ЭЛЕКТРОПОЕЗД ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ, ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ЧИСТЫЙ И БЕЗОПАСНЫЙ ДЛЯ ЛЮДЕЙ Российский патент 2014 года по МПК B61C3/00 

Электропоезд высокоскоростной, энергосберегающий, экологически чистый и безопасный для людей относится к области железнодорожного транспорта и предназначен для перевозки людей, техники и различных грузов.

Известен электропоезд, который содержит электролокомотив и электровагоны, к которым контактный провод подводит электрическую энергию постоянного или переменного тока для привода тягового электродвигателя постоянного тока и колесных пар (см. Сидоров Н.И. Как устроен и работает электровоз. - М.: Транспорт, 1974. - 224 с.).

Аналогом является контактно аккумуляторный электропоезд ЭР2-А6, который содержит электролокомотив, в котором тяговые электродвигатели постоянного тока питаются на электрифицированных участках железной дороги от контактной сети постоянного тока или переменного тока через тиристорные вентили, а на неэлектрифицированных участках железной дороги - от щелочных железоникелевых аккумуляторов, и прицепные вагоны, под кузовом которых размещены аккумуляторные батареи (см. Калинин В. К. и др. Общий курс железных дорог. - М.: Транспорт, 1977. - 388 с. и с. 223-224).

Известен дизель-поезд, который содержит тепловоз с дизель-генераторами, с тяговыми электродвигателями постоянного тока, приводящими во вращения колесные пары тепловоза, и пассажирские или товарные вагоны (см. Михаленко А.А. Дизель типа ДР. - М.: Транспорт, 1990, - 336 с.)

Известен высокоскоростной поезд Velaro, который содержит головной вагон с тяговыми асинхронными двигателями переменного тока, связанный через редуктор с колесными парами, питаемый от контактной сети, аккумуляторы с зарядными устройствами и сцепные вагоны (см. Высокоскоростной поезд Velaro/A.Липп, Д.Ион, Р. Манглер компания Siemens. - Железные дороги мира - 2009, №1, с.36-50).

Известны электроприводы переменного тока с частотным регулированием (Г.Г.Соколовский. - М.: Издательский центр «Академия», 2006.-278 с., Рис. 4.13.

Аналогом является ветровой турбогенератор, который содержит турбину, редуктор и электрогенератор (см. Ветроэнергетика/ Под ред. Д Де Рензо. - М: Энергоатомиздат, 1982. -272 с.).

Из уровня техники известен электропоезд с локомотивом, содержащим аккумуляторы с зарядными устройствами, тяговые электродвигатели постоянного тока, связанные с колесными парами локомотива, и установленный в передней части локомотива ветровой генератор (см. патент GB 1501383 А, опубл. 15.02.1978 на 5-ти л.).

Из уровня техники известен электропоезд экологически чистый и безопасный для людей и окружающей природы, содержащий головной и прицепной вагоны с тяговыми двигателями, характеризующийся тем, что он снабжен ветровыми турбогенераторами с дифференциальными устройствами с сетками, которые установлены в передней части головного вагона и на его крыше и на крыше прицепных вагонов, являющийся по мнению экспертизы более близким аналогом (см заявку RU 2008147775/11 того же заявителя, опубл. 10.06.2010 на 4-х стр.)

Недостатками известных электропоездов и дизель-поездов являются:

- при перевозке людей и грузов электропоездами на большие расстояния недостаточно электроэнергии, подаваемой по одним и тем же проводам, поэтому требуется строить на участках железной дороги подстанции;

- при сгорании 1 кг дизельного топлива сгорает 1,5 кг кислорода, необходимого для жизни людей, при этом в атмосферу выбрасывается большое количество углекислого газа, дыма и различных вредных веществ, напримерсвинец, которые оказывают вредное влияние на здоровье и продолжительность жизни людей.

Техническим результатом является создание электропоезда высокоскоростного, энергосберегающего, экологически чистого и безопасного для людей.

Электропоезд, содержащий головной и прицепные вагоны с тяговыми асинхронными электродвигателями переменного тока, связанными через редуктор с колесными парами, питаемыми от контактной сети, аккумуляторы с зарядными устройствами, отличается тем, что он снабжен ветровыми турбогенераторами с дифференциальными устройствами с сетками, каждый генератор, одной или двух ветровых электростанций, на валу которого установлена одна турбина или две турбины с двух сторон, или с одной стороны турбина, а с другой - маховик, расположен на раме в полости дифференциального устройства с сетками, которые установлены у 1-2 электростанций в передней части кузова головного вагона, и у 1-10 электростанций на его крыше и у 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов, каждый генератор, одной или двух ветровых электростанций, на валу которого установлена одна турбина или две турбины с двух сторон, или с одной стороны турбина, а с другой - маховик, расположен на раме в полости дифференциального устройства с сетками, каждый ветровой электрогенератор связан через трансформатор и тиристорные преобразователи с тяговыми электродвигателями постоянного тока головного вагона и прицепных вагонов, с зарядными устройствами и аккумуляторами, расположенными под кузовом головного и прицепных вагонов, с трубчатыми электронагревательными устройствами, расположенными в титанах и в котлах для приготовления кипяченой и горячей воды в тепловой сети вагонов, которая изготовлена из алюминиевых сплавов, и с электросетью для освещения вагонов, которые изготовлены из алюминиевых или титановых сплавов, или электрогенератор связан через трансформатор, тиристорные преобразователи переменного тока в постоянный, с аккумуляторами, с автономным инвертором напряжения, с системой управления АИН, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с автономной системой управления напряжения АВН, которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым четырехполюсным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона и прицепных вагонов, или контактная электрическая сеть и каждый генератор ветровых электростанций головного и прицепных вагонов связаны через трансформатор, тиристорные преобразователи переменного тока в постоянный, с аккумуляторами, с автономным инвертором напряжения, с системой управления АИН, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с системой управления АВН, которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым четырехполюсным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона и прицепных вагонов, каждый тяговый электродвигатель постоянного или переменного тока соединен фланцами жестко с верхней стороны рамы каждой тележки болтами, вал которого соединен с карданным валом или с муфтой упругой втулочно-пальцевой для компенсации несоосности валов, устранения резонансных колебаний при периодически изменяющейся вибрационной нагрузке и снижения величины перегрузок деталей соединительных узлов, или с зубчатой муфтой с бочкообразными зубьями, оси колес с левой и правой сторон установлены на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа, каждый одноступенчатый редуктор, корпус которого установлен на оси колесных пар на роликовых подшипниках качения и на указанной оси колесной пары установлено зубчатое колесо с прямыми или с косыми или с шевронными эвольветными или с круглыми зубьями, которое соединено с валом-шестерней, установленным на шариковых или роликовых подшипниках качения через карданный вал или втулочно-пальцевую или зубчатую муфту с зубьями бочкообразной формы и с тяговым электродвигателем, корпус редуктора с нижней и боковых сторон расположен в п-образной полимерной полости, выполненной из износостойкого материала, например, тефлона и в п-образной полости стального кронштейна, закрепленного к раме с верхней стороны тележки болтами, или в п-образной полости рамы тележки для предотвращения поперечного его перемещения, а со стороны вала-шестерни, с верхней указанный корпус редуктора установлен с опорой на слой полимерного материала и п-образный кронштейн, который закреплен к раме тележки с верхней стороны для предотвращения углового его перемещения.

На фиг.1 показаны: общий вид электропоезда с ветровыми турбогенераторами, общий вид пассажирского вагона с установленными на его крыше ветровыми турбогенераторами. На фиг.2 показана электрическая схема преобразования переменного тока ветрового турбогенератора в постоянный ток для тягового электродвигателя постоянного тока. На фиг.3 показана структура силовой части преобразователя частоты с выпрямителем для тягового асинхронного электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором.

Электропоезд снабжен ветровыми турбогенераторами с дифференциальными устройствами 1 с сетками 2, каждый генератор 3, одной или двух ветровых электростанций, на валу которого установлена одна турбина или две турбины 4 с двух сторон, или с одной стороны турбина, а с другой -маховик, расположен на раме в полости дифференциального устройства 1 с сетками 2, которые установлены у 1-2 электростанций в передней части кузова головного вагона 5, и у 1-10 электростанций на его крыше и у 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов 6, каждый генератор 3, одной или двух ветровых электростанций, на валу которого установлена одна турбина или две турбины 4 с двух сторон, или с одной стороны турбина, а с другой - маховик, расположен на раме в полости дифференциального устройства 1 с сетками 2, каждый ветровой электрогенератор 3 связан через трансформатор 7 и тиристорные преобразователи 8 с тяговыми электродвигателями 9 постоянного тока головного вагона 5 и прицепных вагонов 6, с зарядными устройствами и аккумуляторами 10, расположенными под кузовом головного и прицепных вагонов, с трубчатыми электронагревательными устройствами, расположенными в титанах и в котлах для приготовления кипяченой и горячей воды в тепловой сети вагонов, которая изготовлена из алюминиевых сплавов, и с электросетью для освещения вагонов, которые изготовлены из алюминиевых или титановых сплавов, или электрогенератор 3 связан через трансформатор 7, тиристорные преобразователи 8 переменного тока в постоянный, с аккумуляторами 10, с автономным инвертором напряжения, с системой управления АИН 11, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с автономной системой управления напряжения АВН 12, которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе 13, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым четырехполюсным асинхронным электродвигателем 9 с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона 5 и прицепных вагонов 6, или контактная электрическая сеть 14 и каждый генератор 3 ветровых электростанций головного 5 и прицепных вагонов 6 связаны через трансформатор 7, тиристорные преобразователи 8 переменного тока в постоянный, с аккумуляторами 10, с автономным инвертором напряжения, с системой управления АИН 11, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с системой управления АВН 12, которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе 13, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым четырехполюсным асинхронным электродвигателем 9 с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона 5 и прицепных вагонов 6, каждый тяговый электродвигатель постоянного или переменного тока соединен фланцами жестко с верхней стороны рамы каждой тележки 15 болтами, вал которого соединен с карданным валом 16 или с муфтой упругой втулочно-пальцевой для компенсации несоосности валов, устранения резонансных колебаний при периодически изменяющейся вибрационной нагрузке и снижения величины перегрузок деталей соединительных узлов, или с зубчатой муфтой с бочкообразными зубьями, оси 17 колес с левой и правой сторон установлены на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники 18 кассетного типа, каждый одноступенчатый редуктор 19, корпус которого установлен на оси 17 колесных пар 20 на роликовых подшипниках качения и на указанной оси колесной пары установлено зубчатое колесо 21 с прямыми или с косыми или с шевронными эвольветными или с круглыми зубьями, которое соединено с валом-шестерней 22, установленным на шариковых или роликовых подшипниках качения через карданный вал 16 или втулочно-пальцевую или зубчатую муфту с зубьями бочкообразной формы и с тяговым электродвигателем, корпус редуктора с нижней и боковых сторон расположен в п-образной полимерной полости 23, выполненной из износостойкого материала, например, тефлона и в п-образной полости стального кронштейна 24, закрепленного к раме с верхней стороны тележки 15 болтами или в п-образной полости рамы тележки для предотвращения поперечного его перемещения, а со стороны вала-шестерни 22, с верхней указанный корпус редуктора установлен с опорой на слой полимерного материала 25 и п-образный кронштейн 26, который закреплен к раме тележки с верхней стороны для предотвращения углового его перемещения.

Электропоезд работает следующим образом.

На электрифицированных участках электродороги тяговые электродвигатели 9 постоянного тока питаются от контактной сети 14 постоянного или переменного тока и от ветровых электрогенераторов 3 переменного тока через трансформатор 7, понижающий силу тока, тиристорные вентили 8, в которых переменный ток преобразуется в постоянный. Вал каждого тягового электродвигателя 9 приводит во вращение карданный вал 16 или упругую втулочно-пальцевую муфту или зубчатую муфту, вал-шестерню 22, зубчатое колесо 21, ось 17 колесной пары и колеса 20.

Рассмотрим работу электропоезда на неэлектрофицированных участках железной дороги.

В первоначальный момент работы электропоезда машинист освобождает тормозные колодки колес и ручным или ножным потенциометрическим пультом управления или контактным переключателем автоматическим пультом управления (на фиг.1 контактный переключатель, потенциометрический и автоматический пульты управления не показаны) соединяет аккумуляторы 10 с каждым тяговым асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором 9 переменного тока. За счет электрического тока электромагнитные силы приводят во вращение ротор каждого тягового асинхронного электродвигателя 9, вал каждого тягового электродвигателя приводит во вращение карданный вал 16, вал-шестерню 22, зубчатое колесо 21, ось 17 колесной пары и колеса 20, которые приводят в движение головной вагон и прицепные вагоны, для перемещения электропоезда назад контактным переключателем меняются полюса обмоток тягового асинхронного электродвигателя переменного тока.

По мере увеличения скорости движения электропоезда скорость и давление воздушного потока на лопасти турбины 4 ветровых электростанций увеличиваются. От давления воздушного потока начинают вращаться турбины 4 и валы электрогенераторов 3.

Электрический ток с переменным напряжением от электрогенераторов подается на трансформатор 7 для понижения переменного тока, тиристорные вентили 8 для преобразования его в постоянный ток, на зарядные устройства и аккумуляторы 10, на автономный инвертор напряжения с системой управления АИН 11, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, и с системой управления АВН 12, которая работает в режиме выпрямителя, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе 13. От аккумуляторов и электрогенераторов с тиристорными вентилями постоянный ток подается на потенциометрический пульт управления, или на автоматический пульт управления, или на контактный переключатель и каждый тяговый асинхронный электродвигатель 9.

С этого момента времени электропоезд переходит на автономный режим питания тягового асинхронного электродвигателя переменного тока от аккумуляторов и ветровых электростанций.

Использование серийно выпускаемых асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором переменного тока позволяет упростить его сборку и снизить стоимость изготовления, он обладает высокой надежностью и простотой его конструкции, связанной с отсутствием щеток и контактных колец по сравнению со сборкой электродвигателя постоянного тока, а использование структурной силовой части преобразователя частоты с выпрямителем позволяет управлять ручным или ножным потенциометром или автоматической системой управления частотой вращения тяговым асинхронным электродвигателем переменного тока, точно так же как и управления постоянным током электродвигателя постоянного тока.

При передаче крутящего момента от вала каждого тягового электродвигателя постоянного или переменного тока через карданный вал, вал-шестерню, зубчатое колесо, ось и колеса можно развивать скорость электропоезда при частоте вращения вала асинхронного электродвигателя 3000 об/мин, диаметре колеса 950 мм и передаточном отношении зубчатой передачи, равном единице, до 540 км/час, а при передаче крутящего момента от вала каждого тягового электродвигателя через карданный вал, вал-шестерню, зубчатое колесо, ось пары колес и колесную пару при указанной частоте вращения, диаметре колеса и передаточном числе зубчатой пары колес, равной трем, можно развивать скорость электропоезда до 180 км/час.

Для изменения направления движения электропоезда каждый головной вагон с ветровым турбогенератором и каждый вагон с ветровыми турбогенераторами поворачивается на специально оборудованных поворотных площадках или электропоезд перемещается по железнодорожному пути, выполненному по радиусу окружности или по кривой дуге (на фиг.1 поворотные площадки и железнодорожный путь, выполненный по радиусу окружности или по дуге, не показаны).

При высокой скорости электропоезда на бесполезное лобовое сопротивление воздуха расходуется большое количество электроэнергии от общей электрической сети и от аккумулятора, которые разряжаются и требуют их зарядки от обычной розетки напряжением в 220 Вт в течение 6 часов.

Турбогенераторы ветровых электростанций позволяют преобразовать лобовое сопротивление воздуха, а следовательно, снизить расходы электрической энергии аккумуляторов и увеличить пробег электропоезда за счет беспрерывной их подзарядки, а использование инерционных сил электропоезда позволяет сгладить дополнительный расход механической энергии ветровых электростанций и повысить их кпд, две турбины, установленные на валу генератора, позволяют увеличить крутящий момент на валу, мощность генератора и кпд.

Использование электрической энергии ветровых электростанций позволяет уменьшить расход электроэнергии, сохранить кислород на планете Земля и создать идеальные условия для людей и гарантировать им здоровье и жизнь, а использование карданных валов между тяговыми электродвигателями и редукторами позволяет увеличить срок их работы без ремонта.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта. Электропоезд содержит головной и прицепные вагоны с тяговыми асинхронными электродвигателями переменного тока, связанными через редуктор с колесными парами, питаемыми от контактной сети, аккумуляторы с зарядными устройствами. Электропоезд снабжен ветровыми турбогенераторами с дифференциальными устройствами с сетками. На валу каждого генератора, одной или двух ветровых электростанций, установлена одна турбина или две турбины с двух сторон, или с одной стороны турбина, а с другой - маховик, который расположен на раме в полости дифференциального устройства. Технический результат заключается в сокращении расхода электроэнергии. 3 ил.

Электропоезд, содержащий головной и прицепные вагоны с тяговыми асинхронными электродвигателями переменного тока, связанными через редуктор с колесными парами, питаемыми от контактной сети, аккумуляторы с зарядными устройствами, ветровые турбогенераторы с дифференциальными устройствами с сетками, которые установлены в передней части кузова головного вагона, и на его крыше, и на крыше прицепных вагонов, отличающийся тем, что на валу каждого электрогенератора установлена одна турбина или две турбины с двух сторон, или с одной стороны турбина, а с другой - маховик, который расположен на раме в полости дифференциального устройства.