DE684348C - Converter system for the power supply of direct current railways - Google Patents

Description

Umformeranlage für die Stromversorgung von Gleichstromhahnen Die Erfindung betrifft die Stromversorgung einer Gleichstrombahnstrecke aus Wechselstromnetzen verschiedener Frequenzen unter Vermittlung von Gleichrichtern, die den Wechselstrom in die Gleichspannung gewünschter Höhe, beispielsweise 8oo Volt, umformen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die zwischen die Wechselstromseite und die Gleichstromseite der Energieversorgungsanlage zu schaltenden Umformer mit den zugehörigen Gleichrichtern und Transformatoren so auszubilden, daß die bei einer Umstellung der Betriebsfrequenz auf der Wechselstromseite von einer niedrigen Frequenz auf eine höhere Frequenz auftretenden Sonderbedingungen erfüllt werden. Es soll dafür gesorgt werden, daß die Umformeranlagen für den Betrieb mit beiden Frequenzen abwechselnd geeignet sind, und daß bei beiden Frequenzen für die Umformung ein möglichst hoher Wirkungsgrad und eine möglichst gute Ausnutzung der benutzten Gleichrichter und Transformatoren erreicht wird. Die vorstehend gekennzeichnete Aufgabe für den Betrieb mit verschiedenen Frequenzen wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Transformatoren der das Bahnnetz speisenden Gleichrichter bei dem Betrieb mit der kleineren Frequenz primär- und sekundärseitig mit der vollen Windungszahl eingeschaltet sind, während bei dem Betrieb mit der höheren Frequenz der Anschluß primär-und sekundärseitig durch Umschalteinrichtungen auf Anzapfungen umgeschaltet wird, die derart gewählt sind, daß für beide Frequenzen auf der Gleichstromseite ungefähr die gleiche Charakteristik für die Abhängigkeit der Spannung von der Belastung erreicht wird. Die Erfindung geht somit davon aus, daß jedem zu der Umformeranlage gehörigen Gleichrichter, der den jeweils zur Verfügung stehenden Wechselstrom in Gleichstrom umformt, ein Transformator zugeordnet wird, der in seiner Leistung dem Betrieb mit der kleineren Frequenz entspricht, im übrigen naturgemäß in seiner Windungszahl der gegebenen Spannung entsprechend bemessen ist. Dieser gleiche Transformator wird auch für den Betrieb mit der höheren Frequenz benutzt. Es wird nur im letzteren Falle der . Transformator durch eine Umschalteinrichtung sowohl primärseitig als auch sekundärseitig umgeschaltet auf Anzapfungen, die die' Windungszahl auf beiden Seiten des Transformators herabsetzen. Diese Anzapfungen sind so gewählt, daß auf der Gleichstromseite eines Umformersatzes die von dem Gleichrichter abgegebene Spannung in ihrer Abhängigkeit von der Belastung für beide Frequenzen die gleiche Charakteristik aufweist: Das bedeutet mit anderen Worten, daß beide Betriebsarten mit der gleichen sogenan.nten Kurzschlußspannung des Transformators arbeiten. Nimmt man an, daß es sich beispielsweise um den Betrieb mit den beiden Frequenzen 50 und 25 handelt; und daß bei beiden Frequenzen die gleiche Wechselspannung zur Verfügung steht, so wird die vorstehend genannte Bedingung gleicher Charak= teristik dann erreicht, wenn die Transformatorwicklungen der Gleichrichter primär- und sekundärseitig bei einer Windungszahl von etwa oder etwa 7o °/o der Gesamtwindungszahl angezapft sind. Auf diese Anzapfung wird der Transformator durch den bereits erwähnten Umschalter umgeschaltet, wenn der Betrieb vor. der kleineren auf die größere Frequenz umgestellt werden soll.Converter system for the power supply of direct current taps The invention relates to the power supply of a direct current railway line from alternating current networks of different frequencies with the intermediary of rectifiers which convert the alternating current into the direct voltage of the desired level, for example 8oo volts. The invention is based on the object of designing the converters with the associated rectifiers and transformers to be switched between the alternating current side and the direct current side of the power supply system in such a way that the special conditions that occur when the operating frequency is changed on the alternating current side from a low frequency to a higher frequency are met . It should be ensured that the converter systems are alternately suitable for operation with both frequencies, and that the highest possible efficiency and the best possible utilization of the rectifiers and transformers used is achieved for the conversion at both frequencies. The above-identified object for operation with different frequencies is achieved according to the invention in that the transformers of the rectifier feeding the railway network are switched on with the full number of turns on the primary and secondary sides when operating with the lower frequency, while the operation with the higher frequency is the Connection on the primary and secondary side is switched to taps by switching devices which are selected such that approximately the same characteristic for the dependence of the voltage on the load is achieved for both frequencies on the direct current side. The invention is based on the assumption that each rectifier belonging to the converter system, which converts the respectively available alternating current into direct current, is assigned a transformer whose output corresponds to operation with the lower frequency, and naturally to the number of turns of the other given voltage is dimensioned accordingly. This same transformer is also used for operation at the higher frequency. It will only be the latter in the latter case. Transformer switched by a switching device both on the primary side and on the secondary side to taps, which reduce the number of turns on both sides of the transformer. These taps are chosen so that on the direct current side of a transformer set the voltage output by the rectifier has the same characteristics for both frequencies depending on the load: In other words, this means that both modes of operation with the same so-called short-circuit voltage of the transformer work. Assume that it is, for example, the operation with the two frequencies 50 and 25; and that the same AC voltage is available at both frequencies, the above-mentioned condition of the same characteristics is achieved when the transformer windings of the rectifier primary and secondary have a number of turns of about or about 70% of the total number of turns are tapped. The transformer is switched to this tap by the aforementioned changeover switch when the operation is before. the lower frequency is to be converted to the higher frequency.

Die Anordnung der Anzapfung auf der Primär- und Sekundärseite der GIeichrichtertransformatoren läßt sich auch so kennzeichnen, daß bei gleichen Primärspannungen der beiden Wechselstromnetze die Anzapfung so zu wählen ist, daß das Verhältnis der Gesamtwindungszahl (Betrieb mit kleinerer Frequenz) zu der bei Betrieb mit höherer Frequenz benutzten Windungszahl sich verhält wie y f2 : Y T, , wobei f2 die größere und f-, die kleinere Frequenz ist.The arrangement of the tap on the primary and secondary side of the rectifier transformers can also be characterized in such a way that, given the same primary voltages in the two AC networks, the tap is to be selected so that the ratio of the total number of turns (operation with a lower frequency) to that in operation with a higher frequency The number of turns used behaves like y f2 : YT, where f2 is the higher and f-, the lower frequency.

In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung die Schaltung für den Anschluß eines zu einer Umformeranlage gehörigen Transformators angegeben. Es sei angenommen, daß in einer Umformerstation zwei Sammelschienen i und 2 vorgesehen sind, von denen die Sammelschiene i an ein vVechselstromnetz mit 50 Perioden, die Sammelschiene 2 dagegen an ein Wechselstromnetz mit 25 Perioden angeschlossen ist. Die Sammelschiene 3 des Gleichstrombahnnetzes ist über einen Quecksilberdampfgleichrichter q. und einen Transformator 5 an eine Hilfssammelschiene 6 angeschlossen. Diese Hilfssanlmelschiene kann durch Schalter 7 und B entweder mit dem 5operiodigen oder mit dem -25periodigen Wechselstromnetz verbunden werden. Für die Erfindung ist wesentlich, daß der Transformator 5 sowohl auf der Primärseite als auch auf der Sekundärseite mit Anzapfungen versehen ist; für die die obengenannten Bedingungen gelten. Durch :T@Tmschalter g und io wird bei dem Betrieb xit z5 Perioden die volle Windungszahl, beim Betrieb mit 5o Perioden dagegen die kleinere Windungszahl primär- und sekundärseitig eingeschaltet.In the drawing, the circuit for the connection of a transformer belonging to a converter system is given as an embodiment of the invention. It is assumed that two busbars i and 2 are provided in a converter station, of which busbar i is connected to an alternating current network with 50 periods, while busbar 2 is connected to an alternating current network with 25 periods. The busbar 3 of the direct current rail network is q via a mercury vapor rectifier. and a transformer 5 connected to an auxiliary bus bar 6. This auxiliary contact rail can be connected to either the 5-period or -25-period alternating current network using switches 7 and B. It is essential for the invention that the transformer 5 is provided with taps both on the primary side and on the secondary side; to which the above conditions apply. By: T @ Tm switch g and io, the full number of turns is switched on when operating xit z5 periods, whereas when operating with 50 periods, the smaller number of turns is switched on on the primary and secondary side.

Es sei noch .erwähnt; daß die Schalter ; und 8 zwischen der Hilfssammelschiene und den beiden Netzen i und a sowie der dem Transformator 5 vorgeschaltete Schalter i i mit Verriegelungseinrichtungen auszurüsten sind, die eine gleichzeitige Verbindung des Gleichrichters mit beiden Netzen ausschließen. Außerdem werden zweckmäßig die beiden Umschalter 9 und io noch derart verriegelt, daß sie nur im spannungslosen Zustand betätigt werden können: Außerdem werden zweckmäßig für die Umschalter 9 und io noch Verriegelungseinrichtungen vorgesehen, die dafür sorgen, daß der Netzschalter 7 des höherfrequenten Wechselstromnetzes nur dann eingelegt werden kann, wenn die Umschalter 9 und io auf die Anzapfungen der Transformatorwicklungen geschaltet sind, und daß vor allen Dingen der Schalter 8 des niederfrequenten Netzes nur eingeschaltet werden kann, wenn die Umschalter 9 und io auf der vollen Windungszahl liegen.It should also be mentioned; that the switch; and 8 between the auxiliary busbar and the two networks i and a as well as the switch connected upstream of the transformer 5 i i are to be equipped with interlocking devices that allow simultaneous connection of the rectifier with both networks. In addition, the both changeover switches 9 and io are still locked in such a way that they can only be operated when the power is off State can be operated: In addition, it is useful for the changeover switch 9 and interlocking devices are also provided, which ensure that the power switch 7 of the higher-frequency alternating current network can only be inserted if the Changeover switches 9 and io are connected to the taps of the transformer windings, and that above all the switch 8 of the low-frequency network is only switched on can be when the changeover switches 9 and io are on the full number of turns.

Die in der Zeichnung dargestellte Umformeranlage läßt sich auch anwenden, wenn die Spannungen der beiden Netze i und 2 verschieden groß sind. In diesem Fall ist bei der Wähl der Anzapfstellen eine den Spannungsunterschied berücksichtigende Korrektur vorzunehmen, d. h. es ist das Übersetzungsverhältnis des Transformators entsprechend zu ändern., Die erfindungsgemäße Ausbildung der Gleichrichtertransförmatoren bietet erhebliche Vorteile. Würde man den Gleichrichtern Transformatoren zuordnen, die nach Leistung und Spannung für die kleinere Frequenz bemessen sind; so bestünde an sich die Möglichkeit, den Betrieb mit der höheren Frequenz mit den gleichen Transformatoren durchzuführen. Dieser Betrieb hat jedoch den großen Nachteil, daß die Kennlinie sich in Abhängigkeit der Gleichspannung von der Belastung gegenüber der kleineren Frequenz wesentlich ändert, indem die Kurz-schlußspan.-nung bei gleicher Belastung auf den doppelten Wert ansteigt; die Neigungen der Kennlinien sind somit bei den beiden Frequenzen wesentlich verschieden. Diese Eigenschaft einer Umformeranlage ist betriebstechnisch unerwünscht, weil ein Parallelbetrieb eines mit der kleineren Frequenz gespeisten Gleichrichters mit einem anderen an der größeren Frequenz liegenden Gleichrichter nicht möglich ist. Es ist bereits vorgeschlagen worden, dieser Schwierigkeit dadurch zu begegnen, daß bei dem Betrieb mit der größeren Frequenz den Gleichrichtertransformatoren Drosselspulen vorgeschaltet werden, um die Kennlinien einander anzugleichen. Solche Drosselspulen sind jedoch kostspielig, benötigen unverhältnismäßig großen Raum in den Umformeranlagen und bringen außerdem dauernd zusätzliche Verluste. Die Erfindung vermeidet alle diese Nachteile, besondere Drosselspulen sind nicht erforderlich, und trotzdem wird ein Betrieb mit gleichen Kennlinien für beide Frequenzen gewährleistet.The converter system shown in the drawing can also be used if the voltages of the two networks i and 2 are different. In this case is one that takes the voltage difference into account when selecting the tapping points Make correction, d. H. it is the transformation ratio of the transformer to change accordingly., The inventive design of the rectifier transformers offers considerable advantages. If one were to assign transformers to the rectifiers, which are rated according to power and voltage for the lower frequency; so would exist in itself the possibility of operating at the higher frequency with the same transformers perform. However, this operation has the major disadvantage that the characteristic depending on the DC voltage of the load compared to the smaller one Frequency changes significantly by reducing the short-circuit voltage at the same load increases to twice the value; the slopes of the characteristic curves are therefore with the the two frequencies are essentially different. This property of a converter system is operationally undesirable because parallel operation of one with the smaller one Frequency powered rectifier with another at the larger one Frequency rectifier is not possible. It's already suggested been to counter this difficulty by the fact that in the operation with the larger Frequency the rectifier transformers reactors are connected upstream to to adjust the characteristics to each other. However, such inductors are expensive, require disproportionately large space in the converter systems and also bring constant additional losses. The invention avoids all of these disadvantages, particular ones Choke coils are not required, and an operation with the same is still possible Characteristic curves guaranteed for both frequencies.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Trarisformatorverluste für den Betrieb mit der höheren. Frequenz gegenüber den Verlusten bei Betrieb mit der niederen Frequenz wesentlich herabgesetzt werden. Würde man, wie oben erwähnt, den Transformator in ein und derselben Schaltung abwechselnd mit der kleineren und der größeren Frequenz betreiben, so würden bei dem Betrieb mit der größeren Frequenz die Verluste wesentlich größer sein als bei einer Anlage, die mit lediglich für die höhere Frequenz bemessenen Transformatoren arbeitet. Für das Beispiel des Betriebes eines Transformators ohne die erfindungsgemäßen Anzapfungen für 5o und 25 Perioden würden die Verluste bei dem Betrieb mit 5o Perioden etwa das i,7-fache betragen wie bei Anlagen mit f ür 5 o Perioden bemessenen Transformatoren. Wendet man dagegen die erfindungsgemäße Umschaltung auf Anzapfungen an, so werden die Transformatorverluste beim Übergang von der kleineren auf die größere Frequenz wesentlich herabgesetzt. Für das vorstehende Beispiel sind bei Betrieb mit 50 Perioden die Transformatorverluste auf etwa 70°/o der Verluste bei Betrieb mit 25 Perioden herabgesetzt.Another advantage of the invention is that the Trarisformer losses for operation with the higher. Frequency can be significantly reduced compared to the losses when operating with the lower frequency. If, as mentioned above, the transformer were to be operated in one and the same circuit alternately with the lower and the higher frequency, the losses would be significantly greater in the operation with the higher frequency than in a system that only operates with the higher frequency sized transformers works. For the example of the operation of a transformer without the taps according to the invention for 50 and 25 periods, the losses in operation with 50 periods would be about 1.7 times as in systems with transformers rated for 50 periods. If, on the other hand, the switching according to the invention is applied to taps, the transformer losses during the transition from the lower to the higher frequency are significantly reduced. For the above example, the transformer losses for operation with 50 periods are reduced to about 70% of the losses for operation with 25 periods.

Die Erfindung ist zwar für Gleichstrombahnbetriebe von besonderer Bedeutung, sie kann jedoch auch für andere Stromverbraucher angewendet werden, bei denen es sich darum handelt, vermittels einer Umformeranlage die benötigte Gleichstromenergie abwechselnd aus Wechselstromnetzen verschiedener Frequenz zu entnehmen.The invention is of particular benefit to DC railroad operations Meaning, but it can also be used for other electricity consumers which is concerned, by means of a converter system, the required direct current energy to be taken alternately from alternating current networks of different frequencies.

Die Erfindung ist auch dann anwendbar, wenn es sich nicht um zwei voneinander getrennte Wechselstromnetze verschiedener Frequenz handelt, sondern wenn aus irgendwelchen betriebstechnischen Gründen das die Umformeranlage speisende Wechselstromnetz abwechselnd mit verschiedenen Frequenzen arbeiten soll. Der letztgenannte Fall könnte beispielsweise eintreten, wenn das Netz einer Landesv ersorgung von einer kleineren Frequenz auf eine größere Frequenz umgestellt wird.The invention is applicable even if there are not two separate alternating current networks of different frequencies, but rather if for any operational reasons that feeds the converter system Alternating current network should work alternately with different frequencies. The latter Case could arise, for example, if the network of a national supply of a lower frequency is switched to a higher frequency.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE: i. Umformeranlage für die Stromversorgung von Gleichstrombahnen aus WechselstromnetzenverschiedenerFrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoren der das Bahnnetz speisenden Gleichrichter bei dem Betrieb mit der kleineren Frequenz primär- und sekundärseitig mit der vollen Windungszahl eingeschaltet sind, während bei dem Betrieb mit der höheren Frequenz der Anschluß primär- und sekundärseitig durch Umschalteinrichtungen auf Anzapfungen umgeschaltet wird, die derart gewählt sind, daß für beide Frequenzen auf der Gleichstromseite ungefähr die gleiche Charakteristik für die Abhängigkeit der Spannung von der Belastung erreicht wird. PATENT CLAIMS: i. Converter system for the power supply of direct current railways from alternating current networks of different frequencies, characterized in that the transformers the rectifier feeding the railway network during operation with the lower frequency are switched on with the full number of turns on the primary and secondary sides, while when operating at the higher frequency, the connection on the primary and secondary sides is switched by switching devices to taps, which are selected in this way are that for both frequencies on the DC side approximately the same characteristic for the dependence of the voltage on the load is achieved. 2. Anlage nach Anspruch i für den Betrieb mit 5o und 25 Perioden, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatorwicklungen primär- und sekundärseitig bei einer Windungszahl von etwa bzw. 70'1, der Gesamtwindungszahl angezapft sind.2. System according to claim i for operation with 5o and 25 periods, characterized in that the transformer windings are tapped on the primary and secondary sides with a number of turns of approximately or 70'1, the total number of turns are.