DE1194440B

DE1194440B - Dual frequency traction vehicle

Info

Publication number: DE1194440B
Application number: DEB41182A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Heinrich Kaefer
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1956-07-27
Filing date: 1956-07-27
Publication date: 1965-06-10

Description

Zweifrequenz-Triebfahrzeug Bei Bahnanlagen, bei denen aufeinanderfolgende Streckenabschnitte mit Wechselstrom verschiedener Frequenz betrieben werden, hat man bisher die Transformatoren auf den Triebfahrzeugen für die niederste Frequenz und die Fahrmotoren für die höchste Frequenz ausgelegt. Dies bedeutet insbesondere hinsichtlich der Transformatoren einen erheblichen Aufwand, da -sie bei den hohen Frequenzen schlecht ausgenutzt sind.Dual-frequency traction vehicle For railway systems in which successive Route sections are operated with alternating current of different frequencies so far, the transformers on the locomotives have been used for the lowest frequency and the traction motors are designed for the highest frequency. This means in particular with regard to the transformers a considerable effort, since -sie with the high Frequencies are poorly used.

Um diese Schwierigkeiten zu umgehen, hat man sich damit beholfen, daß man die Treibfahrzeuge in jedem Streckenabschnitt für die dort vorhandene Frequenz auslegte und an den Übergangsstellen sämtliche Triebfahrzeuge mit der niedersten Frequenz speiste, wobei man die Spannung der Transformatoren auf den für die höhere Frequenz gebauten Triebfahrzeugen herabsetzte. Man nahm hiermit in Kauf, daß diese Triebfahrzeuge bei der niederen Frequenz mit herabgesetzter Klemmenspannung an den Fahrmotoren und damit mit geringerer Geschwindigkeit fuhren. Diese Lösung der gestellten Aufgabe stellt nur eine Notlösung dar, die für den Verschiebebetrieb auf den Übergangsbahnhöfen allenfalls tragbar ist, aber nicht für den Fahrbetrieb auf der freien Strecke. Man ist also hier darauf angewiesen, die Treibfahrzeuge auszuwechseln, wenn man den Streckenbetrieb normal gestalten will.In order to avoid these difficulties, one has made up for that you have the traction vehicles in each section of the route for the frequency available there laid out and at the crossing points all locomotives with the lowest Frequency fed, taking the voltage of the transformers on the one for the higher Frequency of built locomotives. It was hereby accepted that this Locomotives at the lower frequency with reduced terminal voltage to the Drive motors and thus drove at a lower speed. This solution of the posed The task is only an emergency solution, the one for the shunting operation at the transition stations is at most portable, but not for driving on the open road. Man is therefore dependent on changing the traction vehicles if you have the Wants to make route operation normal.

Darüber hinaus muß auch noch berücksichtigt werden, daß in der Regel die Fahrleitungsabschnitte in dem Bahnnetz mit der höheren Frequenz auch mit höherer Spannung gespeist werden. Alle diese Umstände wirken sich auf die Steuerung der Fahrmotoren ungünstig oder störend aus. Hinzu kommt, daß infolge des frequenzabhängigen induktiven Spannungsabfalles im Transformator die Strom-Spannungs-Kennlinien der einzelnen Fahrmotoren bei höherer Frequenz und Spannung steiler verlaufen als bei niederer Frequenz und niederer Spannung, selbst wenn die sonstigen elektrischen Betriebsmittel, Fahrmotoren und Transformator, dem Mehrfrequenz- und Mehrspannungsbetrieb angepaßt sind.In addition, it must also be taken into account that as a rule the catenary sections in the rail network with the higher frequency also with higher Voltage are fed. All of these circumstances affect the control of the company Drive motors unfavorable or disruptive. In addition, as a result of the frequency-dependent inductive voltage drop in the transformer, the current-voltage characteristics of the individual traction motors run steeper at higher frequency and voltage than at lower frequency and lower voltage even if the other electrical Equipment, traction motors and transformers, multi-frequency and multi-voltage operation are adapted.

Zur Verringerung dieser Einflüsse könnte man daran denken, zur Berücksichtigung der verschiedenen Fahrdrahtspannungen entsprechend der F i g. 1 der Zeichnung die Primärwindungszahlen des Transformators im Verhältnis der Fahrdrahtspannungen umzuschalten, um auf diese Weise an den Fahrmotoren gleichbleibende Klemmenspannungen zu erhalten. Eine rechnerische Überprüfung einer solchen Maßnahme ergibt nun folgenden Sachverhalt: Es kann bei einem Transformator ganz allgemein der vektorielle Spannungsabfall d UZ an der Sekundärwicklung bei Belastung gegenüber der Leerlaufspannung U2o wie folgt ausgedrückt werden: dUZ=Uzo-Ua=Iz'@Rrr-jXrr), wobei und WZ und W, die Windungszahlen, R2 und R,, die Wirkwiderstände, X2 und XI die Blindwiderstände der durch Index 2 bzw. 1 gekennzeichneten Sekundär-bzw. Primärwicklungen und I, der Strom in der Sekundärwicklung sind.To reduce these influences, one could think of taking into account the various contact wire voltages according to FIG. 1 of the drawing to switch over the primary turns of the transformer in relation to the contact wire voltages in order to obtain constant terminal voltages on the traction motors. A computational check of such a measure results in the following situation: In a transformer, the vectorial voltage drop d UZ on the secondary winding when loaded compared to the open circuit voltage U2o can be expressed as follows: dUZ = Uzo-Ua = Iz '@ Rrr-jXrr) , whereby and WZ and W, the number of turns, R2 and R ,, the effective resistances, X2 and XI the reactive resistances of the secondary or secondary resistances identified by index 2 and 1, respectively. Primary windings and I, which are the current in the secondary winding.

Da der Blindwiderstand oder die Streureaktanz X der einzelnen Wicklung proportional dem Quadrat ihrer Windungszahl Wund proportional der Frequenz f ist, kann bei sonst gleicher geometrischer Verteilung der Wicklung gesetzt werden: wenn die Werte mit Stern sich auf die eine Frequenz und Spannung, z. B. 50 Hz und 25kV, die Werte ohne Stern auf die andere Frequenz und Spannung, z. B. 16a/3 Hz und 15 kV, beziehen. Dabei wäre das Windungszahlenverhältnis wie oben angeführt: Es ist also: Da die induktive Komponente des Widerstandes im allgemeinen wesentlich die ohmsche überwiegt, ist daraus zu ersehen, daß bei dieser Schaltung beispielsweise der Spannungsabfall, bezogen auf gleichen Sekundärstrom bei 50-Hz-Betrieb, etwa dreimal so groß ist wie bei 162/B-Hz-Betrieb.Since the reactance or the leakage reactance X of the individual winding is proportional to the square of its number of turns W and proportional to the frequency f , the following can be set with the otherwise identical geometric distribution of the winding: if the values with an asterisk refer to one frequency and voltage, e.g. B. 50 Hz and 25kV, the values without asterisk on the other frequency and voltage, z. B. 16a / 3 Hz and 15 kV. The number of turns ratio would be as stated above: So it is: Since the inductive component of the resistance generally outweighs the ohmic component, it can be seen that with this circuit, for example, the voltage drop, based on the same secondary current in 50 Hz operation, is about three times as large as in 162 / B-Hz- Operation.

Diese Schaltungsanordnung weist aber nicht nur einen erhöhten Spannungsabfall beim Betrieb mit 50 Hz auf, sondern hat noch einen weiteren Nachteil: Soll nämlich eine Tranformatorschaltung, wie sie in der F i g. 1 dargesetllt ist, für eine Hochspannungssteuerung angewandt werden - wie sie bei schweren elektrischen Lokomotiven wegen ihrer großen Vorteile allgemein eingeführt ist -, wenn also praktisch die Anzapfungen für den Stufenschalter an der Primärwicklung der Transformatoren angebracht sind, ergibt sich für die niedrigere Spannung niedriger Frequenz (also im Beispiel 15 kV, 162/3 Hz) eine wesentlich kleinere Anzahl von nutzbaren Anzapfungen für die Speisung der Fahrmotoren als bei der höheren Spannung. Die Zugkraftsprünge von Stufe zu Stufe werden dann bei der niedrigeren Spannung entweder zu groß, oder aber, man muß - um dies auszugleichen - die Anzahl der Anzapfungen um etwa 50 °/o erhöhen, was natürlich auch eine entsprechende Schalteinrichtung erforderlich macht, um diese Zugkraftsprünge zu vermeiden.However, this circuit arrangement not only has an increased voltage drop when operating at 50 Hz, but has another disadvantage: it should a transformer circuit as shown in FIG. 1 is shown for a high voltage control - as they are used in heavy electric locomotives because of their large size Advantages generally introduced - if so the taps for the practical Tap changers are attached to the primary winding of the transformers, results opt for the lower voltage with a lower frequency (i.e. in the example 15 kV, 162/3 Hz) a significantly smaller number of usable taps for supplying the Traction motors than with the higher voltage. The leaps in traction from level to level then either become too large at the lower voltage, or one must - to compensate for this - increase the number of taps by about 50%, which of course also makes a corresponding switching device necessary to handle these jumps in tensile force to avoid.

Abgesehen von dem wesentlich höheren Aufwand an Material, Raum- und Lohnkosten für die Anfertigung des Transformators und der vergrößerten Schalteinrichtung ergibt sich als weiterer Nachteil, daß bei gleicher geforderter Beschleunigung bei der einen Frequenz der Fahrzeugführer den Fahrschalter in einem anderen Rhythmus schalten muß als bei der anderen Frequenz. Eine solche Umstellung von einem Schaltrhythmus auf einen anderen bedeutet einen erheblichen Nachteil und kann die Fahrsicherheit wesentlich beeinträchtigen.Apart from the much higher expenditure of material, space and Labor costs for the manufacture of the transformer and the enlarged switchgear There is a further disadvantage that with the same required acceleration at one frequency, the driver turns the drive switch in a different rhythm must switch than at the other frequency. Such a shift from a switching rhythm on another means a significant disadvantage and can improve driving safety significantly affect.

Es ist die Aufgabe der Erfindung bei einem Zweifrequenzfahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, für Fahrleitungssysteme 162/8 Hz - 15 kV und 50 Hz -25 kV mit Hochspannungssteuerung und Umschaltung des Transformators im Verhältnis der Fahrdrahtspannungen die oben aufgeführten Nachteile zu vermeiden und den Transformator so zu dimensionieren, daß sich für gleiche Transformatoranzapfungen bei den verschiedenen Speisespannungen und Frequenzen an den Fahrmotorklemmen gleiche Spannungen ergeben, womit dieMotorkennlinien beiden verschiedenen Frequenzen annähernd übereinstimmen. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die für den Spannungs- und Frequenzausgleich vorgesehenen Zusatzwicklungen an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen und in ihrer Größe so gewählt sind, daß bei einer Belastung des Transformators mit einem bestimmten Strom, insbesondere dem Fahrmotorenennstrom, der zusätzliche Spannungsabfall bei der Spannung niedriger Frequenz an der Transformatorreaktanz durch eine - gegenüber der auf Grund des Verhältnisses der Primärspannungen errechneten - erhöhte Windungszahl der Zusatzwicklung ausgeglichen wird, so daß bei beiden Frequenzen die Fahrmotorspannung auf den einzelnen Transformatorstufen etwa gleich ist.It is the object of the invention in a two-frequency vehicle, in particular Rail vehicle, for contact line systems 162/8 Hz - 15 kV and 50 Hz -25 kV with High voltage control and switching of the transformer in relation to the contact wire voltages to avoid the disadvantages listed above and to dimension the transformer in such a way that that for the same transformer taps for the different supply voltages and frequencies at the traction motor terminals result in the same voltages, with which the motor characteristics approximately match the two different frequencies. According to the invention this is achieved by the fact that the voltage and frequency compensation provided Additional windings connected to the secondary winding of the transformer and in their size are chosen so that when the transformer is loaded with a certain current, in particular the nominal drive motor current, the additional voltage drop at the voltage of low frequency at the transformer reactance by one - opposite the increased number of turns calculated on the basis of the ratio of the primary voltages the additional winding is compensated, so that the traction motor voltage at both frequencies is roughly the same on the individual transformer stages.

Die Vorzüge der Schaltung gemäß der Erfindung sollen im folgenden an Hand der F i g. 2 der Zeichnung näher erläutert werden. Hier ist eine Hochspannungssteuerung dargestellt, bei der die Stufenanzapfungen über die ganze Hochspannungswicklung des als Sparstranformator ausgebildeten Transformators verteilt sind, wobei die an dieser Wicklung abgegriffene zwischen Null und der Fahrdrahtspannung veränderbare Spannung einem zweiten Transformator mit festem Windungszahlenverhältnis zugeführt wird. Die Sekundärseite des zweiten Transformators weist zwei Anzapfungen mit den Windungszahlen W4 und W4* auf, an die je nach der Spannung und der Frequenz an der Hochspannungsseite die Fahrmotoren angeschlossen werden können. Das Windungszahlenverhältnis bleibt also so lange das gleiche, wie im selben Netz gleicher Nennspannung und Nennfrequenz gefahren wird. In dem Netz mit der anderen Nennspannung und Nennfrequenz wird auf die zweite Anzapfung umgeschaltet, so daß sich ein anderes Windungszahlenverhältnis des zweiten Transformators ergibt. Das Windungszahlenverhältnis für die niedrige Frequenz ist so gewählt, daß der höhere Spannungsabfall an der Transformatorinduktivität bei der niedrigeren Speisespannung, z. B. bei Nennstrom, ausgeglichen ist. Zweckmäßigerweise wird man die zusätzliche Windungszahl der Sekundärwicklung des Transformators so groß wählen, daß Übereinstimmung der beiden Motorkennlinien bei den meistbenutzten Laststufen, z. B. bei dem Motordauerstrom und etwa 700/, der höchsten Motorspannung besteht.The advantages of the circuit according to the invention are described below with reference to FIGS. 2 of the drawing will be explained in more detail. Here, a high-voltage control is shown, in which the step taps are distributed over the entire high-voltage winding of the transformer, which is designed as an economy transformer, with the voltage tapped at this winding, variable between zero and the contact wire voltage, being fed to a second transformer with a fixed number of turns. The secondary side of the second transformer has two taps with the number of turns W4 and W4 *, to which the traction motors can be connected depending on the voltage and frequency on the high-voltage side. The number of turns ratio therefore remains the same as long as the same nominal voltage and nominal frequency are used in the same network. In the network with the other nominal voltage and nominal frequency, a switch is made to the second tap, so that a different turns ratio of the second transformer results. The turns ratio for the low frequency is chosen so that the higher voltage drop across the transformer inductance at the lower supply voltage, e.g. B. at rated current, is balanced. Appropriately, you will choose the additional number of turns of the secondary winding of the transformer so large that the two motor characteristics match in the most frequently used load levels, z. B. at the continuous motor current and about 700 /, the highest motor voltage.

Bei dieser Schaltung sollen also die Windungszahlen w1 und w2 und deren Stufenverhältnisse bei dem Regelspartransformator für die Netze beider Frequenzen und Spannungen gleich sein, ferner soll auch die Windungszahl w3 der primären Wicklung des Haupttransformators dieselbe bleiben, dagegen soll die Windungszahl w4 der sekundären Wicklung dieses Transformators für die niedrigere Fahrdrahtspannung von z. B. 15 kV höher sein als die sekundäre Windungszahl w4* für die höhere Fahrdrahtspannung von z. B. 25 kV, so daß im angezogenen Beispiel etwa gewählt wird. Es gilt dann, wieder unter der Voraussetzung gleicher geometrischer Verteilung der Wicklungen w4 bzw. w4* gegenüber der Wicklung w3, Im vorliegenden Falle wäre also Unter der Voraussetzung einer lastunabhängigen, jeweils festen Stufenspannung U3 an der Primärwicklung des Haupttransformators wäre für beide Frequenzen der Spannungsabfall praktisch gleich. Dies gilt bei angenommener steifer Fahrdrahtspannung U1 allerdings nur für die höchste Stufe, für die die primäre Stufenspannung U3 gleich der Fahrdrahtspannung U1 selbst ist. Für die insbesondere im Mittelabschnitt der Wicklung liegenden Anzapfungen des Regelspartransformators (wi - w2) gilt dies nicht streng, denn hier ist der prozentuale Spannungsabfall der einzelnen Stufe, bezogen auf gleichen Strom J4, beim 50-Hz-25-kV-Betrieb etwa so groß wie beim 162/3-Hz-15-kV-Betrieb, weil der Laststrom in den Wicklungen w, und w2 etwa im Verhältnis kleiner ist beim 25-kV-Betrieb gegenüber dem 15-kV-Betrieb und weil die Frequenzen sich wie 3 : 1 verhalten.In this circuit, the number of turns w1 and w2 and their step ratios in the automatic regulator transformer should be the same for the networks of both frequencies and voltages; furthermore, the number of turns w3 of the primary winding of the main transformer should remain the same, while the number of turns w4 of the secondary winding of this transformer should remain the same for the lower contact wire voltage of z. B. 15 kV higher than the secondary number of turns w4 * for the higher contact wire voltage of z. B. 25 kV, so that in the example drawn about is chosen. It then applies, again assuming the same geometric distribution of the windings w4 or w4 * compared to the winding w3, In the present case it would be Assuming a load-independent, fixed step voltage U3 at the primary winding of the main transformer, the voltage drop would be practically the same for both frequencies. Assuming a stiff contact wire voltage U1, this only applies to the highest level, for which the primary level voltage U3 is equal to the contact wire voltage U1 itself. This does not strictly apply to the taps of the regulating autotransformer (wi - w2) located in the middle section of the winding, because here the percentage voltage drop of the individual stage, based on the same current J4, is around 50 Hz-25 kV operation as large as with 162/3 Hz 15 kV operation because the load current in the windings w and w2 is roughly in proportion is smaller in 25 kV operation compared to 15 kV operation and because the frequencies behave like 3: 1.

Dieser Wert 9/5 ist einerseits kleiner als der Wert 3 des ersten Beispieles, geht andererseits nur als Bruchteil des Gesamtspannungsabfalles ein und gilt überdies nur für die weniger wichtigen mittleren Stufen je nach Größe des dort auftretenden mehr oder minder großen prozentualen induktiven Spannungsabfalles, der auf den höheren Regelstufen kleiner und auf der höchsten Regelstufe Null wird. Der Regelspartransformator kann auch für die Mittelstufen spannungsmäßig von vornherein ziemlich steif ausgelegt werden.This value 9/5 is on the one hand smaller than the value 3 in the first example, on the other hand is only included as a fraction of the total voltage drop and is also valid only for the less important middle stages depending on the size of the occurring there more or less large percentage inductive voltage drop on the higher Control levels become smaller and zero at the highest control level. The regulating autotransformer can be designed to be quite stiff from the outset in terms of tension, even for the intermediate levels will.

Wenn dann die noch bleibende geringe Änderung der Spannunngsabfälle durch Wechsel der Frequenz durch eine kleine Korrektur bei der Wahl des Verhältnisses ausgeglichen ist, so treten bei Strombelastungen etwa gleiche Stufenspannungen unter beiden Systemen auf.If the remaining slight change in the voltage drops due to the change in frequency is compensated for by a small correction in the selection of the ratio, then current loads occur approximately the same step voltages under both systems.

Auf das günstige Verhalten der Schaltung nach F i g. 2 bezüglich der Bemessung sei zusätzlich hingewiesen. Bekanntlich wird die Größe des Transformators wesentlich von der niedrigeren Frequenz bestimmt, da die Spannung bei der höheren Frequenz nicht im Verhältnis der Frequenzen heraufgesetzt ist. Es ist gegenüber der Schaltung nach F i g. 1 bei der Schaltung nach F i g. 2 keine zusätzliche Windungszahlvermehrung durchzuführen, nur eine oder wenige Anzapfungen der Sekundärwicklung 4 sind je nach Ausführung notwendig, desgleichen die an und für sich notwendige entsprechend erhöhte Isolation der Wicklungen 1, 2 und 3. .On the favorable behavior of the circuit according to FIG. 2 with regard to the dimensioning should also be pointed out. It is known that the size of the transformer is essentially determined by the lower frequency, since the voltage at the higher frequency is not increased in proportion to the frequencies. It is opposite to the circuit according to FIG. 1 in the circuit according to FIG. 2 no additional increase in the number of turns, only one or a few taps on the secondary winding 4 are necessary depending on the design, as is the correspondingly increased insulation of the windings 1, 2 and 3, which is necessary per se.

Die Schaltung kann bei sinngemäßer Abänderung sowohl für die unmittelbare Speisung von Einphasen-Reihenschlußmotoren als auch insbesondere für Gleichrichterbetrieb angewendet werden.The circuit can be modified for both the immediate Supply of single-phase series motors and especially for rectifier operation be applied.

Claims

Claim: two-frequency traction vehicle, in particular rail vehicle, for contact line systems 162/3 Hz-15 kV and 50 Hz-25 kV with high voltage control and switching of the transformer in relation to the contact wire voltages, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that the voltage and frequency compensation provided additional windings are connected to the secondary winding of the transformer and are selected in their size so that when the transformer is loaded with a certain current, in particular the nominal drive motor current, the additional voltage drop at the voltage of low frequency at the transformer reactance by one - opposite the increased number of turns calculated on the basis of the ratio of the primary voltages the additional winding is compensated, so that the traction motor voltage at both frequencies is roughly the same on the individual transformer stages. Considered publications: German patent application S 25186 VIIIb, 201/5 (published on December 24, 1952); Supplementary booklet 1936 of the magazine "Elektro Bahnen", p. 103; "Electric Railways", 21 (1950), p. 211; "Electrical engineering and mechanical engineering", 69 (1952), p. 237.