明的解決法として解釈できる。
【０００７】
図１は、１つまたはそれ以上の電力消費設備２、３用の電圧切換え装置１を示している。電力消費設備２、３は、例えばクロック付き１次電力切換えコンポーネント４の形で配置できる。このために、図１は、クロック付き１次電力切換えコンポーネント４の１次モジュール５、６を概略的に示している。電力消費設備２、３および電力切換えコンポーネント４の特定の設計については、後に図３を参照して説明する。
【０００８】
電圧切替え装置１の目的は、電源７から送られるエネルギーを評価し、例えば単相または多相回路網において送られる電力のレベルに応じて２３０Vから４００Vにまたはその逆に切換えることである。
【０００９】
このために、電圧切換え装置１は、直列に接続される２つの電力整流器８、９を持つ。電力整流器８は回線１０を通じて電力整流器９に接続され、蓄電素子１１特にキャパシタ１２がその間に接続され、回線１０を通じて電力整流器８の正の電位が電力整流器９の負の電位に接続される。
他方の電力整流器の正の電位は回線１３を通じて電力整流器８の負の電位に接続され、別の蓄電素子１４特にキャパシタ１５がその間に接続されるので、２つの電力整流器８、９の間に直列接続が構成され、各々がその間で接続される蓄積素子１１、１４を持つ。
【００１０】
電力整流器８、９は、先行技術により公知の整流ブリッジにより構成できる。電力整流器８、９を概略的に示される通り個々のダイオードとして配置することも明らかに可能であろう。ここで例として示される実施形態において、電源７は、多相回路網、特に三相回路網であり、電源７は、少なくとも３本の幹線リード線１６〜１８により電圧切換え装置１に接続される。ここで示される実施形態においては図示されていないが、電圧切換え装置１を電源７に接続するために市販の電源プラグを使用することができる。
【００１１】
交流電圧を先行技術により公知の方法で整流するために、電源７は、幹線リード線１６〜１８を通じて第１の電力整流器に接続される。蓄電素子１１、１４が存在するために電圧切換え装置１がオンに切換えられたとき個々の幹線リード線１６〜１８の間で短絡が生じないようにするために、充電器１９が電源７と第１の電力整流器８との間に配置される。充電器１９の目的は、電圧切換え装置１が電源７に接続されるとき個々の蓄電素子１１、１４特に個々のキャパシタ１２、１５をゆっくりと該当の電力レベルまで充電することであり、これにより、個々の幹線リード線１６〜１８の間の短絡が防止される。先行技術により公知のどのような充電器１９でも、キャパシタ１２、１５の充電に使用できる。
【００１２】
他方の電力整流器９は、個々の幹線回線２０〜２２により幹線リード線１６〜１８に接続される。すなわち、幹線回線２０〜２２を通じて幹線リード線１６〜１８を他方の電力整流器９に接続することにより、他方の電力整流器９を通じてさらに電源７からの交流電圧が整流される。この配列により、２台の電力整流器８、９の直列接続から２台の整流器８、９の並列接続に切り換えることができる。しかし、両方の切換えシステム、特に２台の電力整流器８および９の直列接続ならびに２台の電力整流器８および９の並列接続を使用できるようにするために、電力整流器９のために開閉装置２３が幹線回線２０〜２２に配置される。
【００１３】
開閉装置２３の目的は、スイッチ２４が開いているとき２台の電力整流器８、９の直列接続が生じ、開閉装置２３が起動されるとき言い換えればスイッチ２４が閉じているとき２台の電力整流器８、９の間に並列接続が得られるように、個別に制御可能なスイッチ２４または接点で幹線回線２０〜２２を中断することである。三相回路網を使用する場合、開閉装置２３は、電力が励起モジュール２５特にコイルに与えられるとき個々のスイッチ２４または接点を開閉できるように、例えば３極ＡＣスイッチとして特にブレーカとして配置することができる。回線特に幹線回線２０〜２２の開閉のために先行技術により公知のその他のシステムを使用することも明らかに可能であろう。例えば、この目的に使用される開閉装置２３としては、電子負荷継電器またはトライアックまたは個別のスイッチが考えられるが、ブレーカとして構成することができる。
【００１４】
開閉装置２３は、充電器１９と結合される幹線評価ユニット２６の制御を受ける。すなわち、励起モジュール２５は、回線２７、２８を通じて幹線評価ユニット２６に接続されるので、回線２７、２８を通じて電力が与えられると、励起モジュール２５は励起状態となり、励起モジュール２５に割り当てられるスイッチ２４または接点の開閉を可能にする。スイッチ２４に開接点および閉接点の両方を使用することも可能であろう。
【００１５】
幹線評価ユニット２６の目的は、電源７により送られる電力を測定し、その定格を決定して、設定値を超える場合には、開閉装置２３が回路網評価ユニット２６により起動されるようにすることである。例えば適切な制御ユニットまたはその他のタイプのコンポーネントと一緒に電圧測定ユニットを構成するなどして、先行技術により公知の任意の幹線評価ユニットを使用することが明らかに可能であろう。回路網評価ユニット２６は充電器１９と結合されているので、幹線評価ユニット２６が予め決められた値を超える場合開閉装置２３を起動できるように、電圧切換え装置１が起動されると、幹線評価ユニット２６は、蓄電素子１１、１４を充電するプロセスと同時に電源７から流れるエネルギーのレベルを監視する。
【００１６】
個々の電力消費設備２、３およびクロック付き１次電力切換えコンポーネント４を電圧切換え装置１に接続できるようにするために、各蓄電素子１１、１４を横切る電流回路２９、３０が構成される。すなわち、クロック付き１次電力切換えコンポーネント４用の、概略的に示される個々の１次モジュール５、６が、回線３１、３２および３３、３４により個々の蓄電素子１１、１４に接続される。
【００１７】
２つの電流回路２９、３０を確立することにより、電圧切換え装置１を使って２つの独立した電力消費設備２、３を操作することができる。クロック付き１次電力切換えコンポーネント４の適切な配列を使用することにより、一方の電力消費設備２または３のみにエネルギーを送ることも可能である。この場合、電力切換えコンポーネント４の個々の１次モジュール５、６は共通の変成器を通じて電力消費設備２に電力を供給する。しかし、一方の電力消費設備２または３のみを使用する場合、電圧切換え装置１が各蓄電素子１１、１４を通じて正確に機能できるようにするために、別個の電流回路２９、３０を確立することが必要である。
【００１８】
個々の１次モジュール５、６および電力消費設備２、３を制御する手段として制御装置３５を配置することができる。制御装置３５は、例えば、１次モジュール５、６を既知の方法で制御できるようにするマイクロプロセッサ・ユニットとすることができる。幹線評価ユニット２６が開閉装置２３を起動するために必要な適切な値を制御装置３５から設定または修正できるように、幹線評価ユニット２６を、１本またはそれ以上の回線３１〜３４により制御装置３５に接続することもできることは明らかであろう。また、個々の蓄電素子１１、１４の充電中特に充電プロセスがオフに切換えられるとき、制御装置３５が電力消費設備２、３用の個々の１次モジュール５、６を起動できるようにするために充電器１９が制御信号を制御装置３５に送れるように、充電器１９を制御装置３５に接続することも可能であろう。
【００１９】
電圧切換え装置１が電源７に接続されると、エネルギーは電源７から充電器１９に流れる。充電器１９がエネルギーの流れにより起動されると、個々の蓄電素子１１および１４が予め決められた値まで充電される。すなわち、第１の電力整流器を流れる直流エネルギーは、まず、充電器１９により中断され、その後電源７からのエネルギーの流れは充電器を通って、第１の電力整流器８に送られるので、電圧の連続的増大が生じる。
【００２０】
電圧切換え装置１がオンに切換えられ、個々のスイッチが開くと、開閉装置２３は幹線評価ユニット２６により起動されないので、エネルギーは、幹線回線２０〜２２を通じて幹線リード線１６〜１８から他方の電力整流器９への流れを阻まれる。その結果、２つの電力整流器８および９は、直列に接続される。すなわち、蓄電素子１１および１４は、充電器１９を通じて同時にエネルギー供給を受けて、充電される。
【００２１】
充電器１９が電源７から電力整流器８までのフルパワー供給点に達する前に、言い換えるとエネルギーの流れが完全に貫通する前に、幹線評価ユニット２６は、開閉装置２３を通じて付加的電力整流器９を起動すべきか否かを決定する。このために、幹線評価ユニット２６には該当の値が記憶されており、エネルギーの流れがこの値特に電圧レベルを超えると、開閉手段２３は非起動状態のままなので、２つの電力整流器８、９および蓄電素子１１、１４の間に直列接続または直列回路が作られる。２つの電力整流器８、９および蓄電素子１１、１４は、直列すなわち一列に接続されるので、それぞれの蓄電素子１１、１４を横切って各々別個の電流回路２９、３０を構成する個々の１次モジュール５、６には同量のエネルギーが供給される。エネルギーは、その後、個々の電流回路２９、３０を通じて引き出すことができる。２つの蓄電素子１１、１４が直列接続されていることも、電圧切換え装置１の直流電圧範囲において電圧の増大が防止されることを意味する。
【００２２】
エネルギーの流れ特に電圧レベルが幹線評価ユニット２６に記憶される値より低い電源７が使用される場合、すなわち、ここに例示される３×４００Vの電圧を持つ三相回路網において電源が１つしか使用されない場合、電圧レベルが幹線評価ユニット２６に記憶される値より低いので、開閉装置２３は、蓄電素子１１、１４を充電し全エネルギー・フローに切換えた後幹線評価ユニット２６により起動されるだろう。従って、どのような継電器特に継電器のスイッチ２４が使用されるにしろこれが閉じるように、励起モジュール２５を横切る電流回路が幹線評価ユニット２６により構成される。スイッチ２４または接点を閉じることにより、エネルギーは電源７から電力整流器８および電力整流器９に同時に流れるので、２つの電力整流器８,９および蓄電素子１１、１４の並列接続が構成される。並列の２つの電力整流器８、９を横切るエネルギーの供給の結果、２つの蓄電素子１１、１４には別個にエネルギーが供給されるので、各蓄電素子１１、１４が再び同量のエネルギーを得ることができる。予め設定された時間が経過したら、幹線評価ユニット２６がその時点でのエネルギーの実際の流量を記憶される値と比較して、実際の値が記憶される値より上または下の場合それに応じて開閉装置２３を幹線評価ユニット２６により制御できるように、幹線評価ユニット２６にタイミング・ユニットを配置することも可能であろう。
【００２３】
２つの蓄電素子１１、１４のために直列接続および並列接続を用意することにより、様々な電圧を持つ様々な電源７を使用する場合、この様々な電源７に合わせた定格を持つ個々のコンポーネントを用意する必要はなく、代わりに、コンポーネントは、最大電力および最大予想電圧を処理する定格を持たなければならない。
【００２４】
電圧切換え装置１が例えば４００Vの電源７に接続される場合、幹線評価ユニット２６は、パワーアップ・プロセス中、予め決められた望ましい値を上回る電圧の電源７が使用されており、開閉装置２３は非起動状態のままであることを検出する。
電源７から供給されるエネルギーは、回線１０および１３を通じて２つの蓄電素子１１、１４に送られる。すなわち、電力整流器８により２つの蓄電素子１１、１４を横切る全電流の流れが構築される。
【００２５】
２つの蓄電素子１１、１４は直列に接続されるので、整流された電圧は、２つの蓄電素子１１、１４の間で分割される。すなわち、２つの蓄電素子１１、１４の各々がそれぞれ供給されるエネルギーの半分づつを蓄積する。各蓄電素子１１、１４を横切って別個の電力消費設備２、３または共通電力消費設備２または３との間に別個の電流回路２９、３０が構築されるので、電圧または電流の流れは二分され、２つの蓄電素子１１、１４の直列接続により電圧の増大が防止される。
【００２６】
この同じ電圧切換え装置１が同じ定格のコンポーネントに沿って最大電圧が例えば２３０Vの電源７に接続される場合、幹線評価ユニット２６は、パワーアップ・プロセス中、電源７の電圧が予め決められた望ましい値を下回ることを検出するので、幹線評価ユニット２６は、開閉装置２３を起動する。すなわち、励起モジュール２５を横切る電流の流れが構築されるので、個々のスイッチ２４は閉じられ、その結果として、幹線リード線１６〜１８を通って電力整流器８までおよび幹線回線２０〜２２を通って電力整流器９までのエネルギーの流れが同時に確立される。個々の蓄電素子１１、１４はこのとき並列で作動しているので、個々の蓄電素子１１、１４は２台の電力整流器８および９を通じて同時にエネルギーを供給される。すなわち、蓄電素子１１は電力整流器８によりエネルギーを供給されまたは充電され、蓄電素子１４は電力整流器９によりエネルギー供給または充電され、２つの蓄電素子１１、１４を充電もしくは給電するために２台の電力整流器８、９を横切って送られるエネルギーは、２つの電流回路２９、３０を形成する。第１の蓄電素子１１のための電流回路２９は、電力整流器８の正の電位と電力整流器９の負の電位との間に形成され、一方、蓄電素子１４のための第２の電流回路３０は電力整流器９の正の電位と電力整流器８の負の電位との間に形成される。蓄電素子１１、１４に蓄積されるこのエネルギー量は、２つの蓄電素子１１、１４が望ましい値を上回る電圧を持つ回路網と直列に接続された場合に生成されるエネルギー量に相当する。２台の電力整流器８、９は直列に接続され、蓄電素子１１、１４は一方の電力整流器８からのみ充電もしくは給電され、他方の電力整流器９は２つの蓄電素子１１、１４の間に配置されるのでいわば中点を成し、その結果、供給されるエネルギーは分割される。言い換えれば供給されるエネルギー量は二分される。すなわち、電力消費設備２、３は、２つの蓄電素子１１、１４を通じて確立される電流回路２９、３０のおかげで同じ電圧で、同じ電流またはエネルギー量を持つので、電圧が低い電源７の場合でも、以前に使用したのと同じ様に同じ電力消費設備２、３または同じ１次モジュール５、６を使用することができる。
【００２７】
このタイプの電圧切換え装置１の利点は、電圧切換え装置１を様々な電圧の様々な電源７に接続できるようにすることを考えずに、電圧切換え装置１の個々のコンポーネントの定格を電力消費設備２、３に必要な最大電力に定めるだけでよい点である。
【００２８】
電力消費設備２、３特に１次モジュール５、６が２つの蓄電素子１１、１４を横切るそれぞれの電流回路２９、３０を形成できるようにするために、制御装置３５は、これに従って制御を行う。すなわち、個々の１次モジュール５、６を起動することにより、電流の流れが、電流回路２９については回線３１、３２を通じて、また電流回路３０については回線３３、３４を通じて確立される。このために、２つの異なる電力消費設備２、３（平衡形が望ましい）を使用する代わりに、共通変成器を通じて２つの１次モジュール５、６に接続される共通電力消費設備２または３を作動することも可能である。この種の実施形態については、図３を参照して下でさらに詳しく説明する。
【００２９】
図２は、電圧切換え装置１の別の実施形態の例を示している。
図１に示される電圧切替え装置と比較した場合の相違点は、この場合の電源７は単相または二相回路網である点である。すなわち、三相幹線リード線１６〜１８の代わりに最大２本の幹線リード線１６、１７が使用され、電力整流器８、９および充電器１９など他のコンポーネントの定格は、対応する単相または二相回路網に合わせて定められる。しかし、これらのコンポーネントは先行技術により公知のものなので、これについてのさらに詳しい説明は行わない。
【００３０】
もう１つの相違点は、開閉装置２３の代わりに制御可能な電力整流器９が使用される点にある。すなわち、図１に示される通り上流に開閉装置２３が接続される電力整流器９の代わりに、この場合には電力整流器９を直接制御することが可能である。電力整流器９を制御するために使用される方法は、この場合も公知の方法なので、これ以上詳しくは説明しない。
【００３１】
電圧切換え装置１のこの配列は、付加的な開閉装置２３の必要がないことを意味するので、構造的な寸法を大幅に減少する。
図３は、２つの１次モジュール５、６および共通２次モジュール３６を持つ、上に説明する図面に示されるクロック付き１次電力切換えコンポーネントの等価回路網図を示している。電力消費設備２、３または設計に関係なく電力切換えコンポーネント４を電圧切換え装置１の個々の回路２９、３０に接続することも明らかに可能であろう。
【００３２】
しかし、例として選ばれた電力切換えコンポーネントの実施形態は、２つの独立した１次モジュール５、６特に２つの電流回路２９、３０を平衡させるために、クロック付き１次電力切換えコンポーネントに平衡装置３７を使用するものである。この場合、２つの電流回路２９、３０に異なる負荷が与えられるか２つの電流回路２９、３０から異なるエネルギー量が引き出される場合、平衡装置３７は、１次モジュール５、６間のエネルギーを平衡化させる。すなわち、蓄電素子１１、１４により平衡装置３７を通じて１次モジュール５、６に加えられる異なる負荷の間で平衡化される。
【００３３】
２つの１次モジュール５、６は、変成器３８を通じて２次モジュール３６に接続され、変成器３８は各１次モジュール４、５のためにそれぞれの１次巻線３９、４０、および２次モジュール３６のために少なくとも１つの２次巻線を持つ。
電力切換えコンポーネント４にエネルギー特に電流および電圧を供給できるように、電力切換えコンポーネント４は、電圧切換え装置１を通じて電源７に接続される。上に説明した図面に関連して述べた通り、電源７は、公共給電網でも発電機などでも可能であり、電圧切換え装置１は電源７において破線で略図的に示されている。電圧切換え装置１の機能は、上に説明した実施形態の例から得ることができる。
【００３４】
２つの１次モジュール５、６は、たとえば、ブースト・チョッパ４２、４３およびそれぞれ変成器３８の各１次巻線３９、４０のための開閉装置４４、４５特にハーフ・ブリッジ４６、４７によって構成されるが、ブースト・チョッパ４２、４３および開閉装置４４、４５特にハーフ・ブリッジ４６、４７は先行技術により公知のものなので、作動についてはこれ以上説明しない。ブースト・チョッパ４２、４３およびハーフ・ブリッジ４６、４７を使用する代わりに、例えばバック・チョッパおよびフル・ブリッジを使用するか、または変成器３８の１次巻線３９、４０にエネルギーを供給する手段として他のコンポーネントを使用することができる。
【００３５】
２つの１次モジュール５、６は、電力線４８〜５１により電圧切替え装置１の個々の電流回路２９、３０に接続される。その結果、２つの１次モジュール５、６は、公共給電網特に電源７から電流回路２９、３０を通じてエネルギーの供給を受けることができる。このために、電圧切換え装置１を通じて供給される交流電圧は、電力整流器８、９により整流されて、その後電力線４８〜５０を通じて１次モジュール５、６に送られる。
【００３６】
２つのブースト・チョッパ４２、４３は同一の設計であり、各々インダクタンス５２、５３、開閉素子５４、５５、ダイオード５６、５７およびバックアップ・キャパシタ５８、５９によって構成され、これら個々のコンポーネントは公知の方法で回線により相互に接続される。それぞれの開閉素子５４、５５を制御できるように、クロック付き１次電力切換えコンポーネント４は例えば共通制御装置３５を持つ。個々の開閉素子５４、５５を制御するために、１次モジュール５、６は、電圧および電流を検出するための個々の測定装置を備え、２つの開閉素子５４、５５を制御装置３５により起動できるように制御装置３５に接続される。個々の測定装置は、簡略化のため図には示されていない。
【００３７】
２つのブースト・チョッパ４２、４３の目的は、回線６０〜６３を通じて２つのブースト・チョッパ４２、４３に接続される開閉装置４４、４５に該当のエネルギー量を供給できるように、電源７および電圧切換え装置１により供給される直流電圧を適切な係数で増大することである。このために、電力線４８、４９と５０、５１の間に短絡が生じるように開閉素子５４、４４が制御装置３５により閉じられ、それによって短絡が生じて、エネルギーがインダクタンス５２、５３に蓄積される。制御装置３５は、その後、蓄積されたエネルギーが導電方向に配置されるダイオード５６、５７を通ってバックアップ・キャパシタ５８、５９まで流れるように、２つの開閉素子５４、５５を開く。バックアップ・キャパシタ５８、５９を配置することにより、２つの開閉装置４４、４５が起動されたとき言い換えれば短絡の場合、開閉装置４４、４５はバックアップ・キャパシタ５８、５９からエネルギーを供給されるので、開閉装置４４、４５に連続的にエネルギーが供給される。
【００３８】
このタイプの電力切換えコンポーネント４においてブースト・チョッパ４２、４３を省くことも明らかに可能であろう。この場合、開閉装置４４、４５は、バックアップ・キャパシタ５８、５９を通じて電圧切換え装置１および電圧切換え装置１の２つの電流回路２９、３０に直接接続できる。しかし、蓄電素子１１、１４を横切ってエネルギー・バッファを構成することができ、整流される交流電圧の場合直流電圧は蓄電素子１１、１４により平滑化されるので、２つのバックアップ・キャパシタ５８、５９も省くことができる。
【００３９】
例としてここに示す実施形態において、開閉装置４４、４５は、ハーフ・ブリッジ４６、４７の形で配置されており、各々が公知の方法で２つの開閉素子６４〜６７および２つのダイオード６８〜７１により構成される。すなわち、ハーフ・ブリッジ４６、４７に配置される２つの開閉素子６４、６５および６６、６７によって作動されることにより、整流された直流電圧からより高周波の交流電圧を発生することができ、発生した交流電圧を変成器３８を通して伝達することができる。個々の開閉素子６４、６５および６６、６７の他に、ダイオード６８、６９および７０、７１がこのためにそれぞれ直列に配置されるので、１次巻線３９、４０の開閉素子６４〜６７が開いているときすなわち非起動のとき、減磁される。ハーフ・ブリッジ４６、４７の代わりにフル・ブリッジを配置して、２つの開閉素子６４、６５および６６、６７の代わりに各開閉装置４４、４５に４つの開閉素子６４〜６７を配置して、制御装置３５が１次巻線３９、４０を通じて電流の逆転を操作できるようにすることも、明らかに可能であろう。
【００４０】
変成器３８の１次巻線３９、４０に１次モジュール５、６からのエネルギーを供給するために、２つの１次巻線３９、４０は、接続線７２、７３および７４、７５により各開閉装置４４、４５の開閉素子６４、６５および６６、６７と直列に接続されるダイオード６８、６９および７０、７１との間に接続される。１次巻線３９、４０を接続線７２〜７５を通じて開閉装置４４、４５に接続するという着想は先行技術により公知のものである。
【００４１】
こうして様々な電力消費設備２または３を２次モジュール３６、特に２次巻線４１に接続することができる。電力消費設備２または３は先行技術により公知のどのような電力消費設備２、３でもよい。例えば、電力消費設備２、３は溶接トーチかも知れない。すなわち、２次巻線４１を通じて溶接トーチを接続することにより、電力切換えコンポーネント４によりエネルギーを供給でき、溶接プロセスを実行することができる。ここに例として示される実施形態において、電力消費設備２、３は単純な抵抗器として示されている。再び変成器３８の２次側で直流電圧を得られるようにするために、整流回路を２次巻線４１に接続することができる。
【００４２】
２つの１次モジュール５、６が平衡して作動できるように、すなわち２つの１次巻線３９、４０に同量のエネルギーの流れが与えられるように、電力切換えコンポーネント４特に１次モジュール５、６に平衡装置７７が配置される。平衡装置７７は変成装置７８、特に平衡変成器７９の形で配置される。平衡変成器７９は、各１次モジュール５、６のための巻線８０、８１を持つ。平衡変成器７９の巻線８０、８１は、接続線７２、７３において２つの１次モジュール５、６の１次巻線３９、４０と直列に配置される。平衡変成器７９の２つの巻線８０、８１は、ここで例として示される実施形態においては、同じ方向に巻かれる。しかし、２つの１次モジュールの間でエネルギーを変成するためには、平衡変成器７９の巻線８０、８１は、１次モジュール５または６特に１次モジュール５においては１次巻線３９のコイルの終わりに、また他方の１次モジュール６においては１次巻線４０のコイルの始めに、またはその逆に接続される。個々の巻線８０、８１および１次巻線３９、４０または２次巻線４１のコイルの始めは、図において点で示されている。
【００４３】
このような配列の平衡装置７７特に平衡変成器の巻線８０、８１を使用することにより、余剰エネルギーまたは異なる負荷が電源７によりバックアップ・キャパシタ５８、５９または蓄電素子１１、１４に生じる場合、エネルギーは２つの１次モジュール５、６の間で平衡化される。すなわち、個々の１次モジュール５または６の巻線８０、８１を通るエネルギーの流れが異なるため巻線８０、８１における磁界は異なるので、余剰エネルギーの差特に差の半分は他方の１次モジュール６または５に伝達される。余剰エネルギーまたはエネルギー余剰の差がこのように伝達されることにより、平衡変成器７９の巻線８０または８１の作動ために追加エネルギー源として供給されるエネルギー量はより少なくなるので、２つのエネルギー量が電源７またはバックアップ・キャパシタ５８、５９に加えられて、付加的電源７が巻線８０、８１により形成される。電源７からこれより大きいエネルギー量を供給される１次モジュール５または６では、伝達されるエネルギーが供給されるエネルギー量から差し引かれるので、変成器３８の２つの１次巻線３９、４０に同じエネルギー量または同じ電圧が与えられる。
【００４４】
しかし、双方向にこのエネルギー平衡プロセスを応用できるようにするためには、伝達されるエネルギー量の増減を防ぐために平衡変成器７９の２つの巻線８０、８１が同じ巻数を持たなければならない。平衡変成器７９の形で平衡装置７７を配置することの利点は、変成器３８の２つの１次巻線３９、４０でのエネルギーを平衡化させることにより、２つの１次巻線３９、４０が均等に起動されて、変成器３８の不平衡な動作を防止し、その結果、熱エネルギーの形で変成器３８に生じる可能性のある損失を減少することにある。このタイプの電力切換えコンポーネント４を使用することのもう１つの利点は、２つの１次モジュール５、６を使用することにより、電力消費設備２、３のために２重電源が構成されるので、電力消費設備２、３にエネルギーを供給するために使用される個々のコンポーネントを比較的小さい寸法に作ることができる点である。公知の電力切換えコンポーネント４の場合、変成器３８は、１つの１次モジュール５または６だけにより起動されることが望ましいので、同じ量のエネルギーを与えるためには、１次モジュール５または６はこれに応じて大きな量のエネルギー供給を受けなければならず、コンポーネントは故障のないエネルギー伝達を保証するのに十分に大きな寸法のものでなければならない。ここで例として示される電力切換えコンポーネントの実施形態により、各１次モジュール５、６におけるエネルギー量は半分にすることができ、その後、このエネルギー量が変成器３８を通していっしょに与えられるので、電力消費設備２、３は同量のエネルギーを受けることができる。
【００４５】
平衡変成器７９を配置することにより、１次モジュール５、６の負荷が異なる場合、または個々の１次モジュール５、６が受けるエネルギーが異なる場合、より多くの使用可能なエネルギー量を持つ１次モジュール５、６からより多くのエネルギーが引き出されるので、変成器３８の２つの１次巻線３９、４０はエネルギー伝達のために均等にエネルギーを供給される。すなわち、平衡変成器７９は、一方の１次モジュール５、６から他方の１次モジュール６、５にエネルギーを伝達して、変成器３８の１次巻線３９、４０のエネルギーを平衡化させる。例えば、１次モジュール５が３５０Vの電圧で給電される場合、すなわちバックアップ・キャパシタ５８が３５０Vに充電される場合で、１次モジュール６特にバックアップ・キャパシタ５９に例えば２５０Vの電圧が与えられる場合、２つの１次モジュール５、６の間には１００Vの差がある。開閉装置４４、４５の個々の開閉素子６４〜６７を起動することにより、もし平衡装置７７がなければバックアップ・キャパシタ５８、５９に存在する前記の電圧が変成器３８の１次巻線３９、４０に送られることになり、各１次巻線３９、４０に異なる電圧が与えられるので、変成器３８に不平衡が生じて、変成器３８の１次側から２次側への伝達中大きな損失を生じることになる。
【００４６】
平衡装置７７特に変成装置７８を配置することにより、１次モジュール５、６のエネルギーが平衡化される。すなわち、電圧に１００Vの差があるので、この電圧が平衡装置７７により二分されて、１次モジュール５から平衡変成器７９を通じて他方の１次モジュール６に伝達されるので、１次巻線３９、４０のエネルギーが平衡化される。このように差が例えば１００Vの場合、５０Vの電圧が１次モジュール５から平衡変成器７９を通じて他方の１次モジュール６に伝達されるので、２つの１次巻線３９、４０は、それぞれ３００Vの電圧を与えられて、平衡化し、損失なしに変成器３８を通して伝達が行われる。しかし、エネルギーを１次モジュール６から１次モジュール５に伝達できるように、エネルギーを同じ方法で他方の方向に平衡化させることもできる。
【００４７】
さらに、相互に並列で作動する数個の１次モジュール５、６を、各々１次モジュール５、６用の巻線８０、８１を持つ適切な平衡変成器７９により平衡化することができるので、いつでも数個例えば３つまたは４つの１次モジュール５、６から１つの電力消費設備２、３にエネルギーを供給することが可能である。各１次巻線３９、４０のために別個の２次巻線４１を使用し、各々が別個の独立した電力消費設備２、３を持つことも、明らかに可能であろう。下に説明する実施形態で実証される通り、このタイプのシステムに平衡装置７７が使用される場合、エネルギーを個々の１次モジュール５、６間で平衡化して、１次モジュール５、６からエネルギーが不均等に引き出されるのを防ぐことができる。
【００４８】
平衡変成器７９特に巻線８０、８１は、逆巻方向に巻かれることも可能である。このために、平衡装置７７の巻線８０、８１は、両方の巻線８０、８１が１次巻線３９、４０のコイルの始まりか１次巻線３９、４０のコイルの終わりで直列に接続されるように変成器３８の１次巻線３９、４０を接続して、構成しなければならない。１次巻線３９または４０に対して１次巻線４０または３９の巻方向を逆にすると、エネルギーが逆に伝達され、１次モジュール５または６にエネルギーを送るエネルギー源と呼べるものを生じる。しかし、この方法をとる場合、平衡変成器７９の巻線８０、８１をその巻方向に従って変成器３８の１次巻線３９、４０に接続するように注意しなければならない。
【００４９】
図４は、本発明により提案される電圧切換え装置１の実施形態の別の例を示しており、上に説明した実施形態に使用された部品と同じ部品を示すために同じ参照番号が使用されている。
【００５０】
この実施形態において、電圧切換え装置１は、コンパクト・ユニットとして提供されており、２台の電力整流器８、９を通じた２つの蓄電素子１１、１４に対する給電への切換えは、幹線評価ユニット２６により自動的に行われず、ユーザが手動で操作しなければならない。
【００５１】
コンパクト・ユニットは、個々の電子コンポーネントが１つのケーシングに納められていて、ユーザが電子コンポーネントに直接触れることがないように設計される。しかし、電源７および電力消費設備２、３など個々のコンポーネント特に電力切換えコンポーネント４を電圧切換え装置１に接続できるようにするために、コンパクト・ユニットは、個々の外部コンポーネントを接続するための個々の機械的端子を持っている。このために、電源７を、幹線リード線１６〜１８を通じて入力８２〜８４により電圧切換え装置１に接続することができる。電力消費設備２、３は、出力８５、８６が第１の電流回路２９を形成し、出力８７、８８が他方の第２の電流回路３０を形成するように、それぞれ２つの出力８５、８６および８７、８８により電圧切換え装置１に接続される。
【００５２】
図に示される実施形態は、さらに、幹線回線２０〜２２を先行技術により公知の方法で端子ブロックを使って中断できるように、幹線回線２０〜２２が通される端子ブロック８９を持つ。幹線回線２０〜２２は、一方で、第１の電力整流器８の幹線リード線１６〜１８に直接接続され、他方で、他方の電力整流器９に直接接続される。端子ブロック８９は、幹線回線２０〜２２、のために配置されるので、図１に関連して説明した電圧切換え装置１の幹線評価ユニット２６および開閉装置２３を省くことができる。
【００５３】
各幹線回線２０〜２２のために配置される破線で示されるブリッジ９０〜９２のうち１つを使用することにより、オペレータまたはユーザは２台の電力整流器８および９を相互に接続する選択肢を持つことになる。すなわち、ブリッジ９０〜９２を使用することにより、電源７により供給されるエネルギーを同時に電力整流器８および他方の電力整流器９に与えることができる。しかし、このために、端子ブロック８９と他方の電力整流器９との間に別の充電器が配置されると、蓄電素子１１、１４に直接与えられるエネルギー量が短絡または突入電流を生じるのを防ぐために有利である。
【００５４】
この設計の電圧切換え装置１を使用することにより、ユーザは、使用される電源７に関係なく適応することができる。すなわち、電圧切換え装置１または電圧切換え装置１に組み込まれる設備の作動中、ユーザは、市販のブリッジ９０〜９２を使って然るべく端子ブロック８９を切り換えるまたはこれを接続することにより、事前に国内の幹線仕様に合わせることができる。端子ブロック８９を使用する代わりに、当然、機械的な開閉装置を使用することも可能である。この場合には、ユーザは、例えば幹線電圧４００Vまたは幹線電圧２３０Vで作動するよう電圧切換え装置１を切り替えるためにスイッチを操作するだけである。
【００５５】
このタイプの電圧切換え装置１は、電池の充電器、および幹線給電で作動させることが望ましいその他の設備またはシステムに使用できる。例えば、この電圧切換え装置１が取り付けられる設備は、公共給電システムの様々な電圧に合わせるために端子ブロック８９を切り換えるだけでまたは図１において説明される開閉装置２３による自動切換えシステムにより、世界中で使用できる。
【００５６】
例としてここで示される実施形態において、他方の電力整流器９は、端子ブロック８９を使って電源７に切り換えられるかまたは接続される。他方の電力整流器９が必要ない場合、言い換えれば、例えば４００Vで作動する幹線電圧では、ユーザは、電圧切換え装置１が電力整流器８のみを通じて作動するように、幹線回線２０〜２２のための個々のブリッジ９０〜９２を外すことができる。しかし、この設備のユーザが様々な幹線電源特に２３０Vなど低い電圧定格の電源７でこのタイプの統合的電圧切換え装置１を使って設備を作動したい場合、端子ブロック８９の切換えまたは接続により他方の電力整流器９は幹線リード線１６〜１８に直接接続されて、図１に関連して説明されるとおり並列の２台の電力整流器８、９を通じて２つの蓄電素子１１および１４が充電されるので、低い電圧で設備を作動するためには、単に端子ブロック８９を切り換えるだけである。言い換えれば、破線で示される通りブリッジ９０〜９２を通じて端子ブロック８９の端子を接続するだけである。
【００５７】
例示される実施態様に関連して説明されるコンポーネントを同じ順序で作動するその他の既知のコンポーネントと置き換えることも明らかに可能であろう。
最後に、本発明の構造をより明確に理解できるようにするために、本発明およびその構成部分は寸法どおりではなくある程度変形されて示されていることを指摘しなければならない。
【００５８】
個別の発明的解決法の基礎となる課題は説明から分かる。
さらに、実施形態の個々の例の個々の特徴は、他の実施形態の個々の特徴と組み合わせてあるいは独自に、本発明により提案される発明的解決法と見なすことができる。
【００５９】
なにより、図１、２、３および４において例示される個々の実施形態の内容は本発明による独立した解決法と見なすことができる。関連する課題および解決法は、上記の図面に関連する詳細な説明の中に見ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による電圧切換え装置を単純化し概略的に示した切換えダイアグラムである。
【図２】  本発明による電圧切換え装置の別の実施形態の単純化された概略図である。
【図３】  図１および２に例示される本発明による電圧切換え装置に接続される電力消費設備の１つの実施形態の単純化された概略図である。
【図４】  本発明による電圧切換え装置の実施形態の別の例の単純化された概略図である。
【符号の説明】
１…電圧切換え装置
２…電力消費設備
３…電力消費設備
４…電力切換えコンポーネント
５…１次モジュール
６…１次モジュール
７…電源
８…電力整流器
９…電力整流器
１０…回線
１１…蓄電素子
１２…キャパシタ
１３…回線
１４…蓄電素子
１５…キャパシタ
１６…幹線リード線
１７…幹線リード線
１８…幹線リード線
１９…充電器
２０…幹線回線
２１…幹線回線
２２…幹線回線
２３…開閉装置
２４…スイッチ
２５…励起モジュール
２６…幹線評価ユニット
２７…回線
２８…回線
２９…電流回路
３０…電流回路
３１…回線
３２…回線
３３…回線
３４…回線
３５…制御装置
３６…２次モジュール
３７…平衡装置
３８…変成器
３９…１次巻線
４０…１次巻線
４１…２次巻線
４２…ブースト・チョッパ
４３…ブースト・チョッパ
４４…開閉装置
４５…開閉装置
４６…ハーフ・ブリッジ
４７…ハーフ・ブリッジ
４８…電力線
４９…電力線
５０…電力線
５１…電力線
５２…インダクタンス
５３…インダクタンス
５４…開閉素子
５５…開閉素子
５６…ダイオード
５７…ダイオード
５８…バックアップ・キャパシタ
５９…バックアップ・キャパシタ
６０…回線
６１…回線
６２…回線
６３…回線
６４…開閉素子
６５…開閉素子
６６…開閉素子
６７…開閉素子
６８…ダイオード
６９…ダイオード
７０…ダイオード
７１…ダイオード
７２…接続線
７３…接続線
７４…接続線
７５…接続線
７６…整流回路
７７…平衡装置
７８…変成装置
７９…平衡変成器
８０…巻線
８１…巻線
８２…入力
８３…入力
８４…入力
８５…出力
８６…出力
８７…出力
８８…出力
８９…端子ブロック
９０…ブリッジ
９１…ブリッジ
９２…ブリッジ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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