DE1299677B

DE1299677B - Current divider choke for bridging two adjacent taps of a traction vehicle step transformer

Info

Publication number: DE1299677B
Application number: DE1965B0080591
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Rudolf; Winden
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1965-02-18
Filing date: 1965-02-18
Publication date: 1969-07-24
Also published as: AT254345B; SE316792B; CH432582A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromteilerdrossel für die überbrückung zweier benachbarter Anzapfungen eines mit Niederspannungssteuerung versehenen Triebfahrzeug - Stufentransformators, welche einen etwa bei Nennspannung - wobei diese als die höchste Stufenspannung zwischen zwei Anzapfungen definiert ist - in Sättigung gehenden ferromagnetischen Kern und eine Spule mit Mittelanzapfung zum Anschluß der Fahrmotoren aufweist.The invention relates to a current divider choke for bridging two adjacent taps of a traction vehicle equipped with a low-voltage control - Step transformer, which has an approximately at nominal voltage - these as the highest step voltage between two taps is defined - going into saturation ferromagnetic core and a coil with center tap for connecting the traction motors having.

Die Drehzahl von Einphasenkollektormotoren bzw. über Stromrichterventile gespeisten Gleichstrommotoren für elektrische Wechselstromtriebfahrzeuge wird im allgemeinen durch Veränderung der Motorspannung gesteuert. Zur Änderung dieser Spannung bedient man sich Transformatoren, die entweder Anzapfungen an der Hochspannungswicklung oder an der Niederspannungswicklung aufweisen. Transformatoren mit Niederspannungssteuerungen werden bis zu einer Summe der Motorströme von etwa 10 000 Ampere angewandt.The speed of single-phase collector motors or converter valves powered direct current motors for electric alternating current traction vehicles is in generally controlled by changing the motor voltage. To change this tension one avails oneself transformers, which either taps on the high voltage winding or on the low voltage winding. Transformers with low voltage controls are used up to a sum of the motor currents of around 10,000 amperes.

Eine solche bekannte Schaltungsanordnung ist in der F i g. 1 dargestellt. Die Sekundärseite des Transformators 1 ist mit Anzapfungen a bis d versehen, an die über ein Schaltwerk mit den Schaltern 2 a bis 2 d (oder über Einzelschalter) und eine Stromteilerdrossel 3 ein oder mehrere Fahrmotoren 4 angeschlossen sind. Auf den einzelnen Fahrstufen (Vollstufen) sind immer jeweils zwei benachbarte Schalter geschlossen. Die Stromteilerdrossel 3 wirkt dabei sowohl als Stromteiler wie auch als Spannungsteiler. Durch die Wicklungsanordnung der Stromteilerdrossel wird der Fahrmotorstrom auf beide Spulenhälften 3 a und 3 b angenähert gleichmäßig aufgeteilt. Am Ausgang der Stromteilerdrossel stellt sich dann eine mittlere Spannung zwischen den an den Anzapfungen a und b des Transformators anstehenden Spannungen ein. Durch die Stromteilerdrossel 3 wird der Strom zwischen den beiden angeschalteten Anzapfungen des Transformators begrenzt und eine Stromunterbrechung beim übergang von einer Fahrstufe zur nächsten vermieden.Such a known circuit arrangement is shown in FIG. 1 shown. The secondary side of the transformer 1 is provided with taps a to d are connected to a switching mechanism to the switches 2 a to 2 d (or any individual switch) and a current divider throttle 3, one or more traction motors. 4 Two adjacent switches are always closed on the individual speed steps (full steps). The current dividing choke 3 acts both as a current divider and as a voltage divider. Due to the winding arrangement of the current dividing choke, the traction motor current is distributed approximately evenly between the two coil halves 3 a and 3 b. At the output of the current dividing choke, an average voltage is then established between the voltages present at taps a and b of the transformer. The current dividing choke 3 limits the current between the two connected taps of the transformer and prevents a current interruption when changing from one speed step to the next.

Soll z. B. von einer Fahrstufe (Schalter 2a und 2b geschlossen) auf die nächsthöhere Fahrstufe weitergeschaltet werden, wird zunächst der Schalter 2a geöffnet. Anschließend wird der Schalter 2c geschlossen. Dabei wird durch die Stromteilerdrossel ein Kurzschluß zwischen den beiden angeschlossenen Transformatoranzapfungen verhindert, da der Strom durch die Induktivität der Stromteilerdrossel begrenzt ist. Die Fahrmotoren werden beim überschalten über die eine Stromteilerhälfte 3 b weiter mit Strom versorgt, so daß keine Stromunterbrechung entsteht.Should z. B. from one speed step (switches 2a and 2b closed) to the next higher speed step, switch 2a is opened first. The switch 2c is then closed. The current divider choke prevents a short circuit between the two connected transformer taps, since the current is limited by the inductance of the current divider choke. When switching over, the traction motors continue to be supplied with current via one of the current divider half 3 b, so that no current interruption occurs.

Die Niederspannungssteuerung mit Stromteilerschaltung wird, da sie bei kleinen und mittleren Leistungen besonders wirtschaftlich arbeitet, im wesentlichen für im Nahverkehr eingesetzte Wechselstromtriebwagen und Lokomotiven verwendet. Moderne Nahverkehrstriebwagen werden z. B. für mittlere Haltestellenabstände von 2,5 km eingesetzt. Die Anfahrt erfolgt in knapp 50 Sekunden auf 120 knn/h. Anschließend wird etwa 20 Sekunden die Höchstgeschwindigkeit beibehalten, wonach die Abbremsung bis zum Stillstand erfolgt. Bei einer Haltezeit von nur 30 Sekunden muß das Schaltwerk, das meist mit mindestens 28 Fahrstufen gebaut ist, alle 2,5 Minuten einmal aufwärts und einmal abwärts laufen. Durch diese große Schalthäufigkeit wird das Schaltwerk durch die normalen Fahrströme bereits außerordentlich stark beansprucht. Dazu kommen jedoch zusätzliche Beanspruchungen durch hohe Scheitelspannungen am öffnenden Lastschalter und hohe Einschaltstromstöße am schließenden Lastschalter, wenn von einer Fahrstufe zur nächsten übergeschaltet wird.The low voltage control with power divider circuit will, as it works particularly economically for small and medium-sized services, essentially used for AC multiple units and locomotives used in local traffic. Modern local railcars are z. B. for average bus stops of 2.5 km used. The approach takes just under 50 seconds to 120 knn / h. Afterward the maximum speed is maintained for about 20 seconds, followed by braking until it comes to a standstill. With a holding time of only 30 seconds, the rear derailleur must which is usually built with at least 28 speed steps, once every 2.5 minutes upwards and run down once. Due to this high switching frequency, the rear derailleur already extremely stressed by the normal driving currents. Join in however, additional stresses due to high peak voltages on the opening load switch and high inrush currents at the closing load switch, if from a speed step is switched over to the next.

Bei vorzeitiger Abnutzung ergeben sich Ausfallzeiten der elektrischen Triebfahrzeuge nur zum Zwecke der Auswechslung der Lastschalterkontakte. Diese Ausfallzeiten wären auf Grund des Zustandes des übrigen Teiles der elektrischen Ausrüstung nicht erforderlich, so daß die Ausnutzung bekannter Triebfahrzeuge beschränkt wurde, zusätzliche Kosten in der Werkstatt anfielen und die Bereitstellung von zusätzlichen Reservefahrzeugen erforderlich war.Premature wear results in electrical downtimes Traction vehicles only for the purpose of replacing the load switch contacts. This downtime would not be due to the condition of the rest of the electrical equipment required, so that the use of known locomotives was limited, additional There were costs in the workshop and the provision of additional reserve vehicles was required.

Bei der bisher gebräuchlichen Auslegung der Stromteilerdrossel mit kleinem Magnetisierungsstrom bei Nennspannung der Stromteilerdrossel treten im überschaltaugenblick an den Kontaktstücken des Lastschalters, die gerade öffnen, erhebliche Spannungsscheitelwerte auf, die z. B. bei einer Stufenspannung von etwa 100 V in der Größenordnung von 1000 V liegen können. Wenn beispielsweise der Schalter 2 a geöffnet ist und der Schalter 2 c noch nicht geschlossen ist, fließt nämlich der gesamte Motorstrom über die eine Hälfte 3 b des Stromteilers. Durch diesen Strom wird in den Stromteilerhälften 3 a und 3 b eine Spannung induziert, die außer der Stufenspannung zwischen den Anzapfungen a und b am öffnenden Schalter 2a ansteht. Im mittleren und oberen Geschwindigkeitsbereich, also bei hohen Motorspannungen, ist der Fahrmotorstrom nahezu sinusförmig. Dabei ergibt sich, bedingt durch die starke Sättigung des Eisenkreises der Stromteilerdrossel, eine trapezförmige Flußkurve. Im Bereich kleiner Ströme steigt der Fluß rasch an. Damit ergibt sich ein großer Spannungsseheitelwert an den Stromteilerhälften 3 a und 3 b, der durch das Produkt der Windungszahl und der Flußänderung gegeben ist.In the current design of the current divider choke with a small magnetizing current at the rated voltage of the current divider choke, considerable voltage peaks occur in the moment of over-switching at the contacts of the load switch that are just opening. B. can be in the order of 1000 V at a step voltage of about 100 V. For example, if switch 2 a is open and switch 2 c is not yet closed, the entire motor current flows through one half 3 b of the current divider. This current induces a voltage in the current divider halves 3 a and 3 b which, in addition to the step voltage between the taps a and b, is present at the opening switch 2a. In the middle and upper speed range, i.e. at high motor voltages, the traction motor current is almost sinusoidal. This results in a trapezoidal flow curve due to the strong saturation of the iron circuit of the flow divider choke. In the area of small currents, the flow increases rapidly. This results in a large voltage unit value at the current divider halves 3 a and 3 b, which is given by the product of the number of turns and the change in flux.

Die genannten zusätzlichen Beanspruchungen der Schaltwerkskontakte durch hohe Einschaltstromstöße treten insbesondere dann auf, wenn die Stromteilerdrossel zufällig im Nulldurchgang der Spannung wieder beidseitig an Spannung gelegt wird, während sie vorher gesättigt mit einseitiger Speisung arbeitete. Der damit verbundene erhebliche Einschaltstromstoß kann zu einem Verschweißen der Schaltstücke eines Lastschalters und im weiteren Verlauf der Stufenschaltung zu einem Stufenkurzschluß führen. Ähnlich hohe Strombelastungen ergeben sich für die Lastschalter auch, wenn das Schaltwerk bei abgeschalteten Motoren, aber hochspannungsseitig eingeschaltetem Transformator, aufwärts oder abwärts läuft. Beim überschalten von einer Fahrstufe zur nächsten ergeben sich also zusätzliche Schaltwerksbeanspruchungen durch Einschaltstromstöße und hohe Spannungsscheitelwerte am öffnenden Lastschalter.The mentioned additional stresses on the switchgear contacts high inrush currents occur especially when the current divider choke is randomly applied to both sides at the zero crossing of the voltage, while she previously worked with one-sided feeding, saturated. The associated Significant inrush current can cause the contact pieces to weld together Load switch and in the further course of the step switching to a step short circuit to lead. Similarly high current loads also arise for the load switches if the switching mechanism with the motors switched off, but switched on on the high voltage side Transformer running up or down. When switching over from a speed step to the next there are additional switching mechanism loads due to inrush currents and high voltage peaks at the opening load switch.

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine Lehre für die Dimensionierung der Stromteilerdrossel zu geben, bei der sich an den Kontaktstücken der Lastschalter des Schaltwerkes ein Minimum an Abbrand ergibt, indem die beim Schalten auftretenden hohen Spannungsscheitelwerte und die Einschaltströme wesentlich vermindert werden.The object of the invention is therefore to provide a teaching for the dimensioning to give the current divider choke, which is located on the contact pieces of the load switch of the switching mechanism results in a minimum of burn-off, by the fact that the high voltage peaks and the inrush currents are significantly reduced.

In der Zeitschrift »Elektrische Bahnen«, 1940, ist auf S. 146 angegeben, daß es grundsätzlich zur Vermeidung von Stromeinbrüchen günstig ist, den Spannungsabfall an der Stromteilerdrossel klein zu halten, wenn diese einseitig beim überschaltvorgang vom Motorstrom durchflossen ist. Der Magnetisierungsstrom soll zu diesem Zweck zwischen einem Viertel und der Hälfte des zu schaltenden Stromes beim Aufschalten, d. h. des Anfahrstromes, liegen. Eine solche Auslegung der Stromteilerdrossel bringt zwar auch eine Unterdrückung der hohen Spannungsscheitelwerte mit sich, bedingt aber den Bau großer, schwerer und damit unwirtschaftlicher Drosseln. Solche wurden daher praktisch nie gebaut.In the magazine "Elektro Bahnen", 1940, it is stated on p. 146 that that it is generally beneficial to avoid current drops, the voltage drop to keep it small at the current divider choke, if this is one-sided is traversed by the motor current during the over-switching process. The magnetizing current should for this purpose between a quarter and half of the current to be switched when intruding, d. H. of the starting current. Such a design of the power divider choke It also brings with it a suppression of the high voltage peak values, conditionally but the construction of large, heavy and therefore uneconomical chokes. Such were therefore practically never built.

Auch die bisher bekannten Maßnahmen zur Vermeidung der hohen Einschaltströme sind recht aufwendig. So führt eine in der genannten Zeitschrift auf S.148 gegebene Anregung, die Sättigung des Eisenkernes der Stromteilerdrossel nach höheren Spannungswerten zu verlegen, zu großen und schweren Drosseln. Ein gegebenenfalls schaltbarer Widerstand im Drosselkreis zur Begrenzung .der Einschaltströme führt zu wesentlich höheren Verlusten bzw. zu einem zusätzlichen Schaltungsaufwand.Also the previously known measures to avoid high inrush currents are quite complex. For example, one given in the above-mentioned journal on page 148 Excitation, the saturation of the iron core of the current divider choke after higher voltage values too misplaced, too large and heavy chokes. A possibly switchable resistor in the choke circuit to limit the inrush currents leads to significantly higher Losses or an additional circuit expense.

Bei einer Stromteilerdrossel der eingangs genannten Art wird die vorstehend bezeichnete Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß deren Magnetisierungsstrom bei Nennspannung zwischen einem Viertel und zwei Drittel des Nennstromes der Drosselwicklung liegt und daß die Magnetisierungskennlinie oberhalb des Nennstromes einen Anstieg der Drosselspannung um jeweils etwa das 0,45fache der Nennspannung bei Steigerung des Drosselstromes um den Nennstrombetrag aufweist, indem das Verhältnis der Spulenlänge zum mittleren Durchmesser der Spule höchstens 1,5, das Verhältnis der Spulenbreite zum mittleren Durchmesser mindestens 0,2 und das Verhältnis der lichten Spulenfläche (FS) zum effektiven Eisenquerschnitt (FE) des Drosselkernes mindestens 2,0 beträgt.In the case of a current dividing choke of the type mentioned above, the above The object referred to is achieved according to the invention in that its magnetizing current at nominal voltage between a quarter and two thirds of the nominal current of the inductor winding lies and that the magnetization curve increases above the nominal current the choke voltage by approximately 0.45 times the nominal voltage when increasing of the inductor current by the nominal current amount by the ratio of the coil length to the mean diameter of the coil at most 1.5, the ratio of the coil width to the mean diameter at least 0.2 and the ratio of the clear coil area (FS) to the effective iron cross-section (FE) of the choke core is at least 2.0.

Eine derartige Dimensionierung der Stromteilerdrossel führt zwar auch zu einer gewissen Erhöhung der Verluste gegenüber den bisher praktisch eingesetzten Stromteilerdrosseln. Sie löst aber die gestellte Aufgabe ohne den übermäßigen Aufwand, den Stromteilerdrosseln nach dem genannten an sich bekannten Empfehlungen, die nicht zur praktischen Verwirklichung geführt haben, mit sich bringen.Such a dimensioning of the current dividing choke also leads to a certain increase in losses compared to those practically used up to now Power divider chokes. But it solves the given task without the excessive effort, the current divider chokes according to the known recommendations mentioned, which are not have led to practical realization.

Die Abführung der erhöhten Verluste der Stromteilerdrossel bei der erfindungsgemäßen Ausführung bereitet keine Schwierigkeiten, da die Stromteilerdrossel im Ölkessel des Triebfahrzeugtransformators eingebaut sein kann, dessen Verluste ein Vielfaches der Verluste der Stromteilerdrossel betragen, so daß eine merkbare Erhöhung der abzuführenden Wärmemenge nicht stattfindet.The dissipation of the increased losses of the current divider choke in the embodiment according to the invention does not cause any difficulties, since the flow divider choke can be installed in the oil tank of the traction vehicle transformer, its losses a multiple of the losses of the current divider choke, so that a noticeable There is no increase in the amount of heat to be dissipated.

In der F i g. 2 der Zeichnung ist in der Kurve I ,der Effektivwert der Spannung U für die genannte, bisher hauptsächlich gebaute Stromteilerdrossel in Abhängigkeit vom Magnetisierungsstrom aufgezeichnet (Spannung und Strom bezogen auf die Nennwerte). Diese Kurve hat einen die beiden eingangs beschriebenen Nachteile mit sich bringenden Verlauf: Einmal ist der Magnetisierungsstrom bei Nennspannung sehr klein, was zu hohen Spannungsscheitelwerten am öffnenden Schalter und zu Stromeinbrüchen beim überschalten führt. Zum anderen ist oberhalb des Sättigungsknickes der Anstieg der Drosselspannung in Abhängigkeit vom Magnetisierungsstrom sehr gering, was zu hohen Einschaltströmen an den Schaltern führt. Beide Nachteile sind bei einer Stromteilerdrossel vermieden, welche eine Magnetisierungskennlinie gemäß Kurve II aufweist. Erstens ist der Magnetisierungsstrom für die Nennspannung vergrößert, im Ausführungsbeispiel auf etwa 35 °/o des Nennstromes. Dies erfolgt in Anwendung der aus der genannten Zeitschrift »Elektrische Bahnen«, 1940, entnehmbaren Lehre zweckmäßig durch Einfügen eines oder mehrerer Luftspalte in den Eisenkreis. Zweitens erfolgt der Anstieg der Magnetisierungskennlinie infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung der Stromteilerdrossel oberhalb des Sättigungsknickes wesentlich steiler.In FIG. 2 of the drawing is curve I, the rms value the voltage U for the mentioned, previously mainly built current dividing choke recorded as a function of the magnetizing current (voltage and current related on the face values). This curve has one of the two disadvantages described at the beginning The associated course: Once the magnetizing current is at nominal voltage very small, which leads to high voltage peaks at the opening switch and current dips when switching over leads. On the other hand, the rise is above the saturation kink the choke voltage depending on the magnetizing current is very low, which leads to leads to high inrush currents at the switches. Both of these disadvantages are associated with a power divider choke avoided, which has a magnetization curve according to curve II. First the magnetizing current for the nominal voltage is increased, in the exemplary embodiment to about 35% of the rated current. This is done in application of the above "Elektro Bahnen" magazine, 1940, removable teaching useful by inserting one or more air gaps in the iron circle. Second, there is the increase in Magnetization characteristic as a result of the design of the current dividing choke according to the invention much steeper above the saturation kink.

Dieser Verlauf der Magnetisierungskennlinie ergibt sich bei einer Dimensionierung, bei der die Spule der Drossel möglichst kurz und dick mit großer Windungszahl bei kleinem Eisenquerschnitt ausgeführt ist, und zwar wenn gemäß der Erfindung das Verhältnis von Spulenlänge 1 (s. F i g. 3) zum mittleren Durchmesser D weniger als 1,5 beträgt, das Verhältnis von Spulenbreite b zum mittleren Durchmesser D einen Wert von 0,2 oder größer aufweist und das Verhältnis der lichten Spulenfläche Fs zum effektiven Eisenquerschnitt des Drosselkernes FF mindestens 2,0 beträgt.This course of the magnetization characteristic results from a Dimensioning in which the coil of the choke is as short and thick as possible with large Number of turns is carried out with a small iron cross-section, namely if according to the Invention the ratio of coil length 1 (see Fig. 3) to the mean diameter D is less than 1.5, the ratio of the coil width b to the mean diameter D has a value of 0.2 or greater and the ratio of the clear coil area Fs for the effective iron cross-section of the reactor core FF is at least 2.0.

Claims

Claim: current divider choke for bridging two neighboring ones Tapping of a traction vehicle step transformer equipped with a low-voltage control, which one roughly at nominal voltage - with this being the highest step voltage between two taps is defined - ferromagnetic saturation Having a core and a coil with a center tap for connecting the traction motors, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the magnetizing current at nominal voltage is between a quarter and two thirds of the rated current of the inductor winding and that the magnetization curve above the nominal current increases the Choke voltage by approximately 0.45 times the nominal voltage when increasing the Choke current by the nominal current amount by the ratio of the coil length (1) to the mean diameter (D). Of the coil at most 1.5, the ratio of the coil width (b) to the mean diameter (D) at least 0.2 and the ratio of the clear Coil area (FS) for the effective iron cross-section (FE) of the choke core at least Is 2.0.