CH432582A - Elektrisches Wechselstromtriebfahrzeug - Google Patents

Description

      Elektrisches        Wechselstromtriebfahrzeug       Die     Erfindung    betrifft ein elektrisches Wechsel  stromtriebfahrzeug mit einem     Anzapftransformator,    Stu  fenschaltern und einer mit ihren beiden Wicklungsen  den an jeweils zwei benachbarten     Transformatorstufen     auf den Vollstufen gleichzeitig angeschlossenen Strom  teilerdrossel, an deren Mittelanschluss die Fahrmotoren  direkt oder über     Stromrichterventile    angeschlossen sind.  



  Die Drehzahl von     Einphasenkollektormotoren        bzw.     über     Stromrichterventile    gespeisten Gleichstrommotoren  für elektrische     Wechselstromtriebfahrzeuge    wird im  allgemeinen durch Veränderung der Motorspannung  gesteuert. Zur Änderung dieser Spannung bedient man  sich Transformatoren, die entweder     Anzapfungen    an der  Hochspannungswicklung oder an der Niederspan  nungswicklung aufweisen. Transformatoren mit Nieder  spannungssteuerungen werden bis zu einer Summe der  Motorströme von etwa 10 000 Ampere angewandt.  



  Eine solche bekannte Schaltung ist in der     Fig.    1 dar  gestellt. Die Sekundärseite des Transformators 1 ist mit       Anzapfungen    a - d versehen, an die über ein Schalt  werk mit den Schaltern     2a    bis 2d (oder Einzelschal  tern) und eine     Stromteilerdrossel    3 ein oder mehrere  Fahrmotoren 4 angeschlossen sind. Auf den     einzelnen     Fahrstufen (Vollstufen) sind     immer    jeweils 2 benach  barte Schalter geschlossen.

   Die     Stromteilerdrossel    3  wirkt dabei sowohl als Stromteiler wie auch als     Span-          nungsteiler.    Durch die Wicklungsanordnung der Strom  teilerdrossel wird der     Fahrmotorstrom    auf beide     Spu-          lenhälften    3a und 3b gleichmässig aufgeteilt. Am Aus  gang der     Stromteilerdrossel    stellt sich dann eine mittle  re Spannung zwischen den an den     Anzapfungen    a und  b des Transformators anstehenden Spannungen ein.

    Durch die     Stromteilerdrossel    3 wird der Strom zwischen  den beiden angeschalteten     Anzapfungen    des Transfor  mators begrenzt und eine Stromunterbrechung beim  Übergang von     einer    Fahrstufe zur nächsten vermieden.  



  Soll z. B. von einer Fahrstufe (Schalter 2a und  2b geschlossen) auf die nächst höhere Fahrstufe wei  tergeschaltet werden, wird     zunächst    der Schalter 2a ge-    öffnet.     Anschliessend    wird der Schalter 2c geschlossen.  Dabei wird durch die     Stromteilerdrossel    ein Kurzschluss  zwischen den beiden angeschlossenen     Transformatoran-          zapfungen    verhindert, da der Strom durch die     Induk-          tivität    der     Stromteilerdrossel    begrenzt ist.

   Die Fahrmo  toren werden beim     überschalten    über die eine Strom  teilerhälfte 3b weiter mit Strom versorgt, so dass keine  Stromunterbrechung entsteht.  



  Bei der bisher bekannten Auslegung der     Stromtei-          lerdrossel    treten im     Überschaltaugenblick    an den Kon  taktstücken des Lastschalters, die gerade öffnen, erheb  liche     Spannungsscheitelwerte    auf, die z. B. bei einer Stu  fenspannung von etwa 100 V in der Grössenordnung  von 1000 V liegen kann. Dadurch, dass der Schalter  2a geöffnet ist, fliesst, solange der Schalter 2c noch  nicht geschlossen ist, der gesamte Motorstrom über die  eine Hälfte 3b des Stromteilers. Durch diesen Strom  wird in der nichtdurchflossenen     Stromteilerhälfte    3a  eine Spannung induziert, die am öffnenden Schalter 2a  ansteht.

   Im mittleren und oberen Geschwindigkeitsbe  reich, also bei hohen Motorspannungen ist der Fahr  motorstrom nahezu     sinusförmig.    Dabei ergibt sich, be  dingt durch die starke Sättigung des Eisenkreises der       Stromteilerdrossel,    eine     trapezförmige    Flusskurve. Im Be  reich kleiner Ströme steigt der Fluss rasch     an.    Damit  ergibt sich ein grosser     Spannungsscheitelwert    an der       Stromteilerdrosselhälfte    3a, der durch das Produkt der       Windungszahl    und der Flussänderung gegeben ist.  



  Wird die     Stromteilerdrossel        zufällig    im Nulldurch  gang der     Spannung    wieder beidseitig an Spannung ge  legt, während sie vorher hoch gesättigt mit einseitiger  Speisung arbeitete, tritt ein erheblicher     Einschaltstrom-          stoss    auf, der zu einem Verschweissen der Schaltstücke  des Lastschalters 2a und damit     zu    einem     Stufenkurz-          schluss    über die Schalter 2a und 2c führen kann.

   Ähn  lich hohe Strombelastungen ergeben sich für die     Last-          schalter    auch, wenn das Schaltwerk bei abgeschalteten  Motoren, aber     hochspannungsseitig    eingeschaltetem  Transformator, aufwärts oder abwärts läuft. Beim Über-      schalten von einer     Fahrstufe    zur nächsten ergeben sich  also     zusätzliche        Schaltwerkbeanspruchungen    durch     Ein-          schaltstromstösse    und hohe     Spannungsscheitelwerte    am  öffnenden Lastschalter.  



  Die     Niederspannungssteuerung        mit        Stromteilerschal-          tung    wird, da sie bei kleinen und mittleren Leistungen  besonders     wirtschaftlich    arbeitet, im     wesentlichen    für im  Nahverkehr eingesetzte     Wechselstromtriebwagen    und       Lokomotiven        verwendet.    Moderne     Nahverkehrstriebwa-          gen    werden z. B. für mittlere     Haltestellenabstände    von  2,5 km eingesetzt.

   Die     Anfahrt    erfolgt     in    knapp 50 Se  kunden auf 120     km/h.        Anschliessend    wird etwa 20 Se  kunden die Höchstgeschwindigkeit beibehalten, wonach  die     Abbremsung    bis zum Stillstand erfolgt. Bei einer  Haltezeit von nur 30 Sekunden muss das Schalt  werk, das meist mit     mindestens    28 Fahrstufen gebaut  ist, alle 2,5 Minuten einmal aufwärts und     einmal    abwärts  laufen. Durch die     grosse    Schalthäufigkeit wird das  Schaltwerk durch die normalen Fahrströme bereits     aus-          serordentlich    stark beansprucht.

   Dazu     kommen    zusätz  liche Beanspruchungen durch hohe     Einschaltstromstösse     und hohe Scheitelspannungen     am        öffnenden    Lastschalter  beim     überschalten    von einer Fahrstufe zur nächsten.       Stromteilerdrosseln    wurden bisher, wie bei Transforma  toren     üblich,    für kleinen     Magnetisierungsstrom    bei Nenn  spannung gebaut, um die Verluste klein zu halten.     Im     Dauerbetrieb ergab sich dabei ein einwandfreies Verhal  ten.

   Bei Schaltvorgängen werden jedoch die Lastschalter  kontakte durch     Einschaltstromstösse    und hohe Scheitel  spannungen am öffnenden Lastschalter     zusätzlich    zum       eigentlichen    Fahrstrom erheblich belastet. Für ein moder  nes Triebfahrzeug wird heute weitgehende Wartungsfrei  heit verlangt. Lange Laufzeiten für die Triebfahrzeuge  sind aber nur zu erreichen, wenn der bisherige starke  Verschleiss der     Lastschalterkontakte    wesentlich     verrin-          gert    wird.  



  Bei vorzeitiger Abnutzung ergeben sich Ausfall  zeiten der elektrischen Triebfahrzeuge nur zum Zwecke  der Auswechslung der     Lastschalterkontakte.    Diese Aus  fallzeiten wären auf Grund des Zustandes des übrigen  Teiler der elektrischen Ausrüstung nicht     erforderlich,     so dass die Ausnutzung des Triebfahrzeuges     beschränkt     wurde,     zusätzliche    Kosten in der Werkstatt anfielen und  die Bereitstellung von     zusätzlichen    Reservefahrzeugen       erforderlich    war.  



  Die Aufgabe der     Erfindung    besteht also darin, eine  Lehre für die     Dimensionierung    der     Stromteilerdrossel     zu geben, bei der sich an den Kontaktstücken der Last  schalter des     Schaltwerkes    ein Minimum an     Abbrand          ergibt,    indem die beim Schalten auftretenden hohen       Spannungsscheitelwerte    und Einschaltströme     wesentlich          vermindert    werden.  



  Die Lösung der Aufgabe besteht gemäss der Erfin  dung in einer solchen     Dimensionierung    der     Stromteiler-          drossel,    dass bei an dieser anliegender     veränderlichen          Spannung    die     Funktion    des Effektivwertes der Span  nung an der     Stromteilerdrossel    in Abhängigkeit vom  Effektivwert des     Magnetisierungsstromes    I der Drossel  praktisch der Gleichung U =     121/I        +    0,05 I gehorcht,

    wobei der Kurvenverlauf     unterhlalb    des Nennstromes  der Drossel von der genannten     Funktion    abweichen     kann,     der     Magnetisierungsstrom    bei Nennspannung der Dros  sel (maximale Stufenspannung des     Anzapftransformat-          tors)    jedoch mindestens ein     Viertel    des     Nennstromes    be  tragen muss.  



  Die     Erfindung    geht von der     Erkenntnis    aus, dass  die Kosten für die Bereitstellung von Werkstattkapa-         zität,    Personal und Reservetriebfahrzeugen viel     grös-          ser    sind als die Kosten, die sich bei einer Vergrösserung  der Verluste im Stromteiler ergeben. Bei dem Gegen  stand der Erfindung ist die     Stromteilerdrossel    in Be  zug auf ihre Verluste bewusst verschlechtert, um die Be  triebssicherheit der gesamten elektrischen Ausrüstung  zu verbessern.

   Die Abführung der erhöhten Verluste  der     Stromteilerdrossel    bei der     erfindungsgemässen    Aus  führung bereitet keine Schwierigkeiten, da die Strom  teilerdrossel im Ölkessel des     Triebfahrzeugtransfor-          mators    eingebaut ist, dessen Verluste ein     Vielfaches    der  Verluste der     Stromteilerdrossel    betragen so dass     eine     merkbare Erhöhung der abzuführenden Wärmemenge  nicht stattfindet.  



  Durch die vorstehend angegebene Lehre für die Di  mensionierung der     Stromteilerdrossel,    dass der     Magne-          tisierungsstrom        bei        100%        der        maximalen        Differenz-          spannung    zwischen zwei benachbarten     Anzapfungen    des       Transformators        mindestens        25        %        des        Drosselnennstro-          mes    betragen muss,

   werden die     Spannungsscheitelwerte     am öffnenden Lastschalter wirksam begrenzt. In der       Fig.    2 der Zeichnung ist eine solche Kurve 3 für die  Spannung an der Drossel in Abhängigkeit vom Mag  netisierungsstrom aufgezeichnet, die der angegebenen     Di-          mensionierungsregel    entspricht. Die     Einschaltstromstös-          se,    die bei     überschalten    von einer Fahrstufe zur näch  sten bei     ungünstigem        Schaltaugenblick    auftreten kön  nen, werden bei einer Dimensionierung nach der vorste  hend angegebenen Gleichung wirksam begrenzt.  



       In    der bereits erwähnten     Fig.    2 der Zeichnung ist  in der Kurve 1 der Effektivwert der Spannung U für  bisher gebaute bekannte     Stromteilerdrosseln        in    Abhän  gigkeit vom     Magnetisierungsstrom    aufgezeichnet. Die  weiterhin eingezeichnete Kurve 2 zeigt die Spannung     in     Abhängigkeit vom     Magnetisierungsstrom    für eine prak  tisch ausgeführte     Stromteilerdrossel    gemäss der Erfin  dung.  



       Stromteiierdrossel,    deren Spannung in Abhängigkeit  vom     Magnetisierungsstrom    den in     Fig.    2 dargestellten  Kurven 2 oder 3 entsprechen, ergeben sich bei einer       Dimensionierung,    bei der die Spule der Drossel mög  lichst kurz und dick mit grosser     Windungszahl    bei  kleinem Eisenquerschnitt     ausgeführt    ist,

   sowie durch       Einführung    eines oder mehrerer Luftspalten in den Ei  senkreis und zwar wenn beispielsweise das Verhältnis  der aus dem inneren     Spulendurchmesser        Ds    errech  neten     Spulenfläche        Fs    zum effektiven Eisenquer  schnitt     FE    mindestens 2,0 beträgt.  



  Für die     Dimensionierung    der     Stromteilerspulen    er  geben sich bei einem Verhältnis von     Spulenlänge    l (siehe       Fig.    3) zum mittleren Durchmesser D von weniger als 1,5  und bei einem Verhältnis von     Spulenbreite    b zum mitt  leren Durchmesser D mit einem Wert von 0,2 oder       grösser        Spannungs-    und     Stromwerte,    die den vorste  hend gestellten Forderungen entsprechen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Elektrisches Wechselstromtriebfahrzeug mit einem Anzapftransformator, Stufenschaltern und einer mit ihren beiden Wicklungsenden über Lastschalter auf den Vollstufen an jeweils zwei benachbarten Transforma- torstufen gleichzeitig angeschlossenen Stromteilerdros- sel, an deren Mittelanschluss die Fahrmotoren direkt oder über Stromrichterventile angeschlossen sind, ge kennzeichnet durch eine solche Dimensionierung der Stromteilerdrossel,

   dass bei an dieser anliegender ver änderlicher Spannung die Funktion des Effektivwertes der Spannung an der Stromteilerdrossel in Abhängigkeit vom Effektivwert des Magnetisierungsstromes 1 der Drossel praktisch der Gleichung U = 1211 + 0,05 1 gehorcht, wobei der Kurvenverlauf unterhalb des Nenn stromes der Drossel von der genannten Funktion abwei chen kann, der Magnetisierungsstrom bei Nennspannung der Drossel (maximale Stufenspannung des Anzapftrans- formators) jedoch mindestens ein Viertel des Nennstro mes betragen muss. UNTERANSPRÜCHE 1.

   Elektrisches Wechselstromtriebfahrzeug nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Stromteilerdrosselspule das Verhältnis der Spulenlänge (l) zum mittleren Durchmesser (D) gleich oder kleiner als 1,5 und das Verhältnis der Spulenbreite (b) zum mittleren Durchmesser (D) gleich oder grösser als 0,2 ist. 2.

   Elektrisches Wechselstromtriebfahrzeug nach Pa tentanspruch oder Unteranspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das Verhältnis der aus dem inneren Spu- lenddurchmesser (D5) errechnete Spulenfläche (F,) zum effektiven Eisenquerschnitt (Fu) mindestens 2,0 beträgt.