»"* % SLIOTEKA* Urzedu Patentowego fillto|tomiwiilWtifcwi POLSKIEJ RZECZYPOSPOLITEJ LUDOWEJ OPIS PATENTOWY Opublikowano dnia 3 listopada 1958 r.Nr 40699 KI. 20 i9 12 VEB Werk £ur Signal-und Sicherungstechnik Berlin Berlin-Treptow Niemiecka Republika Demokratyczna Uklad polqczen statycznych przetworników czestotliwosci Patent trwa od dnia 28 pazdziernka 1955 r.Wynalazek dotyczy ukladu polaczen statycz¬ nych przetworników czestotliwosci, które posia¬ daja dlawiki z podmagnesowanymi rdzeniami i wykazuja szczególne zalety w teletechnice, a zwlaszcza w kolejowych urzadzeniach bezpieczen¬ stwa. Takie przetworniki maja zastosowanie do najrozmaitszych celów sterowania a miedzy inny¬ mi równiez np. w dziedzinie bezpieczenstwa i sy¬ gnalizacji kolejowej w tak zwanych ukladach zgla¬ szania wolnych lub zajetych torów w celu nadzo¬ ru aktualnego stanu ruchu na odcinku. Zazwyczaj przy tym jeden z dwóch torów, ulozonych na pod¬ kladach drewnianych, jest odizolowany od odcin¬ ka, np. przez dwa zlacza izolocyjne i ten izolowa¬ ny odcinek jest przylaczony do napiecia zmienne¬ go o mniejszej amplitudzie. Najlepiej mozna kon¬ trolowac stan toru za pomoca przekaznika na prad ciagly. Skoro tylko pierwsza os wjedzie na izolo¬ wany odcinek obwód zostaje zwarty, a przekaznik rozmagnesowany, jak to uwidoczniono w schema¬ cie ideowym na fig 1.Przy trakcji elektrycznej wystepuja szczególnie trudnosci izolowania odcinka, gdyz prad trakcyj¬ ny jest odprowadzany przez szyny lub przez zie¬ mie. Przy pradzie trakcyjnym o czestotliwosci 16 2/3 Hz zachodzi obawa wystapienia zaklócen wfr wolanych przez stosunkowo duza* trzecia harmo¬ niczna i to w takim stopniu, ze jak wiadomo, ko¬ nieczne bylo przejscie w ukladach zabezpieczaja¬ cych z pradu zmiennego o czestotliwosci 50 Hz na prad zmienny 100 Hz.' Prad zmienny o czestotliwos¬ ci 100 Hz mozna otrzymac w najrozmaitszy sposób.Ze wzgledu na mozliwie absolutna pewnosc ruchu, ograniczony dozór (personel niefachowy), trwala gotowosc ruchu, surowe warunki pracy itd., co ma miejsce szczególnie w dziedzinie zabezpieczenia ruchu pociagów nie nadaja sie do tego celu przet¬ worniki obrotowe, które wymagaja specjalnego do¬ zoru przy ruchu ciaglym. Podobnie przedstawia sie sprawa przy zastosowaniu lamp elektronowych i prostowników suchych.Wynalazek pozwala uniknac tych niedogodnosci w ten sposób, ze w urzadzeniach sluzacych do omówionego wyzej celu odrzucono wszystkie czes¬ ci podlegajace uszkodzeniu w surowych warun¬ kach ruchu i wymagajace dozoru, w szczególnosci czesci obrotowe lub ruchome. Inna zaleta przetwor¬ nika czestotliwosci wedlug wynalazku jes£stosun-;r kowo maly wymiar, mniejsze koszty inwestycyjne i wieksza sprawnosc w porównaniu do znanych urzadzen.Wedlucp wynalazku usunieto przy tym wade ja¬ ka maja znane statyczne przetworniki czestotliwos¬ ci z podmagnesowanymi dlawikami, polegajaca na znacznej zaleznosci rozporzadzalnego napiecia od obciazenia. Osiaga sie to w ten sposób, ze opór indukcyjny zmieniajacy sie znacznie przy obciaze¬ niu jest skompensowany przez odpowiedni opór pojemnosciowy i w ten sposób lagodzi sie znacznie zaleznosc napiecia od obciazenia. Znaczna zalez¬ nosc od obciazenia w przetwornikach magnetycz¬ nych jest w zasadzie spowodowana duzym opo¬ rem indukcyjnym nasyconych rdzeni "zelaznych, uzywanych do podwajania czestotliwosci. Gdy jed¬ nak zródlo pradu chociaz w przyblizeniu, nie mo¬ ze dac stalego napiecia dla przylaczonych odbior¬ ników, to takie zródlo pradu nie nadaje sie do -zadnych urzadzen zabezpieczajacych, a zwlaszcza w kolejnictwie.Wszystkie wspomniane zalety sprawiaja, ze przetwornik wedlug wynalazku nadaje sie szcze¬ gólnie do spelnienia postawionego zadania. Wed¬ lug innej cechy wynalazku czlon kompensacyjny (pojemnosciowy) jest,wlaczony w obwód wtórny i w szereg z odbiornikiem, jak przedstawiono na fig. 7. Dzieki polaczeniu szeregowemu uzyskuje sie pewnosc, ze dzialanie wspomnianego czlona do¬ datkowego jest tym skuteczniejsze, im wiekszy jest prad odbiornika plynacy przez indukcyjnosc i pojemnosc. W innych okreslonych przypadkach o pozadanej zaleznosci od obciazenia stosuje sie równiez inne uklady czlonów kompensacyjnych, jak przedstawiono przykladowo na fig. 8, gdzie od¬ powiednio jest dobrany stosunek C : C$.Optymalna wielkosc potrzebnego czlona kom¬ pensacyjnego w ukladzie wedlug fig. 7 (uklad sze¬ regowy) otrzymuje sie biorac pod uwage iloraz na¬ piecia biegu jalowego przez natezenie pradu zwarcia, wyrazajacy dla danego, podmagnesowania pewna reaktancje, która powinna byc równa opo¬ rowi biernemu (1 : Wcs) pojemnosciowego czlona kompensacyjnego. Krzywe rezonansowe sa stosun¬ kowo szerokie. Wobec tego w przypadku ukladów kompensacyjnych wystepuja podobne efekty w ca¬ lym wlasciwym zakresie rezonansowym przy dosc znacznie rózniacych sie wartosciach C. Ksztalt krzywej otrzymanej czestotliwosci 100 Hz jest bar¬ dzo zblizony do sinusoidy jezeli stosuje sie zela¬ zo o sredniej lub malej przenikliwosci, natomiast zelazo specjalne o duzej przenikliwosci daje stro¬ me boki i przejscia przez zero (fig. 4).Dzialanie przetwornika wedlug wynalazku jest opisane ponizej: Przetwornik zasila sie z sieci o crestotliwosci 50 Hz o napieciu 220 V. Zaleznie od wielkosci obslugiwanych odcinków oraz od liczby zasilanych przekazników torowych, nalezacych do izolowanych odcinków ustawia sie w nastawni lub innym pomieszczniu jeden lub kilka przetworni¬ ków. Doprowadzania pradu do toru odbywa sie najlepiej równiez przy napieciu 220 V i czestotli¬ wosci 100 Hz. Transformacja na hiz,sze napiecie ro¬ bocze odbywa sie bezposrednio na torze, W celu dopasowania do zmiennego oporu obciazenia wtór¬ ne uzwojenie.,zasilajace jest regulowane.Uklad przetwornika jest przykladowo przedsta¬ wiony na rysunku. Podwajanie czestotliwosci od¬ bywa sie przez wymuszone magnesowanie pod- magnesowanych dlawików zelaznych lacznie z ukladem Scotta dla uzyskania symetrycznego roz¬ kladu obciazenia na trójfazowa siec 50 Hz.W ogólnym przypadku najlepsze dzialanie uzysku¬ je sie w ukladzie wedlug fig. 2. Dwie magnetycz¬ nie od siebie, niezalezne cewki dlawikowe z zelaz¬ nym rdzeniem, wykonane jednakowo pod wzgle¬ dem uzwojenia i obwodu magnetycznego sa pola¬ czone w szereg. Podczas przeplywu pradu stalego powstaja w obu dlawikach, o jednakowym kierun¬ ku nawiniecia strumienie o tym samym kierunku.Nalozone uzwojenia pradu zmiennego sa jednak nawiniete w kierunkach przeciwnych, tak, iz dzia¬ lanie podmagnesowania w obu cewkach przewo¬ dzacych prad zmienny sa przeciwne. W pewnym punkcie roboczym charakterystyki magnesowania zastosowanego zelaza, na poczatku obszaru nasy¬ cenia, strumienie magnetyczne pradu stalego i pra¬ du zmiennego w poszczególnych rdzeniach w jed¬ nym dodaja sie a w drugim odejmuja.Fig. 3 przedstawia uklad dwóch dlawików A i B.Przebiegi fizyczne opisano ponizej: Gdy wzbudza sie cewki WiAa i wi/$ napieciem elt to w uzwo¬ jeniach wystepuje w2Aa i w2a|J napiecie e2A = = e2Aa ^~ e2A0 Ja^° napiecie o czestotliwosci 100 Hz, jak uwidoczniono na fig. 4. Gdy cewki wlfia i wibP sa zasilane pobieranym z transformatora Scotta napieciem )e\, równym co do wielkosci, lecz przesunietym w fazie o 90°, to wystepuja w nich takie same zjawiska, jezeli dlawik B jest rozwa¬ zany oddzielnie. W uzwojeniu pradu stalego i w uzwojeniu wtórnym sa wiec indukowane równiez napiecia o czestotliwosci 100 Hz, o podobnym ksztalcie krzywej, jak w dlawiku A Przesuniecie fazowe o 90° powoduje dla napiec o podwójnej czestotliwosci indukowanych w uzwojeniu pradu stalego, i w uzwojeniu wtórnym podwójne przesu- — 2 —niecle fazowe wzgledem napiec wzbudzonych w odpowiednich uzwojeniach dlawika. Gdy uzwoje¬ nia pradu stalego, jak przedstawiono na fig. 3, sa polaczone w szereg, to napiecia indukowane musza sie skompensowac do zera, co jest pozadane aby uniknac w obwodzie pradu stalego dlawików, któ¬ re w przeciwnym razie bylyby potrzebne dla stlu¬ mienia pradów parzystych harmonicznych. Aby móc odbierac na stronie wtórnej pozadane napie¬ cia o czestotliwosci 100 Hz kierunek zwojów uzwo¬ jenia wtórnego w Ukladzie dlawikowym B powi¬ nien byc odwrotny niz w ukladzie A. Wskutek te¬ go obydwa napiecia otrzymane w ukladach dlawi¬ kowych A i B sa w fazie i moga byc laczone rów¬ nolegle lub szeregowo, jak przedstawiono na ry¬ sunku.Ostateczne napiecie wypadkowe e^ = e2A — (— e$B) = e2A + e2Bt gdy we wszystkich czterech cewkach dlawikowych sa zachowane jednakowe uzwojenia i warunki magnetyczne, ma taki sam ksztalt jak napiecie ea2_e|l2» przedstawione na fig. 4, lecz o wiekszej amplitudzie. Wspomniany transformator Scotta moze byc wlaczony badz przed dwoma ukladami dlawikowymi, badz tez mo¬ ze byc przeniesiony; do ukladu dlawików podma- gnesowanych. Dlawik B stanowi dzielnik napiecia dla dlawika A. Napiecie to powinno czynic zadosc warunków transformatora tzn. powinna byc zacho¬ wana równosc EiA = y—-# EiB, jak przedstawio¬ no na fig. 5. Uklad wedlug fig. 5 moze byc rów¬ niez zmieniony tak, jak na fig. 6.Wreszcie na fig. 9 przedstawiono charakterystyki ukladu kompensacyjnego wedlug fig. 7 dla kon¬ densatorów szeregowych Cg = 10, 20 i 30 |x F. Wy¬ nik potwierdza równiez i w tym przypadku rezul¬ tat rozwazania analitycznego. Przy biegu jalowym wartosci powinny byc te same, jak przy Cg = O, gdyz pojemnosc nie jest jeszcze czynna. W miare wzrostu obciazenia dzialanie kondensatora jest sil¬ niejsze i kompensacja osiaga optimum przy ob¬ ciazeniu takim, ze przy ruchu bez kompensacji plynalby prad zwarcia /2k, gdyz pojemnosc Cg jest tak dobranat ze zachodzi równanie Xi = ««J=—— 12k G)CB Gdy obciazenie wzrosnie jeszcze wiecej, to kom¬ pensacja staje sie niekorzystna, tzn. spadek na¬ piecia jest bardziej strony. Prad zwarcia osiaga wartosc okolo dwa razy wieksza niz bez kompen¬ sacji. Gdy nie jest spelnione równanie przyblizone do ustalenia wymiarów pojemnosci szeregowej, tzn. gdy Gg jest wieksze lub mniejsze, to otrzymu¬ je sie przewidziane pogorszenie jak widac na fig. 9.Podobnie jak w przypadku charakterystyki ob¬ ciazenia przetwornika nieskompensowanego jest mozliwe oddzialywanie na charakterystyke napie¬ ciowa przetwornika czestotliwosci przez zmiane podmagnesowania pradem stalym. To samo doty¬ czy skompensowanego przetwornika czestotliwosci.W miare wzrostu podmagnesowania otrzymuje sie stale polepszenie charakterystyki napieciowej.Przyczyna tego lezy w zmiejszeniu indukcyjnosci wewnetrznej Xi przez podmagnesowanie. Odpo¬ wiednio do tego spadek napiecia powinien byc mniejszy przy wiekszym podmagnesowaniu. Po wejsciu na obszar nasycenia polepszenie przebie¬ gu napiecia jest mozliwe tylko przy znacznym zu¬ zyciu mocy pradu stalego, gdyz zmniejszenie in¬ dukcyjnosci Xi za pomoca oddzialywania na wlas¬ nosci zelaza jest ograniczone.Zaleta kompensacji uwydatnia sie nie tylko pod wzgledem zaleznosci obciazenia napiecia wtórne¬ go, lecz równiez pod wzgledem sprawnosci i wspól¬ czynnika mocy po stronie pierwotnej.Zdjecia oscylograficzne wplywu pojemnosci kompensacyjnej wykazuja, ze wskutek dzialania zasobnikowego kondensatora, (dzialanie to wzrasta wraz z obciazeniem) i wskutek wspóldzialania na¬ piec czesciowych otrzymuje sie przebieg napiecia» który sam jest juz napieciem o czestotliwosci 100 Hz. Pojemnosc oddaje moc dla napiec czesciowych w chwilach, w których ze wzgledu na nasycenie zelaza nie biora one zadnego udzialu. Zjawisko to uwydatnia sie w powiekszeniu drugiej i czwartej harmonicznej napiec czesciowych i przez to po¬ wiekszenie napiecia wtórnego. Ten wzrost przebie¬ ga stale i jest ograniczony tylko przez dodatkowe nasycenie zelaza. Zwiekszenie A przez dzialanie zasobnikowe pojemnosci musi byc z koniecznosci wieksze niz spadek napiecia ^/coC^ na pojemnosci, poniewaz wtedy nie jest wcale wywierany wplyw na napiecie odbiornika. Napiecie U2 opada stromo dopiero wtedy, gdy ten warunek nie jest spelnio¬ ny biorac pod uwage dodawanie geometryczne.Wartosc kondensatora jest bardzo zalezna od podmagnesowania. Aby osiagnac dogodne warun¬ ki ekonomiczne, podmagnesowanie i pojemnosc musza byc tak do siebie dopasowane, zeby byly dostosowane do aktualnych wymagan ruchu. Szcze¬ gólna uwage nalezy zwrócic na budowe rdzenia zelaznego. Aby uzyskac optymalne warunki eko¬ nomiczne nalezy dazyc przynajmniej w przyblize¬ niu do korzystnego obliczenia wymiarów. W wy¬ konaniu konstrukcyjnym nalezy szczególnie prze¬ strzegac znanych zasad budowy transformatorów chcac uniknac ekonomicznie niedopuszczalnych -3 —skladowych strat wynikajacych z duzej indukcyj- nosci i wiekszej czestotliwosci. Dla strony pierwot¬ nej przetwornika nalezy rozwazyc znieksztalcenie pradów pierwotnych. Gdy przetwornik jest przy¬ laczony do sieci o duzych oporach wewnetrznych, znieksztalcenia pradu, zwlaszcza w przypadku przetworników czestotliwosci wiekszych wymia¬ rów powoduja oddzialywanie na ksztalt napiecia.Przez wlaczenie trójfazowego obwodu rezonanso¬ wego polaczonego w Tjwiazde i nastrojonego na trzecia harmoniczna mozna nie dopuscic harmo¬ nicznych do sieci zasilajacej. Pojemnosc rezonan¬ sowa tego obwodu mozna tym obliczyc tak, aby kompensowala przesuniecie fazowe na stronie pierwotnej, tzn. sprawila polepszenie spólczynnika mocy. Mozna postapic w ten sposób, ze wychodzac z mocy biernej pobieranej przez przetwornik czes¬ totliwosci przy okreslonym podmagnesowaniu na faze wedlug C = NBph/(UL2C0 oblicza sie pojemnosc potrzebna do przesuniecia fazowego, przy czym wobec ukladu gwiazdkowego nalezy wziac pod uwage dla napiecia U napiecie fazowe. Wychodzac z tej pojemnosci oblicza sie nastepnie ze wzoru to' V- indukcyjnosc L obwodu rezonansowego, którego obciazenie wynika z procentowego udzialu trzeciej harmonicznej w pradzie pierwotnym.Uklad polaczen w przypadku zaniechania sy¬ metrii obciazenia upraszcza sie, wtedy jednak na¬ lezy wlaczyc dlawik blokujacy w obwodzie pradu stalego, nie ma bowiem kompensacji dla napiec o czestotliwosci 100 Hz indukowanych w obwodzie pradu stalego przez uklady dlawikowe A i B. PL