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Einphasentransformatorgruppe, insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge
Bei großen Transformatoren für regelbare Spannung und verhältnismäßig kleine Unterspannung
kann die Regelung auf einer erhöhten Spannung bis zum Betrag der Oberspannung vorteilhaft
sein, weil die Schalteinrichtung zwar für hohe Spannung, aber nur verhältnismäßig
kleine Stromstärken zu bemessen ist. Für die Spannungsänderung in engen Grenzen
kann die Oberspannungswicklung eines Transformators mit Anzapfungen versehen und
die Unterspannung durch Verschiebung der Oberspannung an diesen.- Anzapfungen verändert
werden. Für die Regelung in weiten Grenzen, wie sie beispielsweise bei Lokomotivtransformatoren
üblich ist, ist eine so einfache Regelung ausgeschlossen, weil die Fahrleitungsspannung,
die an der untersten Anzapfung erzeugbar sein müßte, an der obersten ein Vielfaches
derselben induzieren würde. Ebenso würden Abmessungen und Gewicht eines solchenTransformators
sehr groß.
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Viel besser werden die Verhältnisse, wenn die Umformung in zwei Stufen
erfolgt. Ein erster Transformator, der an der Oberspannung fest angeschlossen bleibt,
kann sekundär mit Anzapfungen versehen sein und über diese auf einen Transformator
mit festem übersetzungsverhältnis arbeiten. Damit nicht zwei Transformatoren mit
zusammen vier Wicklungen je für volle Leistungen nötig sind, können beide mit Sparschaltung
ausgeführt werden. Um eine möglichst geringe Größe des ersten Transformators zu
erhalten, wird der Höchstbetrag der veränderlichen Spannung zweckmäßig gleich der
Oberspannung
gewählt. Trotzdem muß der erste Transformator mindestens
die halbe Leistung und der zweite die volle Leistung des Sekundärnetzes abgeben
können. Ein weiterer Nachteil be-°,-steht darin, daß die Obersp,annungswicklüü&..
mit ebenso vielen Anzapfungen versehen ,ist;: als Spannungsstufen verlangt werden,
weriri , nicht eine Zusatzeinrichtung zur Stufenvermehrung verwendet werden soll.
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Die Erfindung, die sich auf Einphasentransformatorgruppen für im wesentlichen
gleichbleibende Oberspannung und in weiten Grenzen veränderliche Unterspannung,
insbesondere für elektrische Triebfahrzeuge, bezieht, stellt eine neue Lösung der
Aufgabe dar. Sie besteht darin, daß die Gruppe mindestens drei Leistungstransformatoren
enthält: einen an der Oberspannung angeschlossenen Transformator in Sparschaltung
mit Anzapfungen und mindestens zwei gleichartige Traxfsformatoren ohne Anzapfun&en,
deren Oberspannungswicklungen mit je einem Ende am Transformator mit Anzapfungen
fest angeschlossen und mit dem anderen Ende den Anzapfungen entlang schaltbar sind,
deren Niederspannungswicklungen dagegen unter sich in Reihe liegen. Diese zwei oder
mehr Transformatoren geben zusammen die im Unterspannungsnetz benötigte Leistung
ab.
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Die durch den ersten Transformator im Höchstfall umzusetzende Leistung
P1 ist
wobei P die höchste Sekundärnetzleistung und .n die Zahl der gleichartigen Transformatoren
mit der höchsten Einzelleistung
bedeutet. Die Zahl der erforderlichen Anzapfungen a ist
wobei S gleich der Anzahl Stufen ist.
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Die Vorteile der neuen Schaltung gegenüber einer bekannten Schaltung
mit nur zwei Transformatoren sind folgende: Der Transformator mit Anzapfungen ist
nur noch für höchstens i/4 der Triebmotorenleistung statt für die halbe Leistung
zu bauen. Bei der untersten, der mittleren und der obersten Spannung ist die Leistung
dieses Transformatars nahezu Null. Die zwei Transformatoren gleicher Leistung sind
genau gleich, sie lassen sich daher leicht zusammenbauen. Durch Sonderschaltungen
wird eine besonders einfache und stetige Steuerung und stets annähernd gleiche Leistung
beider Transformatoren ermöglicht. Durch Vermeidung der Gegenschaltung werden die
Verluste auf den unteren Fahrstufen, besonders die Laerlaufverluste (Eisenverluste),
beträchtlich vermindert.
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'Die Gleichheit der beiden Transformatoren bezieht sich zunächst auf
die Rechnungsgrößen: Spannung, Stromstärke und damit Eisenquerschnitt, Windungszahlen.
Daraus ergeben sich verschiedene Möglichkeiten für die bauliche Ausführung: a) zwei
mechanisch getrennte, genau gleiche Transformatoren, zwei genau gleiche Transformatoren
in gemeinsamem Ölkessel, c) gemeinsames Eisengestell, nur die Wicklungen getrennt.
Für Triebwagen, wo große zusammengedrängte Gewichte ganz unerwünscht sind, wird
a) die willkommene Lösung darstellen. Bei Lokomotiven dagegen, wo es meist zulässig
ist, das gesamte Transformatorengewicht zu konzentrieren, wird man meist die Lösung
c) vorziehen. Gegenüber jener bekannten Schaltung mit zwei Transformatoren hat man
dann der Vorteil baulich viel einfacherer Trans.f ormatoren. Die dort vorhandene
Schwierigkeit, die Wicklung mit veränderlich angeschlossener Windungszahl und veränderlicher
Stromstärke einerseits mit der Wicklung mit gleichbleibender Windungszahl und gleichbleibendem
Sitnom anderseits so zu kombinieren, daß die Spannungen und Kurzschlußkräfte ,nicht
zu groß werden, ist durch die vorliegende Lösung überwunden.
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Die Wirkung der neuen Kombination der Transformatoren wird am besten
an einem Beispiel klar. Für den Fall eines Lokomotivtransformators werden die günstigsten
Verhältnisse mit n = 2 wohl erreicht, und erst noch größere Leistungen lassen n
> 2 zweckmäßig erscheinen. Deshalb sei für das an Hand der beiliegenden Zeichnung
dargestellte Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes der einfachste Fall
mit iz = 2 gewählt. Fig. i und 2 zeigen das Prinzipschema in zwei verschiedenen
Ausführungen. Der Transformator i ist an der Fahrleitung 4 angeschlossen und speist
über seine Anzapfungen 5 bis i o die zwei Transformatoren 2 und 3. Der Triebmotor
i i wird von diesen zwei Transformatoren gespeist. Die Spannungserhöhung am Triebmotor
tritt durch Anschluß der Transformatoren in folgender Weise ein. Der Anschluß 12
wandert von Anzapfung 5 nach i o, während der Anschluß 13 auf der Anzapfung 5 verharrt.
Nachdem der Anschluß 12 die Anzapfung i o erreicht hat, steigt der Anschluß 13 von
Anzapfung 5 bis i o. Jetzt ist die hdchste Fahrstufe erreicht. Diese Anordnung ergibt
elf Fahrstufen. Auf der ersten und sechsten Fahrstufe ist die Leistung des Transformators
i nahezu und auf der elften ganz Null.
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In Fig. 3 sind die Leistungen L über den Fahrstufen I bis KI gezeigt.
14 sei die vom Motor aufgenommene Leistung, dann ist 15 die Leistung des Transformators
3, 15-i4 diejenige des Transformators 2, 16 diejenige von Transformator i. Ohne
Aufteilung des
die Motoren speisenden Transformators wäre die Leistung
des Transformators i durch die Kennlinie 17 darzustellen, die die Höhe
erreicht.
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Die in der Ausführung Fig. 2 gezeigte Vereinigung der Wicklungen zur
Sparschaltung ändert am Wesen der Erfindung nichts.
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Mit der neuen Schaltung wird nicht nur die Zahl der Anzapfungen rund
halbiert, sondern der ganze Schaltapparat wesentlich vereinfacht, indem die Schaltelementzahl
nur gleich der Anzapfungszahl zuzüglich etwa drei Umschaltelemente sein muß, statt
gleich der Stufenzahl. Diese Vereinfachung wird besonders fühlbar bei den für Großlokomotiven
üblichen Stufenzahlen.
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Bei ziemlich großer Stufenzahl kann die Benutzung nur eines Stufenschalters
für beide Transformatoren zweckmäßig sein. Durch einen besonderen Umschalter wird
zuerst der Anschluß 13 mit der Anzapfung 5 verbunden, wogegen der Anschluß 12 durch
einen Schalter stufenweise über die Anschlüsse 5 bis, io geführt wird. Nach Erreichung
des letzten Anschlusses verbindet der Umschalter den Anschluß 12 mit dem Anschluß
i o und den Anschluß 13 mit dem Stufenschalter, um, wie vorher den Anschluß 12,
nacheinander an die Anzapfungen 5 bis i o. angeschlossen zu werden.
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Für Lokomotiven, die häufig auf den unteren Fahrstufen zu arbeiten
haben, beispielsweise beim Verschiebedienst, wird zweckmäßig der Transformator,
der noch auf der untersten Spannung, verharrt, an der Spannung Null gehalten und
sekundärseitig kurzgeschlossen, bis er mitarbeiten muß. Damit werden seine Kupferverluste
auf Null gebracht. Ein weiterer Vorteil der Aufteilung besteht darin, daß die äußere
Form der Transformatorgruppe freier wählbar ist. Zum Zweck guter Gewicbtsverteilung
in Lokomotiven sind die drei Einzeltransformatoren räumlich getrennt aufstellbar.
Um das Mindestmaß an Gewicht und Raum zu erhalten, kann anderseits das Aggregat
in einem gemeinsamen Ölkessel vereinigt werden.