ЭЛЕКТРОПОЕЗД ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ, ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ И БЕЗОПАСНЫЙ ДЛЯ ЛЮДЕЙ Российский патент 2016 года по МПК B61C3/02 B60L8/00 B60L11/18 

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 железо-никелевых 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-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 ветровыми турбогенераторами с диффузионными устройствами с сетками, которые установлены в передней части головного вагона и на его крыше и на крыше прицепных вагонов, являющегося 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, 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 ветровыми электростанциями с турбогенераторами, в корпусе передней части головного вагона установлены 1-2 электростанции, а на его крыше 1-10 электростанций и 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов, на валу каждого электрогенератора с двух сторон установлены турбины, которые выполнены из полимера, или алюминиевых, или титановых, или стальных сплавов в виде лопаток или лопастей и расположены в кожухах, которые выполнены с диффузионными устройствами с сетками и окнами для подвода встречного потока воздуха и его отвода из корпуса головного вагона, каждый электрогенератор и каждый кожух закреплены на сварной раме, каждый ветровой генератор 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 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, 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 косыми, или шевронными эвольветными или 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 стороны 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 турбогенератороми, 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 короткозамкнутого электродвигателя переменного тока.

Электропоезд снабжен ветровыми электростанциями с турбогенераторами, в корпусе передней части головного вагона 1 установлены 1-2 электростанции, а на его крыше 1-10 электростанций и 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов 2, на валу каждого электрогенератора 3 с двух сторон установлены турбины 4, которые выполнены из полимера, или алюминиевых, или титановых, или стальных сплавов в виде лопаток или лопастей и расположены в кожухах 5, которые выполнены с диффузионными устройствами 6 с сетками и окнами 7 для подвода встречного потока воздуха и его отвода из корпуса головного вагона 1, каждый электрогенератор 3 и каждый кожух 5 закреплены на сварной раме 8, каждый ветровой генератор 3 связан через трансформатор 9 и тиристорные преобразователи 10 с тяговыми электродвигателями 11 постоянного тока головного вагона 1 и прицепных вагонов 2, с зарядными устройствами и аккумуляторами 12, 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, тиристорные преобразователи 10 переменного тока в постоянный с аккумуляторами 12, с автономным инвертором напряжения, с системой управления АИН 13, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с системой управления АВН 14, которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе 15, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым четырехполюсным асинхронным электродвигателем 11 с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона 7 и прицепных вагонов 8, или контактная электрическая сеть 16 и каждый генератор 3 ветровых электростанций головного 1 и прицепных вагонов 2 связаны через трансформатор 9, тиристорные преобразователи 10 переменного тока в постоянный с аккумуляторами 12, с автономным инвертором напряжения, с системой управления АИН 13, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с системой управления АВН 14, которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе 15, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым четырехполюсным асинхронным электродвигателем 11 с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона 1 и прицепных вагонов 2, каждый тяговый электродвигатель постоянного или переменного тока соединен фланцами жестко с верхней стороны рамы каждой тележки 17 болтами, вал которого соединен с карданным валом 18 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 19 с левой и правой сторон установлены на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники 20 кассетного типа, каждый одноступенчатый редуктор 21, корпус которого установлен на оси 19 колесных пар 22 на роликовых подшипниках качения, и на указанной оси колесной пары установлено зубчатое колесо 23 с прямыми, или косыми, или шевронными эвольветными или круглыми зубьями, которое соединено с валом-шестерней 24, установленным на шариковых или роликовых подшипниках качения через карданный вал 18 или втулочно-пальцевую или зубчатую муфту с зубьями бочкообразной формы и с тяговым электродвигателем 11, корпус редуктора 21 с нижней и боковых сторон расположен в п-образной полимерной полости 25, выполненной из износостойкого материала, например тефлона, и в п-образной полости стального кронштейна 26, закрепленного к раме с верхней стороны тележки 17 болтами или в п-образной полости рамы тележки 17 для предотвращения поперечного его перемещения, а со стороны вала-шестерни 24 с верхней стороны указанный корпус редуктора установлен с опорой на слой полимерного материала 27 и п-образный кронштейн 28, который закреплен к раме тележки 17 с верхней стороны для предотвращения углового его перемещения.

Электропоезд работает следующим образом.

На электрифицированных участках электродороги тяговые электродвигатели 11 постоянного тока питаются от контактной сети 16 постоянного или переменного тока и от ветровых электрогенераторов 3 переменного тока через трансформатор 9, понижающий силу тока, тиристорные вентили 10, в которых переменный ток преобразуется в постоянный. Вал каждого тягового электродвигателя 11 приводит во вращение карданный вал 18 или упругую втулочно-пальцевую муфту или зубчатую муфту, вал-шестерню 24, зубчатое колесо 23, ось 19 колесной пары и колеса 22. 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 автоматическим пультом управления (на фиг. 1 потенциометрический и автоматический пульты управления не показаны) соединяет аккумуляторы 12 с каждым тяговым асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором 11 переменного тока. За счет электрического тока электромагнитные силы приводят во вращение ротор каждого тягового асинхронного электродвигателя 11 вал каждого тягового электродвигателя приводит во вращение карданный вал 18, вал шестерню 24, зубчатое колесо 23, ось 19 колесной пары и колеса 22, 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 лопатки или лопасти турбины 4 ветровых электростанций увеличивается. От давления воздушного потока начинают вращаться турбины 4, и валы электрогенератора 3.

Электрический ток с переменным напряжением от электрогенераторов подается на трансформатор 9 для понижения переменного тока, тиристорные диоды 10 для преобразования его в постоянный ток, на зарядные устройства и аккумуляторы 12, на автономный инвертор напряжения с системой управления АИН 13, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, и с системой управления АВН 14, которая работает в режиме выпрямителя, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе 15. От аккумуляторов и электрогенераторов с тиристорными вентилями постоянный ток подается на потенциометрический пульт управления или на автоматический пульт управления и каждый тяговый асинхронный электродвигатель 11.

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 также как и управление постоянным током электродвигателя постоянного тока.

При передаче крутящего момента от вала каждого тягового электродвигателя постоянного или переменного тока через муфту, вал-шестерню, зубчатое колесо, ось и колеса позволяет развивать скорость электропоезда при частоте вращения вала асинхронного электродвигателя 3000 об/мин, диаметре колеса 950 мм и передаточном отношении зубчатой передачи, равной 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, позволяет 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 дугеЮ не показаны).

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 в ветровых электростанциях между тяговыми электродвигателями и редукторами позволяют увеличить срок их работы без ремонта, а установка турбин на валу генератора с двух сторон позволяет упростить конструкцию ветровой электростанции.

Изобретение относится к электрическим тяговым системам электропоездов. Электропоезд содержит головной и прицепные вагоны с тяговыми асинхронными электродвигателями, питаемыми от контактной сети, и аккумуляторы. Электропоезд снабжен ветровыми электростанциями с турбогенераторами. В передней части головного вагона установлены 1-2 электростанции, а на его крыше 1-10 электростанций и 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов, на валу каждого электрогенератора с двух сторон установлены турбины, которые выполнены с диффузионными устройствами с сетками и окнами для подвода и отвода встречного потока. Каждый ветровой генератор связан через трансформатор и тиристорные преобразователи с тяговыми электродвигателями постоянного тока головного и прицепных вагонов с зарядными устройствами и аккумуляторами, расположенными под кузовом вагонов. Корпус редуктора с нижней и боковых сторон расположен в п-образной полимерной полости, выполненной из износостойкого материала, 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. Технический результат заключается в обеспечении энергосбережения и экологической чистоты при работе поезда. 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, отличающийся тем, что он снабжен ветровыми электростанциями с турбогенераторами, в корпусе передней части головного вагона установлены 1-2 электростанции, а на его крыше 1-10 электростанций и 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов, на валу каждого электрогенератора с двух сторон установлены турбины, которые выполнены из полимера, или алюминиевых, или титановых, или стальных сплавов в виде лопаток или лопастей и расположены в кожухах, которые выполнены с диффузионными устройствами с сетками и окнами для подвода встречного потока воздуха и его отвода из корпуса головного вагона, каждый электрогенератор и каждый кожух закреплены на сварной раме, каждый ветровой генератор 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 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, 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 косыми, или шевронными эвольвентными или 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 стороны 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.