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 сс. 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-и 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 тяговым электродвигателем постоянного и переменного тока, который соединен фланцами жестко с нижней стороны рамы тележки болтами, вал каждого электродвигателя с левой и правой стороны соединен с полуосям и с парой колес, являющегося по мнению экспертизы более близким аналогом (см. Патент RU 2461470, опубл. 10.06.2012 г. Бюл. №26 того же заявителя).

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, например свинец, 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, отличающийся тем, что он снабжен электрогенераторами, каждый вал электрогенератора головного и прицепных вагонов соединен с колесами и с рельсами железной дороги для привода ротора указанного электрогенератора за счет сил трения колес с рельсами железной дороги при перемещении электропоезда, 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 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 или с нижней стороны рамы каждой тележки болтами, вал которого соединен с колесами и с рельсами железной дороги, каждый вал электрогенератора и каждый вал тягового электродвигателя с двух сторон установлен на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа, обмотки статора каждого асинхронного электродвигателя переменного тока и обмотки статора каждого электрогенератора соединены с отдельными блоками конденсаторов напряжения для накопления электрической энергии в периоды выгона и торможения и передачи накопленной энергии конденсаторов напрямую на обмотки тяговых электродвигателей в период трогания с места электропоезда, его разгона, в процессе его перемещения по железной дороге и в электрическую сеть с пониженным напряжением, обмотки статора электрогенераторов в этот момент автоматически отключаются, блоки конденсаторов соединены с вентилями для зарядки аккумуляторов.

На фиг.1 и фиг.2 показан общий вид электропоезда. На фиг.3 показана электрическая схема преобразования переменного тока в постоянный ток для тягового электродвигателя постоянного тока. На фиг.4 показана структура силовой части преобразователя частоты с выпрямителем для тягового асинхронного электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором.

Электропоезд снабжен электрогенераторами 1, каждый вал 2 электрогенератора головного 3 и прицепных вагонов 4 соединен с колесами 5 и с рельсами 6 железной дороги для привода ротора указанного электрогенератора за счет сил трения колес с рельсами железной дороги при перемещении электропоезда, каждый электрогенератор 1 связан через трансформатор 7 и тиристорные преобразователи 8 с тяговыми электродвигателями 9 постоянного тока головного вагона 3 и прицепных вагонов 4, 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 1 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 3 и прицепных вагонов 4, или контактная электрическая сеть 14 и каждый генератор 1 головного и прицепных вагонов 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 ABH 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 3 и прицепных вагонов 4, каждый тяговый электродвигатель постоянного или переменного тока соединен фланцами жестко с верхней или с нижней стороны рамы каждой тележки 15 болтами, вал 16 которого соединен с колесами 5 и с рельсами 6 железной дороги, каждый вал 2 электрогенератора 1 и каждый вал 16 тягового электродвигателя 9 с двух сторон установлен на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники 17, 18 кассетного типа, обмотки статора каждого асинхронного электродвигателя 9 переменного тока и обмотки статора каждого электрогенератора 1 соединены с отдельными блоками конденсаторов напряжения 19 для накопления электрической энергии в периоды выгона и торможения и передачи накопленной энергии конденсаторов напрямую на обмотки тяговых электродвигателей в период трогания с места электропоезда, его разгоне, в процессе его перемещения по железной дороге и в электрическую сеть 14 с пониженным напряжением, обмотки статора электрогенераторов в этот момент автоматически отключаются, блоки конденсаторов 19 соединены с вентилями 8 для зарядки аккумуляторов 10.

Электропоезд работает следующим образом.

На электрифицированных участках электродороги тяговые электродвигатели 9 постоянного тока питаются от контактной сети 14 постоянного или переменного тока и от электрогенераторов 1 переменного тока через трансформатор 7, понижающий силу тока, тиристорные вентили 8, в которых переменный ток преобразуется в постоянный. Вал 16 каждого тягового электродвигателя 9 приводит во вращение колеса 5.

Рассмотрим работу электропоезда на неэлектрифицированных участках железной дороги.

В первоначальный момент работы электропоезда машинист освобождает тормозные колодки колес и ручным или ножным потенциометрическим пультом управления, или контактным переключателем, или автоматическим пультом управления (на фиг.1 контактный переключатель, потенциометрический и автоматический пульты управления не показаны) соединяет аккумуляторы 10 и отдельные блоки конденсаторов напряжений 19 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 16 и колеса 5, которые приводят в движение головной вагон и прицепные вагоны, для перемещения электропоезда назад контактным переключателем меняются полюса обмоток статора тягового асинхронного электродвигателя переменного тока.

По мере увеличения скорости движения электропоезда частота вращения ротора электрогенератора увеличивается.

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, электрогенераторов и отдельных блоков конденсаторов.

Автономный режим тягового электродвигателя постоянного и переменного токов требует подзарядки аккумуляторов.

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 также, как и управление постоянным током электродвигателя постоянного тока.

Передача крутящего момента от вала каждого тягового электродвигателя постоянного или переменного тока напрямую через колеса позволяет развивать скорость электропоезда при частоте вращения вала асинхронного электродвигателя 3000 об/мин, диаметре колеса 950 мм до 540 км/час.

Для изменения направления движения электропоезда меняются полюса обмоток статора электродвигателя.

Передача крутящего момента от вала электродвигателя напрямую на колеса головного и прицепных вагонов позволяет увеличить кпд электродвигателя, стоимость изготовления привода и продлить срок работы электропоезда без ремонта, а использование инерционных сил вагонов позволяет сгладить механические потери кпд электрогенератора, работающего за счет сил трения колес с железной дорогой.

Отдельные блоки конденсаторов напряжений за счет накопленной электрической энергии в периоды выгона и торможения электропоезда снижают расход электрической энергии сети и аккумуляторов в период трогания с места электропоезда, его разгона и в процессе его перемещения по железной дороге, увеличивая при этом кпд и пробег электропоезда при работе его от аккумуляторов.

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта. Электропоезд содержит головной и прицепные вагоны с тяговыми асинхронными электродвигателями, связанными через редуктор с колесными парами, аккумуляторы с зарядными устройствами. Электропоезд снабжен электрогенераторами. Каждый вал электрогенератора соединен с колесами для привода ротора указанного электрогенератора за счет сил трения колес с рельсами . Каждый электрогенератор связан через трансформатор и тиристорные преобразователи с тяговыми электродвигателями постоянного тока, с зарядными устройствами и аккумуляторами, расположенными под кузовом головного и прицепных вагонов, с трубчатыми электронагревательными устройствами и с электросетью для освещения вагонов или с автономным инвертором напряжения. Автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым асинхронным электродвигателем. Каждый тяговый электродвигатель постоянного или переменного тока соединен фланцами жестко с верхней или с нижней стороны рамы каждой тележки болтами. Обмотки статора каждого электрогенератора соединены с отдельными блоками конденсаторов напряжения для накопления электрической энергии в периоды торможения и передачи накопленной энергии конденсаторов напрямую на обмотки тяговых электродвигателей в период трогания с места электропоезда, его разгона. Технический результат заключается в обеспечении энергосбережения и безопасности при работе людей. 4 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, отличающийся тем, что он снабжен электрогенераторами, каждый вал электрогенератора головного и прицепных вагонов соединен с колесами и с рельсами железной дороги для привода ротора указанного электрогенератора за счет сил трения колес с рельсами железной дороги при перемещении электропоезда, 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 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 или с нижней стороны рамы каждой тележки болтами, вал которого соединен с колесами и с рельсами железной дороги, каждый вал электрогенератора и каждый вал тягового электродвигателя с двух сторон установлен на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа, обмотки статора каждого асинхронного электродвигателя переменного тока и обмотки статора каждого электрогенератора соединены с отдельными блоками конденсаторов напряжения для накопления электрической энергии в периоды выгона и торможения и передачи накопленной энергии конденсаторов напрямую на обмотки тяговых электродвигателей в период трогания с места электропоезда, его разгона, в процессе его перемещения по железной дороге и в электрическую сеть с пониженным напряжением, обмотки статора электрогенераторов в этот момент автоматически отключаются, блоки конденсаторов соединены с вентилями для зарядки аккумуляторов.