SK288212B6 - Obvodové a konštrukčné riešenie trakčného vozidlového transformátora pre elektrické rušne - Google Patents

Abstract

Obvodové a konštrukčné riešenie trakčného vozidlového transformátora pre elektrické rušne, kde trakčný vozidlový transformátor (110), umiestnený v nádobe (170), obsahuje vlastné vyhotovenie magnetického obvodu (120), je vybavený vstupným vinutím (130), motorovými vinutiami (140, 141) a terciálnym vinutím (160), kde rozloženie a usporiadanie vinutí transformátora (110) je na oboch stĺpoch (126, 127) magnetického obvodu (120) ako striedavé vinutie a vstupné vinutie (130) je rozdelené na tri sekcie primárnych vinutí (131, 132, 133), pričom vozidlový transformátor (110) je umiestnený v nádobe (170) tak, že pozdĺžna os magnetického obvodu (171) je rovnobežná s pozdĺžnou osou (172) rušňa (100) a pozdĺžnou osou bloku tlmiviek (173) a kde závity (145) sekcií cievok (142, 143) motorových vinutí (140, 141) sú vybavené medzizávitovou izoláciou (150). Magnetický obvod (120) je jednofázový, jadrového typu, s obdĺžnikovým prierezom jadra (121), zložený z orientovaných transformátorových plechov (122, 123) dvoch rozdielnych dĺžok, so šikmými strihmi v styku v rohoch (124) a navzájom sa prelínajúcich v dvoch po sebe nasledujúcich vrstvách, pričom plechy (122, 123) v stykových miestach v rohu (124) obsahujú pomocné otvory (125) slúžiace na skladanie bez prídavných vzduchových medzier a prekríženia plechov v tej istej vrstve.

Description

Oblasť techniky

Technické riešenie sa týka obvodového a konštrukčného riešenia aktívnych časti a priestorového umiestnenia trakčného vozidlového transformátora požadovaného na realizáciu prestavby jednosystémových elektrických rušňov na dvoj systémové rušne.

Doterajší stav techniky

Pre elektrifikované železničné trate ako západnej, tak východnej Európy je charakteristické, že v nich prevažuje jednofázový striedavý trakčný systém AC 25 kV, 50 (60) Hz, alebo 15 kV, 16,7 Hz nad jednosmerným systémom DC 3000 V a 1500 V. Zvyšovanie prepravných rýchlostí vlakov vyžaduje disponovať elektrickými rušňami s vyššími trvalými trakčnými výkonmi. Zvyšovanie trakčných výkonov rušňov na tratiach elektrifikovaných DC systémom 3000 V je okrem iného obmedzené maximálnou veľkosťou trakčného prúdu na prechode trolejový drôt - zberač, ktorý nie je možné bez obmedzenia zvyšovať. Z tohto dôvodu sa nové moderné a vysokorýchlostné trate elektrifikujú jednofázovou AC sústavou a pri starších tratiach elektrifikovaných DC sústavou sa prestavujú na AC sústavu. Podobná situácia je aj v SR, kedy v roku 2005 bolo rozhodnuté o postupnej výmene DC trakčného systému za jednofázový AC systém 25 kV, 50 Hz. Postupná prestavba DC trakčného systému na AC systém vyžaduje, aby jednosystémové elektrické rušne zabezpečujúce vozbu vlakov na DC systéme vzhľadom na celkový svoj technický stav a zostatkovú hodnotu, boli prestavané na dvojsystémové. Táto prestavba je v prvom rade aktuálna pre rušne r. 163 a r. 162, ktoré doposiaľ uskutočňujú prepravu prevažne osobných vlakov a rýchlikov na tratiach elektrifikovaných trakčnou sústavou 3 kV DC. Technická stránka prestavby je principiálne v prvom rade podmienená doplnením týchto vozidiel o trakčný vozidlový transformátor, ktorý z hľadiska svojich mechanických rozmerov a hmotnosti predstavuje rozhodujúci komponent elektrickej výzbroje rušňa. Z hľadiska vyhotovenia chladiaceho média je trakčný vozidlový transformátor takmer výlučne s kvapalinovým - olejovým chladením a nútenou cirkuláciou oleja, ktorý je ochladzovaný v samostatných chladičoch ofúkovaných vzduchom generovaným ventilátormi umiestnenými v skrini rušňa. Určenie základných geometrických rozmerov transformátora, elektromagnetický a tepelný návrh a konštrukčné riešenie trakčného transformátora je ovplyvnené celým radom požiadaviek elektrického, mechanického a ekonomického charakteru. Žiadna z požiadaviek nemôže byť riešená samostatne, ale v súvzťažnosti s ostatnými požiadavkami.

Elektrické požiadavky vyplývajú bezprostredne zo spolupráce sústavy trakčný vozidlový transformátor - diódový usmerňovač, z ktorej plynú požiadavky na hodnotu napätia nakrátko transformátora. Absolútna hodnota napätia nakrátko transformátora je závislá od typu použitého usmerňovača, ktorý je determinovaný druhom prenosu trakčného výkonu trakčnými motormi a požiadavkou na rekuperáciu brzdnej energie. V rušňoch používajúcich jednosmerné trakčné motory absolútna hodnota napätia nakrátko medzi vstupným a výstupnými motorovými vinutiami sa obvykle pohybuje v intervale 10 až 12 %. Pri prenosoch výkonu rušňov osadených asynchrónnymi trakčnými motormi hodnota napätia nakrátko dosahuje 35 až 45 %. Takéto rozdielne hodnoty napätia nakrátko je možno dosahovať takmer výlučne osobitnými a navzájom rozdielnymi usporiadaniami jednotlivých vinutí na jadre transformátora. Predpokladané zvýšenie trakčného výkonu prestavovaných rušňov s ponechaním diódových usmerňovačov a jednosmernými trakčnými motormi však vyžaduje znížiť hodnotu napätia nakrátko pod uvedenú hodnotu 10 %, čo vyžaduje odlišné usporiadanie vinutí transformátora oproti doteraz použitým usporiadaniam v dvoj systémových rušňoch.

Trakčné vozidlové transformátory sú napájané napätím z trakčného vedenia, pre ktoré je charakteristická značná tolerancia od menovitej hodnoty 25 kV. Horná odchýlka od menovitej hodnoty napájacieho napätia v trakčnom vedení v AC systéme vyžaduje také dimenzovanie magnetického obvodu transformátora, aby bolo zabezpečené, že ani pri medznom krátkodobom maximálnom napätí v trakčnom vedení, ktoré môže dosahovať hodnotu 29 kV, nedôjde k presýteniu magnetického obvodu, ktoré sa prejaví ako zvýšeným prúdom naprázdno, tak predovšetkým nadmerným hlukom magnetického obvodu. Prúd naprázdno je vektorovým súčtom magnetizačného prúdu a prúdu pokrývajúceho straty v plechoch (železe) magnetického obvodu. Z hľadiska absolútnej hodnoty prúdu naprázdno je rozhodujúcou zložka magnetizačného prúdu, ktorá je závislá od amplitúdy magnetickej indukcie v magnetickom obvode a od tvaru styku plechov jarma a spojok (tupý styk, preplátovaný styk a pod.) a od veľkosti parazitných vzduchových medzier na týchto stykoch. V súčasnosti používané jedno- a dvojsystémové rušne sú vystrojené transformátormi, ktorých je magnetický obvod vyhotovený s plechmi skladanými zásadne s kolmými (90°) preplátovanými stykmi.

Trakčný vozidlový transformátor napája cez diódové usmerňovače a kotvové impulzné meniče dve skupiny jednosmerných trakčných motorov s cudzím budením, pričom každá skupina pozostáva z dvoch do série zapojených trakčných motorov. Dosiahnutie požadovaného trvalého trakčného výkonu trakčných motorov s hodnotou 800 kW a pri napätí motorov 1500 V sú prúdy sekundárnych vinutí nad 1000 A. Takéto hodnoty prúdov vyžadujú zodpovedajúce riešenie vyhotovenia vinutia a jednotlivých závitov s požadovaným priere2

SK 288212 Β6 zom, systém ich medzizávitovej izolácie s primerane intenzívnym chladením jednotlivých závitov. Trakčné transformátory použité v dvojsystémových vozidlách r. 361 a r. 362 mali systém medzizávitovej izolácie vytvorený veľkým počtom izolačných dištancov, ktoré boli k jednotlivým závitom prinitované nemagnetickými a elektricky nevodivými nitmi cez prídavné otvory vo jednotlivých závitoch, čím dochádzalo k lokálnemu zníženiu celkového prierezu sekundárnych vodičov. Ďalším nedostatkom takéhoto vyhotovenia medzizávitovej izolácie je vysoká časová spotreba jej zhotovenia.

Doterajšie riešenie priestorového usporiadania trakčného vozidlového transformátora v dvojsystémových rušňoch r. 361 a r. 362 sa vyznačovalo tým, že vozidlový transformátor bol uložený v jednom spoločnom ráme s blokom tlmiviek. Predmetný blok tlmiviek svojimi rozmermi a hmotnosťou predstavuje takmer polovicu hmotnosti vozidlového transformátora a v ráme rušňa je umiestnený je tak, že jeho pozdĺžna os je rovnobežná s pozdĺžnou osou rušňa a naopak vozidlový transformátor svojou pozdĺžnou osou je umiestnený kolmo na blok tlmiviek. Takéto priestorové rozmiestnenie vozidlového transformátora neumožňuje akékoľvek zvyšovanie jeho typového výkonu, s ktorým prestavba jednosystémového rušňa na dvojsystémový odôvodnene uvažuje.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje obvodové a konštrukčné riešenie a umiestnenie trakčného vozidlového transformátora pre elektrické rušne podľa vynálezu, ktorého podstatou je, že trakčný vozidlový transformátor umiestnený v nádobe, obsahuje vlastné vyhotovenie magnetického obvodu, je vybavený vstupným vinutím, výstupnými motorovými vinutiami a terciálnym vinutím, kde rozloženie a usporiadanie vinutí transformátora je na oboch stĺpoch magnetického obvodu ako striedavé vinutie a vstupné vinutie je rozdelené na sekcie primárnych vinutí, pričom vozidlový transformátor je umiestnený v nádobe tak, že pozdĺžna os magnetického obvodu je rovnobežná s pozdĺžnou osou rušňa a pozdĺžnou osou bloku tlmiviek a kde motorové vinutia závitov a cievok sú vybavené medzizávitovou izoláciou. Takto navrhnuté usporiadanie a rozloženie vstupného motorového vinutia a výstupných motorových vinutí zabezpečuje dosiahnutie požadovaných nižších hodnôt napätí nakrátko dvojíc vinutí.

Magnetický obvod je jednofázový, jadrového typu, s obdĺžnikovým prierezom jadra, zložený z orientovaných transformátorových plechov dvoch rozdielnych dĺžok, so šikmými strihmi v styku v rohoch a navzájom sa prelínajúcich v dvoch po sebe nasledujúcich vrstvách, pričom plechy v stykových miestach v rohu obsahujú pomocné otvory, slúžiace na skladanie bez prídavných vzduchových medzier a prekríženia plechov v tej istej vrstve.

Medzizávitová izolácia závitov výstupných motorových vinutí pozostáva z dielov vlnitej elektrotechnickej transformátorovej lepenky troch rozličných tvarov, upevnenej a vystredenej medzi jednotlivé závity dištančnými vložkami a sťahovacími stĺpikmi so zaisťovacími maticami, zabezpečujúcimi axiálne a radiálne zaistenie jednotlivých závitov, sekcií cievok vinutia, pričom terciálne vinutie kúrenia je umiestnené na koncoch jadra. Pozdĺžna os transformátora je rovnobežná s pozdĺžnou osou rušňa a pozdĺžnou osou bloku tlmiviek, čo umožňuje umiestniť v pôvodných rozmeroch rámu rušňa vozidlový transformátor s vyšším výkonom.

Projektovaný výstupný výkon vozidlového transformátora, veľkosť napätí motorových skupín a z toho vyplývajúce prúdy výstupných vinutí na jednej strane a požiadavka na obmedzenú celkovú hmotnosť vozidlového transformátora vyžaduje vyhotovenie výstupných (motorových) vinutí ako striedavé v tvare 1 - závitových doskových cievok. Prvou výhodou riešenia závitu cievky podľa technického riešenia je, že vonkajší a vnútorný obrys závitov majú odlišný tvar a jednotlivé závity sú vyhotovené vyrezávaním z elektrovodného hliníkového plechu laserovým lúčom. Druhým a podstatným prínosom podľa predmetného technického riešenia je spôsob vyhotovenia a rozmiestnenia medzizávitovej izolácie pozostávajúcej z dielov vlnitej elektrotechnickej transformátorovej lepenky, upevnenej medzi jednotlivé závity dištančnými vložkami, a sťahovacích stĺpikov s podložkami zabezpečujúcimi axiálne a radiálne zaistenie jednotlivých závitov sekcie vinutia. Rozdielne rozmiestnenie vložiek vlnitej lepenky má zabezpečiť usmernené prúdenie chladiaceho transformátorového oleja okolo jednotlivých závitov, a tým zabezpečiť vyššiu účinnosť chladenia vinutí.

Uvedený projektovaný typový výkon vozidlového transformátora a blok tlmiviek ktorý pozostáva z jednosystémového rušňa, nie je možno umiestniť do rámu rušňa spôsobom použitým pri rušňoch r. 362 a r. 363. Tento problém rieši technické riešenie umiestnenia podľa úžitkového vzoru takým spôsobom, že zvýšený výkon vozidlového transformátora sa zabezpečuje zvýšenou výškou okna magnetického obvodu transformátora a jeho umiestnením vo vodorovnej polohe tak, že pozdĺžna os transformátora je rovnobežná s pozdĺžnou osou rušňa, paralelne s pozdĺžnou osou bloku tlmiviek.

Jednosystémové elektrické rušne vhodné na prestavbu na dvoj systémové sú v súčasnosti zastúpené jednosystémovými elektrickými rušňami radu r. 163 a r. 162, ktoré v súčasnosti zabezpečujú vozbu osobných vlakov a rýchlikov na tratiach elektrifikovaných trakčným systémom DC 3 kV. Z týchto rušňov prestavané dvojsystémové rušne radu r. 361 budú schopné prepravovať vlaky aj na tratiach elektrifikovaných jednofázo3 vým AC trakčným systémom 25 kV, 50 Hz. Takto prestavané rušne implementáciou trakčného vozidlového transformátora podľa predmetného technického riešenia budú disponovať vyšším trakčným výkonom oproti výkonu v súčasnosti prevádzkovaných dvoj systémových rušňov r. 362 a r. 363 pri ponechaní pôvodných jednosmerných trakčných motorov s cudzím budením, podstatne zvýšeného výkonu pri prevádzke rušňov na tratiach elektrifikovaných AC trakčným systémom 25 kV, 50 Hz.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr. 1 - Pohľad na principiálne znázornenie dvoj systémového elektrického rušňa s miestom uloženia trakčného vozidlového transformátora.

Obr. 2 - Magnetický obvod trakčného vozidlového transformátora so šikmými strihmi, prelínaním plechov a montážnymi otvormi.

Obr. 3 - Schéma zapojenia jednotlivých vinutí trakčného vozidlového transformátora.

Obr.4 - Schematické znázornenie rozmiestnenia jednotlivých vinutí na jadre transformátora.

Obr. 5 - Schematické znázornenie tvaru a obrysov závitu motorovej cievky a medzizávitovej izolácie.

Obr. 6 - Schematické znázornenie motorových závitov s medzizávitovou transformátorovou vlnitou lepenkou, stiahnutou do sekcie cievky.

Obr. 7 - Schematické znázornenie umiestnenia trakčného vozidlového transformátora k pozdĺžnej osi rušňa a bloku tlmiviek.

Príklad uskutočnenia vynálezu

Na obr. 1 až 7 je znázornený konkrétny príklad realizovania vynálezu pri prestavbe jednosystémových 4-osových elektrických rušňov radu r. 163 a r. 162 na dvojsystémový rušeň radu r. 361 s typovým výkonom trakčného vozidlového transformátora 4900 kVA, pričom pridelené vzťahové značky sú určené na bližšie pochopenie podstaty technického riešenia.

Do rámu pôvodného jednosystémového elektrického rušňa 100 musí byť dosadený trakčný vozidlový transformátor 110. umiestnený v nádobe, ktorého magnetický obvod 120 je jednofázový, jadrového typu, s obdĺžnikovým prierezom jadra 121. zložený z orientovaných transformátorových plechov 122. 123 dvoch rozdielnych dĺžok, so šikmými strihmi v styku v rohoch 124 a navzájom sa prelínajúcich v dvoch po sebe nasledujúcich vrstvách. Plechy 122. 123 v stykových miestach v rohu 124 obsahujú pomocné otvory 125, slúžiace na zabezpečenie skladania bez prídavných vzduchových medzier a prekríženia plechov v tej istej vrstve. Rozloženie a usporiadanie vinutí transformátora je na oboch stĺpoch 126 a 127 magnetického obvodu 120 ako striedavé vinutia, v ktorých vstupné (primáme) vinutie 130 je na každom stĺpe rozdelené na tri sekcie primárnych vinutí 131, 132, 133, každá s rovnakým počtom závitov N1/3.

Motorové vinutia 140 a 141 sú vyhotovené ako sekcie cievok 142 s N2 a cievok 143 s N2/2 závitmi, rozmiestnené súmerne okolo primárnych sekcií vinutí 131, 132 a 133. Jednotlivé závity 145 cievok 142 a cievok 143 majú odlišný vonkajší 146 a vnútorný 147 obrys závitov a sú zhotovené vyrezávaním z elektrovodného hliníkového plechu laserovým lúčom. Medzizávitová izolácia závitov 150 pozostáva z dielov vlnitej elektrotechnickej transformátorovej lepenky s tromi rozličnými tvarmi 151, 152, 153, upevnenej a vystredenej medzi jednotlivé závity 145 dištančnými vložkami 154 a sťahovacími stĺpikmi 155 so zaisťovacími maticami 156 zabezpečujúcimi axiálne a radiálne zaistenie jednotlivých závitov 143 sekcií cievok 141 a 142 vinutia. Rozdielne rozmiestnenie vložiek vlnitej lepenky 151 až 154 má za cieľ zabezpečiť usmernené prúdenie chladiaceho transformátorového oleja okolo jednotlivých závitov, a tým zabezpečovať vyššiu účinnosť chladenia závitov 145 motorových vinutí 140 a 141.

Terciálne vinutie - vinutie kúrenia 160 ie rozmiestnené na koncoch jadra.

Trakčný vozidlový transformátor s magnetickým obvodom 120 je umiestnený v nádobe 170 tak, že pozdĺžna os magnetického obvodu 171 ie rovnobežná s pozdĺžnou osou 172 rušňa 100 a pozdĺžnou osou bloku tlmiviek 173.

Priemyselná využiteľnosť

Obvodové a konštrukčné riešenie umiestnenia trakčného vozidlového transformátora možno využívať na prestavbu jednosystémových elektrických rušňov radu r. 163 a r. 162 napájaných z trakčného systému 3 kV DC na dvojsystémové rušne r. 361 spôsobilé ťahať vlaky aj na tratiach elektrifikovaných jednofázovým 1AC trakčným systémom 25 kV 50 Hz pri zachovaní dispozičných rozmerov hlavných rámov pôvodných rušňov, pri použití pôvodných jednosmerných trakčných motorov zvýšeného výkonu a zachovaní spôsobu chladenia olejovej náplne nádoby trakčného vozidlového transformátora.

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Obvodové a konštrukčné riešenie trakčného vozidlového transformátora pre elektrické rušne, vyznačujúce sa tým, že trakčný vozidlový transformátor (110), umiestnený v nádobe (170), obsahuje vlastné vyhotovenie magnetického obvodu (120), je vybavený vstupným vinutím (130), motorovými vinutiami (140, 141) a terciálnym vinutím (160), kde rozloženie a usporiadanie vinutí transformátora (110) je na oboch stĺpoch (126, 127) magnetického obvodu (120) ako striedavé vinutie a vstupné vinutie (130) je rozdelené na tri sekcie primárnych vinutí (131, 132, 133), pričom vozidlový transformátor (110) je umiestnený v nádobe (170) tak, že pozdĺžna os magnetického obvodu (171) je rovnobežná s pozdĺžnou osou (172) rušňa (100) a pozdĺžnou osou bloku tlmiviek (173) a kde motorové vinutia (140, 141) pozostávajúce zo závitov (145) a skladané do sekcií cievok (142, 143) sú vybavené medzizávitovou izoláciou (150).
2. 2. Obvodové a konštrukčné riešenie trakčného vozidlového transformátora pre elektrické rušne podľa bodu 1,vyznačujúce sa tým, že magnetický obvod (120) je jednofázový, jadrového typu, s obdĺžnikovým prierezom jadra (121), zložený z orientovaných transformátorových plechov (122, 123) dvoch rozdielnych dĺžok, so šikmými strihmi v styku v rohoch (124) a navzájom sa prelínajúcich v dvoch po sebe nasledujúcich vrstvách, pričom plechy (122, 123) v stykových miestach v rohu (124) obsahujú pomocné otvory (125), slúžiace na skladanie bez prídavných vzduchových medzier a prekríženia plechov v tej istej vrstve.
3. 3. Obvodové a konštrukčné riešenie trakčného vozidlového transformátora pre elektrické rušne podľa bodu 1,vyznačujúce sa tým, že medzizávitová izolácia (150) závitov (145) pozostáva z dielov vlnitej elektrotechnickej transformátorovej lepenky v troch rozličných tvaroch (151, 152, 153), upevnenej a vystredenej medzi jednotlivé závity (145) dištančnými vložkami (154) a sťahovacími stĺpikmi (155), so zaisťovacími maticami (156), zabezpečujúcimi axiálne a radiálne zaistenie jednotlivých závitov (145), sekcií cievok (142, 143) vinutia, pričom terciálne vinutie kúrenia (160) je umiestnené na oboch koncoch stĺpov (126, 127) magnetického obvodu (120).