DE1488209B2 - TRANSFORMER FOR TRACTION IN PARTICULAR LOCOMOTIVE TRANSFORMER - Google Patents
TRANSFORMER FOR TRACTION IN PARTICULAR LOCOMOTIVE TRANSFORMERInfo
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Description
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Bei elektrischen Lokomotiven tritt zuweilen die schnitt, wie ihn die Außenschenkel besitzen, reduziertIn the case of electric locomotives, the section that the outer legs have is sometimes reduced
Forderung nach deren Einsatzfähigkeit sowohl in werden, wenn eine aufwendige Schaltung angewendetRequirement for their usability both in when a complex circuit is applied
Wechselstrom- als auch in Gleichstromnetzen auf. wird, die einen getrennten Regeltransformator voraus-AC and DC networks. which requires a separate regulating transformer
Hierfür kommen z. B. Gleichrichter-Lokomotiven in setzt (deutsche Patentschrift 752 759).For this come z. B. Rectifier locomotives in sets (German patent 752 759).
Frage, bei denen beim Einsatz im Wechselstromnetz 5 Bei Lokomotiv-Transformatoren ist es außerdemQuestion, when used in the AC network 5 In the case of locomotive transformers, it is also
die Motoren über Transformator und Gleichrichter schon bekannt, Dreischenkelkerne mit verschiedenenthe motors already known via transformers and rectifiers, three-legged cores with different
gespeist werden, während bei Gleichstrombetrieb die Schenkelquerschnitten auszuführen, wobei jedoch dieare fed, while the leg cross-sections run in direct current operation, but the
Motoren direkt gespeist werden. Abweichungen infolge der unterschiedlichen Aus-Motors are fed directly. Deviations as a result of the different
Die Spannungsregelung bei Betrieb im Wechselstrom- legung der einzelnen Wicklungssysteme auf den einnetz wird dabei entweder durch Änderung der Aus- io zelnen Schenkeln zustande kommen (deutsche Patentgangsspannung des Transformators mittels Last- schrift 892 174), die es auch bei den Konstruktionen schalter oder aber durch steuerbare Gleichrichter für normale Netztransformatoren mit einem oder vorgenommen. mehreren Rückschlußschenkeln verminderten Quer-The voltage regulation when operating in alternating current connection of the individual winding systems to the grid will either come about by changing the individual legs (German patent output voltage of the transformer by direct debit 892 174), which is also the case for the constructions switch or through controllable rectifiers for normal mains transformers with an or performed. multiple return legs reduced transverse
Wenn nun bei Gleichstrombetrieb die Spannungs- Schnitts gibt.If the voltage cut is now in DC operation.
regelung mit den gleichen Elementen wie bei Wechsel- 15 Gemäß vorliegender Erfindung wird aber ein
strombetrieb erfolgen soll, so kann zu diesem Zweck Transformator vorgeschlagen, der für den Einsatz der
zwischen das Gleichstromfahrnetz und den Trans- Lokomotiven sowohl im Wechselstromnetz als auch
formator ein Wechselrichter eingeschaltet werden. Der im Gleichstromnetz in günstiger Weise eingesetzt
Angleich der unterschiedlichen Fahrdrahtspannung werden kann und nur einen Kern aufweist,
an die Motorspannung (z. B. 15 kV Wechselstrom- 20 Die Erfindung betrifft einen Transformator für die
netz/3 kV Gleichstromnetz/1 kV Motorspannung) Traktion, insbesondere Lokomotiv-Transformator, mit
könnte entweder durch zwei getrennte Transforma- nur auf den Außenschenkeln bewickeltem Dreitoren
oder durch einen Dreiwicklungstransformator schenkelkern und nachgeschalteter Thyristorsteuerung
erfolgen. zum wahlweisen Anschluß an eine einphasige Wechsel-15 According to the present invention, if a current operation is to take place, a transformer can be proposed for this purpose, which switches on an inverter for the use of the between the direct current traction network and the trans locomotives in both the AC network and the transformer will. Which can be used in a favorable manner in the direct current network to adjust the different contact wire voltages and has only one core,
to the motor voltage (e.g. 15 kV alternating current 20 The invention relates to a transformer for the mains / 3 kV direct current network / 1 kV motor voltage) traction, especially a locomotive transformer, with could either be wound by two separate transformers only on the outer legs Three gates or a three-winding transformer leg core and downstream thyristor control. for optional connection to a single-phase alternating
Schließlich wird man bei derartigen Lokomotiven 25 stromspeisung oder bei Gleichstromspeisung an eineAfter all, with such locomotives 25 you will be fed with electricity or, with direct current feed, at one
bei Wechselrichterbetrieb im Hinblick auf möglichst zweiphasige Wechselrichterspannung mit gegenüberin the case of inverter operation with regard to the two-phase inverter voltage possible with opposite
geringe Rückwirkung auf das speisende Gleichstrom- der einphasigen Wechselstromspeisung erhöhter Fre-low impact on the feeding direct current - the single-phase alternating current feed increased fre-
netz zwei Gruppen von Wechselrichtern vorsehen, quenz, wobei erfindungsgemäß die beiden bewickeltennetwork provide two groups of inverters, sequence, according to the invention, the two wound
die in einem 90° gegeneinander versetzten Schalttakt Außenschenkel in gleicher Weise je drei Wicklungenthe outer legs, which are offset by 90 ° in relation to each other, have three windings each in the same way
betrieben werden. Die Frequenz des Wechselrichters 30 tragen, von denen einerseits die Wicklungen für dieoperate. Carry the frequency of the inverter 30, one of which is the windings for the
wird nun zweckmäßigerweise gegenüber der Frequenz einphasige Wechselstromspeisung derart gegensinnigis now expediently with respect to the frequency, single-phase alternating current supply in the opposite direction
des Wechselstromfahrnetzes erhöht, um zu einem geschaltet sind, daß der unbewickelte Mittelschenkelof the alternating current network increased to be connected to one that the unwound middle limb
besseren Ausnutzungsgrad des Transformators zu flußfrei ist und andererseits die Wicklungen für dieBetter utilization of the transformer is too flux-free and on the other hand the windings for the
kommen bzw. den Transformator kleiner und leichter Wechselrichterspannungen derart geschaltet sind, daßcome or the transformer smaller and lighter inverter voltages are connected in such a way that
auslegen zu können. Die Frequenz des Wechselrichter- 35 die Flüsse in den bewickelten Außenschenkeln umto be able to interpret. The frequency of the inverter- 35 the flows in the wrapped outer thighs
betriebes ist in weiten Grenzen frei wählbar und nach 90° gegeneinander phasenverschoben sind, und deroperation is freely selectable within wide limits and are out of phase with each other after 90 °, and the
oben praktisch nur durch die mit der Frequenz an- Eisenquerschnitt des unbewickelten Mittelschenkelsabove practically only through the iron cross-section of the unwound central leg
wachsenden Verluste (vor allem auch in den Silizium- kleiner als der eines bewickelten Außenschenkelsgrowing losses (especially in the silicon - smaller than that of a wound outer leg
zellen) begrenzt. ausgebildet ist.cells). is trained.
Verwendet man beim Wechselrichterbetrieb den 40 Ein derartiger Transformator erfüllt die gestelltenIf the inverter is used for 40 Such a transformer fulfills the requirements
oben beschriebenen zweckmäßig um 90° gegeneinander Forderungen sowohl hinsichtlich eines niedrigenDescribed above expediently by 90 ° to each other requirements both in terms of a low
phasenverschobenen Schalttakt zweier Gruppen, so Herstellungspreises als auch in bezug auf die Gewichts-phase-shifted switching cycle of two groups, so production price as well as in relation to the weight
kämen hierfür zwei Transformatoren in Frage, deren beschränkung.two transformers would come into question for this, their limitation.
magnetische Flüsse ebenfalls wie die Spannungen um Der Transformator ist als Dreiwicklungstrans-magnetic fluxes as well as the voltages around The transformer is designed as a three-winding trans-
90° gegeneinander phasenverschoben sind. Eine der- 45 formator mit zwei verschiedenen Wicklungen für die90 ° out of phase with each other. A der- 45 formator with two different windings for the
artige Anordnung würde jedoch recht kostspielig und verschiedenen Oberspannungen und einer drittensuch arrangement would, however, be quite costly and have various high voltages and a third
im Hinblick auf die im Bau der Lokomotiv-Trans- Wicklung für die Motorspeisespannung ausgebildet,designed with regard to the construction of the locomotive trans-winding for the motor supply voltage,
formatoren nötige Gewichtsbeschränkung zu schwer. Die Oberspannungswicklungen der beiden bewickeltenformators necessary weight limit too heavy. The high-voltage windings of the two wound
Nun sind Wicklungsschaltungen an dreischenkligen Schenkel sind beim Betrieb der Lokomotiven mit Transformatoren vorgeschlagen worden, bei denen 50 einphasiger Wechselspannung so geschaltet, daß der nur die beiden Außenschenkel Wicklungen tragen und magnetische Fluß nur durch die bewickelten Schenkel bei denen der Mittelschenkel einen kleineren Quer- verläuft, während der unbewickelte Schenkel flußfrei schnitt als die Summe der Querschnitte der beiden bleibt. Beim Betrieb der Lokomotive am Gleichstrom-Außenschenkel nur unter bestimmten Voraussetzungen netz, d. h. bei Wechselrichterbetrieb sind die hierfür besitzt (deutsche Auslegeschrift 1 206 078). Diese 55 vorgesehenen Oberspannungswicklungen so geschaltet, Schaltungen sind jedoch nur einphasig vorgesehen daß die geometrische Summe der gegeneinander und ergeben für gleichsinnige Anordnung mit Fluß- phasenverschobenen Flüsse im unbewickelten Schenaddition im Mittelschenkel einen doppelten Quer- kel, der jetzt als Rückschluß dient, auftritt. Steigert schnitt des Mittelschenkels gegenüber den Außen- man jetzt aber die Frequenz des Wechselrichterschenkeln, wenn gleiche Flußdichte wie in den Außen- 60 betriebes auf das ]/2-fache des Wechselstrombetriebes, schenkein erzielt werden soll. Falls der Mittelschenkel so kann man den Magnetkern mit drei völlig gleichen einen kleineren Querschnitt als die Summe der Schenkeln wie einen normalen Drehstromkern ausQuerschnitte der beiden Außenschenkel aufweisen soll, führen. Sofern die Frequenz des Wechselrichtermüssen betriebsmäßige Einschränkungen getroffen betriebes über das ]/2-fache der Frequenz des Wechselwerden. 65 Strombetriebes gesteigert wird, was ohne Schwierig-Now winding circuits on three-legged legs are used when operating the locomotives Transformers have been proposed in which 50 single-phase AC voltage switched so that the only the two outer legs carry windings and magnetic flux only through the wound legs in which the middle limb runs a smaller cross, while the unwound limb is free of flow cut as the sum of the cross sections of the two remains. When operating the locomotive on the direct current outer leg network only under certain conditions, d. H. in the case of inverter operation, these are for this owns (German Auslegeschrift 1 206 078). These 55 intended high-voltage windings are connected in such a way that However, circuits are only provided single-phase that the geometric sum of each other and result for an arrangement in the same direction with flow phase-shifted flows in the unwound Schenaddition in the middle leg there is a double cross-leg, which now serves as a return path. Increases cut of the middle leg opposite the outer one, but now the frequency of the inverter legs, if the same flux density as in external operation is 1/2 times that of alternating current operation, gift should not be achieved. If the middle leg is so, the magnetic core can be completely identical with three a smaller cross-section than the sum of the legs like a normal three-phase core made of cross-sections the two outer legs should have, lead. Unless the frequency of the inverter must operational restrictions imposed operation over] / 2 times the frequency of the change. 65 electricity operation is increased, which can be done without difficulty
Bei einem bekannten Transformator für Einphasen- keiten möglich ist, so kann man den Rückschluß-Wechselstromfahrzeuge kann der Querschnitt des schenkel erfindungsgemäß in seinem Querschnitt unbewickelten Mittelschenkels auf den gleichen Quer- gegenüber den bewickelten Schenkeln reduzieren, wasIn the case of a known transformer for single-phase phases, it is possible to use a short-circuit alternating current vehicle can the cross-section of the leg according to the invention in its cross-section Reduce the unwound middle leg to the same cross-section compared to the wrapped legs, what
einer zusätzlichen Gewichtsverringerung zugute kommt.an additional weight reduction benefits.
Die Erfindung ist in der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel dargestellt:The invention is shown in the drawing using an exemplary embodiment:
F i g. 1 zeigt schematisch einen ebenen dreischenkligen Kern mit den bewickelten Schenkeln 1 und 3 und dem unbewickelten Rückschlußschenkel 2. Der Schenkel 1 trägt die Wicklungen 4, 5 und 6, wobei z. B. die Wicklung 4 der Motorspeisung dient, die Wicklung 5 für die Einspeisung bei Wechselrichterbetrieb und die Wicklung 6 für den Anschluß an das Wechselstromfahrnetz vorgesehen ist. Entsprechendes gilt für die Wicklungen 4', 5', 6' des Schenkels 3. Der unbewickelte Schenkel 2 hat gegenüber den Schenkeln 1 und 3 einen reduzierten Querschnitt.F i g. 1 shows schematically a flat three-legged core with the wound legs 1 and 3 and the unwound back yoke leg 2. The leg 1 carries the windings 4, 5 and 6, with z. B. the winding 4 is used for the motor supply, the winding 5 is provided for the feed in inverter operation and the winding 6 for connection to the AC power system. The same applies to the windings 4 ', 5', 6 'of the leg 3. The unwound leg 2 has a reduced cross-section compared to the legs 1 and 3.
In F i g. 2 sind für den Betrieb des Transformators am Wechselstromnetz die Zeiger der magnetischen Flüsse dargestellt. Der FIuBiP1 des Schenkels! ist ebenso groß wie der Fluß Φ3 des Schenkels 3 und mit diesem im Schenkel 2 in Gegenphase. Der Fluß Φ2 hat daher den Wert Null, d. h., der unbewickelte Schenkel 2 ist flußfrei.In Fig. 2 shows the pointers of the magnetic fluxes for the operation of the transformer on the alternating current network. The FIuBiP 1 of the thigh! is just as large as the flow Φ 3 of the leg 3 and with this in the leg 2 in phase opposition. The flow Φ 2 therefore has the value zero, that is, the unwound leg 2 is flow-free.
In F i g. 3 sind schließlich die beiden um 90° gegeneinander phasenverschobenen Flüsse Φχ und Φ3 bei Wechselrichterbetrieb als Zeiger dargestellt. Die geometrische Summe beider Flüsse ist gegenüber diesen auf das ]/2-fache erhöht und fließt als magnetischer Fluß Φ2 in dem unbewickelten Schenkel 2. Wird die Frequenz im Wechselrichterbetrieb voraussetzungsgemäß erhöht gegenüber dem Betrieb aus dem Wechselstromnetz, so kann der Querschnitt des Mittelschenkels ohne Sättigungserscheinungen im selben Verhältnis herabgesetzt werden.In Fig. 3, finally, the two fluxes Φ χ and Φ 3, which are phase-shifted by 90 ° with respect to one another, are shown as pointers during inverter operation. The geometric sum of the two flows is increased by 1/2 times compared to these and flows as magnetic flux Φ 2 in the unwound leg 2. If the frequency in inverter operation is increased compared to operation from the alternating current network, the cross-section of the center leg can be without Saturation phenomena are reduced in the same proportion.
Während die bewickelten Schenkel im Hinblick auf einen guten Füllfaktor in ihrem Querschnitt möglichst der Kreisform anzupassen sind, kann der unbewickelte Schenkel, da sein Querschnitt kleiner ist als der der bewickelten Schenkel, der Einfachheit und Billigkeit halber mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt ausgeführt sein.While the wrapped legs in terms of a good fill factor in their cross-section as possible are to be adapted to the circular shape, the unwound leg, since its cross-section is smaller than that of the wound legs, for the sake of simplicity and cheapness, with a square or rectangular cross-section be executed.
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