DE685322C - Converter system for the power supply of direct current railways - Google Patents

Description

Umformeranlage für die Stromversorgung von Gleichstrombahnen Die Erfindung betrifft die Stromversorgung einer Gleichstrombahnstrecke aus dem einen oder anderen von zwei Wechselstromnetzen, deren Frequenzen sich wie z :a verhalten, unter Vermittlung von Gleichrichtern, die den Wechselstrom in die Gleichspannung gewünschter Höhe, beispielsweise 8oo V, 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 allmählichen Umstellung der Betriebsfrequenz auf der Wechselstromseite von der niedrigen Frequenz auf die 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.Converter system for the power supply of direct current railways The invention concerns the power supply of a direct current railway line from one or the other of two alternating current networks, the frequencies of which behave as z: a, under mediation of rectifiers that convert the alternating current into the direct voltage of the desired level, for example 8oo V, transform. The invention is based on the object between the alternating current side and the direct current side of the energy supply system to be switched To train converters with the associated rectifiers and transformers in such a way that that with a gradual changeover of the operating frequency on the alternating current side special conditions occurring from the low frequency to the higher frequency to be met. It should be ensured that the converter systems for operation with both frequencies. are alternately suitable and that at both frequencies the highest possible degree of efficiency and the best possible utilization for the forming of the rectifiers and transformers used is achieved.

Die vorstehend gekennzeichnete Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen die das Bahnnetz speisenden Gleichrichter und die Wechselstromnetze je zwei Transformatoren geschaltet sind, von denen jeder für die volle Gleichrichternennleistung bei Betrieb mit der höheren Frequenz bemessen ist, wobei die Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind. Das Wesentliche der Schaltung liegt also darin, daß einem Gleichriehter der Umformeranlage zwei Transformatoren zugeordnet sind. Jeder dieser beiden Transformatoren ist dabei so, bemessen, daß er bei dem Betrieb mit der höheren Frequenz allein die volle Nennleistung des Gleichrichters bewältigen kann. Hierbei sind zunächst einmal die Sekundärwicklungen beider Transformatoren immer in Reihe geschaltet. Für die Primärwicklungen bestehen zwei verschiedene Schaltungsmöglichkeiten" zur Lösung der gestellten Aufgabe. Die dieser beiden Möglichkeiten besteht d l* daß für den Betrieb mit der kleineren quenz beide Transformatoren sowohl primär=, als auch sekundärseitig in Reihe geschaltet sind, während bei dem Betrieb mit der höheren Frequenz die Wicklungen des einen Transformators primär- und sekundärseitig kurzgeschlossen bzw. durch andere Mittel elektrisch außer Wirksamkeit gesetzt sind. Die zweite Möglichkeit für die Schaltung der Primärwicklungen besteht darin, däß bei dem Betrieb mit der kleineren Frequenz die Primärwicklungen nicht in Reihe, sondern parallel geschaltet sind, während beim Betrieb mit der höheren Frequenz der eine der beiden' Transformatoren sekundärseitig kurzgeschlossen und primärseitig abgeschaltet wird, während bei dem anderen Transformator in jeder Phase primärseitig die halbe Wicklung mit der anderen Wicklungshälfte im Gegensatz zu der vorher vorhandenen Reihenschaltung in Paiallelschaltung an das Netz angeschlossen wird.The object characterized above is achieved according to the invention in that two transformers are connected between the rectifier feeding the railway network and the alternating current networks, each of which is rated for the full rated rectifier power when operating at the higher frequency, the secondary windings being connected in series. The essence of the circuit is that two transformers are assigned to one in-line of the converter system. Each of these two transformers is dimensioned in such a way that it can handle the full rated power of the rectifier alone when operated at the higher frequency. First of all, the secondary windings of both transformers are always connected in series. There are two different circuit options for the primary windings " to solve the given task. the these two possibilities exist dl * that for operation with the smaller quenz, both transformers are connected in series on both the primary and the secondary side, while in operation at the higher frequency the windings of one transformer are short-circuited on the primary and secondary sides or are electrically disabled by other means. The second possibility for switching the primary windings is that when operating with the lower frequency, the primary windings are not connected in series but in parallel, while when operating with the higher frequency one of the two transformers is short-circuited on the secondary side and switched off on the primary side, while with the other transformer in each phase half of the winding is connected to the primary side with the other half of the winding, in contrast to the previously existing series connection in parallel connection to the network.

Die beiden Schaltmöglichkeiten für die Gleichrichtertransformatoren seien an Hand der Zeichnung näher erläutert.The two switching options for the rectifier transformers are explained in more detail with reference to the drawing.

In Fig. i bedeutet i eine Sammelschiene, die wahlweise an Wechselstromnetze verschiedener Frequenzen im Verhältnis i ::2, beispielsweise an zwei Wechselstromnetze mit So und 25 Perioden, anschließbar ist: Die Sammelschiene 2 des Gleichstrombahnnetzes wird durch den Gleichrichter 3 gespeist. Dem Gleichrichter sind zwei Transformatoren ¢ und 5 zugeordnet, die so bemessen sind, daß jeder Transformator beim Betrieb mit der höheren Frequenz die volle Gleichrichterleistung bewältigen kann. Die Wicklungen beider Transformatoren sind primär- und sekundärseitig in Reihe geschaltet. Diese Reihenschaltung wird betriebsmäßig. verwendet, wenn die Anlage mit der kleineren Frequenz gespeist wird. Für die Umstellung auf die höhere Frequenz werden durch einen Umschalter 6 die Primärwicklung des Transförinators 5 und durch einen weiteren Umschalter 7 auch die Sekundärwicklungen dieses Transformators 5 kurzgeschlossen. In diesem Fall wird der Gleichrichter nur noch mit dem Transformator q. betrieben. An Stelle der Kurzschließung durch die beiden Umschalter 6 und f kann man auch andere Schalteinrichtungen verwenden, durch die die Wicklungen des Transformators 5 vollständig abgeschaltet werden. Wesentlich ist bei der Schaltung; daß bei dem Betrieb mit der kleineren Frequenz beide Transformatoren primär- und sekundärseitig in Reihe geschaltet sind, während für den Betrieb mit der großeren Frequenz. der eine der beiden Transfor- atoren elektrisch vollständig ausgeschaltet .." Vig. 2 zeigt die zweite Möglichkeit für die '"Schaltung der Primärwicklungen der beiden Transformatoren. Schaltungsteile der Fig. 2, die der Fig. i entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Auch hier sind dem Gleichrichter 3 zwei Transformatoren zugeordnet, deren Sekundärwicklungen in Reihenschaltung an die Anöden des Gleichrichters angeschlossen sind. Zum Unterschied gegenüber der Schaltung. nach Fig. z sind die Primärwicklungen der Transformatoren q: und - 5 in Parallelschaltung mit dein speisenden Wechselstromnetz i verbunden. Der eine der beiden Transformatoren, im Ausführungsbeispiel der Transformator q., besitzt eine Sonderschaltung auf der Primärseite insofern, als jede seiner Phasen in zwei Hälften aufgeteilt ist, die wahlweise in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung an das Netz i angeschlossen werden können. Der Umschaltung dienen die beiden Umschalter 8 und g. Beim Betrieb mit der kleineren Frequenz sind die Sekundärwicklungen beider Transformatoren wieder in Reihe geschaltet, die Primärwicklungen liegen in Parallelschaltung am Wechselstromnetz. Bei dem Betrieb mit der höheren Frequenz werden die Sekundärwicklungen des Transformators 5 durch Umschalter io kurzgeschlossen. Die Primärwicklung des Transformators 5 wird durch den Schalter i i vom Netz i getrennt. Die Primärwicklung des Transformators q. bleibt über dem Schalter 1a am Netz i liegen, ' es werden jedoch die beiden Teilwicklungen jeder Primärphase des Transformators durch die beiden Umschalter 8 und g von der vorher vorhandenen Reihenschaltung auf Parallelschaltung umgestellt. Der Schalter 8 bildet für die oberen Wicklungshälften den neuen Sternpunkt, während der Schalter g die durch den Schalter 8 abgetrennten unteren Wicklungshälften in Parallelschaltung an das Netz anschließt.In FIG. I, i denotes a busbar that can optionally be connected to alternating current networks of different frequencies in the ratio i :: 2, for example to two alternating current networks with So and 25 periods: the busbar 2 of the direct current railway network is fed by the rectifier 3. Two transformers ¢ and 5 are assigned to the rectifier, which are dimensioned so that each transformer can handle the full rectifier output when operating at the higher frequency. The windings of both transformers are connected in series on the primary and secondary sides. This series connection becomes operational. used when the system is fed with the lower frequency. For the changeover to the higher frequency, the primary winding of the transformer 5 is short-circuited by a changeover switch 6 and the secondary windings of this transformer 5 are also short-circuited by a further changeover switch 7. In this case the rectifier is only connected to the transformer q. operated. Instead of short-circuiting by the two changeover switches 6 and f, other switching devices can also be used, by means of which the windings of the transformer 5 are completely switched off. It is essential for the circuit; that in the case of operation with the lower frequency, both transformers on the primary and secondary sides are connected in series, while for operation with the higher frequency. one of the two transformers ators electrically completely switched off .. "Vig. 2 shows the second possibility for the '" connection of the primary windings of the two transformers. Circuit parts of FIG. 2 which correspond to FIG. I are provided with the same reference symbols. Here, too, two transformers are assigned to the rectifier 3, the secondary windings of which are connected in series to the anodes of the rectifier. In contrast to the circuit. According to FIG. z, the primary windings of the transformers q: and - 5 are connected in parallel with the feeding alternating current network i. One of the two transformers, in the exemplary embodiment the transformer q., Has a special circuit on the primary side insofar as each of its phases is divided into two halves, which can be connected either in series or in parallel to the network i. The two switches 8 and g are used for switching. When operating at the lower frequency, the secondary windings of both transformers are again connected in series, the primary windings are connected in parallel to the AC network. When operating at the higher frequency, the secondary windings of the transformer 5 are short-circuited by changeover switches io. The primary winding of the transformer 5 is separated from the network i by the switch ii. The primary winding of the transformer q. remains on the network i via the switch 1a, but the two partial windings of each primary phase of the transformer are switched from the previously existing series connection to parallel connection by the two changeover switches 8 and g. The switch 8 forms the new star point for the upper winding halves, while the switch g connects the lower winding halves separated by the switch 8 in parallel to the network.

Es sei noch erwähnt, daß zweckmäßig bei den beiden Schaltungen der Fig. i und 2 Verriegelungseinrichtungen vorgesehen werden, die dafür sorgen; daß die Umformeranlage bzw. ein Gleichrichter der Anlage nur dann an das Netz mit der kleineren Frequenz angeschlossen werden kann, wenn die verschiedenen Umschalter auf die für die kleinere Frequenz bestimmten Schaltstellungen gelegt sind.It should also be mentioned that it is useful for the two circuits Figs. I and 2 locking devices are provided which ensure this; that the converter system or a rectifier of the system only then to the network with the smaller frequency can be connected if the various changeover switches are placed on the switch positions intended for the lower frequency.

An Stelle der in Fig. i und a angenommenen Sternschaltungen der beiden Transformatoren kann primärseitig auch eine andere Form der bekannten Transformatorschaltungen, beispielsweise die Dreieckschaltung, angewendet werden. Die Erfindung ist außerdem nicht an die angenommene Phasenzahl des Gleichrichters gebunden. Falls die Umformeranlage nicht nur mit verschiedenen Frequenzen, sondern auch noch mit verschiedenen Spannungen betrieben werden soll, sind die Transformatoren mit den dazu erforderlichen Anzapfungen und zugehörigen Spannungsumstellern auszurüsten.Instead of the star connections of the two assumed in Fig. I and a Transformers can also have a different primary side Form of the well-known Transformer circuits, for example the delta connection, can be used. The invention is also not limited to the assumed number of phases of the rectifier bound. If the converter system does not only operate with different frequencies, but The transformers are also supposed to be operated with different voltages equipped with the necessary taps and associated voltage converters.

Die Erfindung ist von besonderer Bedeutung für solche Bahnanlagen, bei denen eine größere Anzahl von Gleichrichterunterwerken erstellt wird. Durch die Erfindung ist es möglich, die Transformatoren von Unterstationen, die erst später im Laufe der Umstellung benötigt werden, vorerst als Vorschalttransformatoren bei den Gleichrichtern zu verwenden, die zunächst in Betrieb'kommen. Durch dieses Verfahren braucht für eine Bahnlinie nur eine Gesamttransformatotenleistung beschafft zu werden, die der Gesamtgleichrichterleistung bei 5o Perioden entspricht. Es wird durch dieses Verfahren eine sehr große Kapitalersparnis erzielt, dadurch, daß im Erideffekt nur voll ausgenutzte Transformatoren für 50 Perioden beschafft worden sind. Die Aufwendungeif für die Transformatoren gemäß der Erfindung belaufen sich bei gleichen Spannungen der beiden Wechselstromnetze auf ungefähr 6o % des Kapitals, das man aufwenden müßte, wenn man Transformatoren beschaffen wollte, die auch bei 25 Perioden dieselbe Gleichrichterleistung abzugeben .gestatten.The invention is of particular importance for those railway systems in which a large number of rectifier substations are created. The invention makes it possible to initially use the transformers of substations, which are only required later in the course of the conversion, as series transformers in the rectifiers that are initially put into operation. With this method, only a total transformer power has to be procured for a railway line, which corresponds to the total rectifier power at 50 periods. A very large capital saving is achieved with this method, because only fully utilized transformers have been procured for 50 periods in the Erideffekt. The expenditures for the transformers according to the invention amount to approximately 60% of the capital that would have to be expended if one wanted to procure transformers which give the same rectifier power even after 25 periods with the same voltages of the two alternating current networks.

Als weiterer Vorteil. ist ferner zu verzeichnen, daß auch die Verluste bei dem endgültigen Betrieb mit 50 Perioden die kleinstmöglichen sind, daß die Charakteristiken bei Betrieb mit 25 Perioden und bei Betrieb mit 50 Perioden einander gleich sind, und daß die Gleichrichter in beiden Betriebsarten die volle Leistung abgeben können.Another advantage. It can also be noted that the losses in the final operation with 50 periods are the smallest possible, that the characteristics in operation with 25 periods and in operation with 50 periods are the same, and that the rectifiers can deliver full power in both operating modes .

Claims (3)

PATp'N'TANSPRÜCHE: -i. Ufüffrneranlage für die Stromversorgung von Gleichstrombahnen aus Wechselstromnetzen, deren Frequenzen sich wie i ::2 verhalten, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die das Bahnnetz speisenden Gleichrichter und die Wechselstromnetze je zwei Transformatoren geschaltet sind, von denen jeder für die volle Gleichrichternennleistung bei Betrieb mit der höheren Frequenz bemessen ist, wobei, die Sekundärwicklungen in Reihe geschaltet sind. PATp'N'T CLAIMS: -i. Ufrneranlage for the power supply of Direct current railways from alternating current networks, the frequencies of which behave like i :: 2, characterized in that between the rectifier feeding the railway network and the alternating current networks are each connected to two transformers, each of which is for the full rated rectifier power when operating at the higher frequency where, the secondary windings are connected in series. 2. Anlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb mit der kleineren Frequenz beide Transformatoren primärseitig und sekundärseitig in Reihe geschaltet sind, während beim Betrieb mit der höheren Frequenz die Wicklungen des einen Transformators primär-und sekundärseitig kurzgeschlossen bzw. durch andere Mittel elektrisch abgeschaltet werden (Fig. i). 2. Plant according to claim i, characterized in that both transformers when operating with the lower frequency are connected in series on the primary and secondary sides, while in operation with the higher frequency the windings of one transformer on the primary and secondary sides short-circuited or electrically switched off by other means (Fig. i). 3. Anlage nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß beim. Betrieb mit der kleineren Frequenz die Primärwicklungen der beiden Transformatoren in Parallelschaltung an das speisende Wechselstromnetz angeschlossen sind, während beim Betrieb mit der höheren Frequenz der eine Transformator sekundärseitig kurzgeschlossen bzw. abgeschaltet und primärseitig vorm Netz getrennt isst und bei dem anderen Transformator in jeder Phase die halbe Wicklung mit der anderen Wicklungshälfte in Parallelschaltung an das Netz angeschlossen wird (Fig.2).3. Plant according to claim i, characterized in that when. Operation with the smaller one Frequency the primary windings of the two transformers in parallel the feeding AC mains are connected, while when operating with the higher frequency of a transformer on the secondary side short-circuited or switched off and eats separately from the mains on the primary side and in each of the other transformers Phase half of the winding with the other half of the winding in parallel the mains is connected (Fig. 2).