электропоезд высокоскоростной, энергосберегающий, экологически чистый и безопасный для людей

Формула изобретения

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 турбогенераторами с диффузионными устройствами с сетками, в суженной части которых выполнены окна для снижения давления воздуха, возникающего при движении электропоезда, с обратных сторон турбин каждой ветровой электростанции, которые установлены 1-2 электростанции в передней части головного вагона, выполненного по радиусу окружности или по обтекаемой для воздуха кривой, и 1-10 электростанций на его крыше и 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов, причем электростанции установлены на валах, на каждом валу закреплен маховик и муфта, которая соединена с валом низкой частоты вращения редуктора, вал высокой частоты которого соединен муфтой с валом электрогенератора, расположенного в полости кузова кабины и машиниста головного вагона и на его крыше и на крыше прицепных вагонов на сварных рамах, причем 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, и с электросетью для освещения вагонов, 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 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 нижней стороны рамы каждой тележки болтами, или между фланцами и рамой установлен слой упругого материала, вал каждого электродвигателя соединен с левой и правой стороны с полуосями и с парой колес муфтой упругой, втулочно-пальцевой, для компенсации несоосности валов, устранения резонансных колебаний при периодически изменяющейся вибрационной нагрузке и снижения величины перегрузок деталей соединительных узлов, с торцов вала тягового электродвигателя и вала полуосей закреплены болтами цилиндрические пластины, которые предотвращают перемещение муфты вдоль оси валов, между пластинами и торцами валов установлен слой упругого материала для снижения ударных нагрузок или зубчатой муфтой с бочкообразными зубьями, полуоси колес с левой и правой сторон установлены на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа с опорой с одной стороны на трубу, закрепленную фланцами жестко с нижней стороны к раме тележки и/или между фланцами трубы и рамой тележки установлен слой упругого материала, а с другой - на буксовой узел.

Описание изобретения к патенту

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 вращение 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).

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, являющейся более близким аналогом (см заявку RU 2008147775/11 того же заявителя, опубл. 10.06.2010).

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 турбогенераторами с диффузионными устройствами с сетками, в суженной части которых выполнены окна для снижения давления воздуха, возникающего при движении электропоезда, с обратных сторон турбин каждой ветровой электростанции, которые установлены 1-2 электростанции в передней части головного вагона, выполненного по радиусу окружности или по обтекаемой для воздуха кривой, и 1-10 электростанций на его крыше и 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов, которые установлены на валах, на каждом валу закреплен маховик и муфта, которая соединена с валом низкой частоты вращения редуктора, вал высокой частоты которого соединен муфтой с валом электрогенератора, расположенного в полости кузова кабины и машиниста головного вагона и на его крыше и на крыше прицепных вагонов на сварных рамах, причем 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 и с электросетью для освещения вагонов или электрогенератор связан через трансформатор, тиристорные преобразователи переменного тока в постоянный, 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, 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 нижней стороны рамы каждой тележки болтами или между фланцами и рамой установлен слой упругого материала, вал которого соединен напрямую с левой и с правой стороны с полуосями и с парой колес, муфтой упругой втулочно-пальцевой для компенсации несоосности валов, устранения резонансных колебаний при периодически изменяющейся вибрационной нагрузке и снижения величины перегрузок деталей соединительных узлов, с торцов вала тягового электродвигателя и вала полуосей закреплены болтами цилиндрические пластины, которые предотвращают перемещение муфты вдоль оси валов, между пластинами и торцами валов установлен слой упругого материала для снижения ударных нагрузок или зубчатой муфтой с бочкообразными зубьями, полуоси колес с левой и правой сторон установлены на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа с опорой с одной стороны на трубу, закрепленную фланцами жестко с нижней стороны к раме тележки или между фланцами трубы и рамой тележки установлен слой упругого материала, а с другой - на буксовой узел.

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 короткозамкнутого электродвигателя переменного тока.

Электропоезд снабжен ветровыми турбогенераторами с диффузионными устройствами 1 с сетками 2, в суженной части которых выполнены окна 3 для снижения давления воздуха, возникающего при движении электропоезда, с обратных сторон турбин 4 каждой ветровой электростанции, которые установлены 1-2 электростанции в передней части головного вагона 5, выполненного по радиусу окружности или по обтекаемой для воздуха кривой, и 1-10 электростанций на его крыше и 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов 6, которые установлены на валах 7, на каждом валу закреплен маховик 8 и муфта, которая соединена с валом низкой частоты вращения редуктора 9, вал высокой частоты которого соединен муфтой с валом электрогенератора 10, расположенного в полости кузова кабины машиниста 11 головного вагона 5 и на его крыше и на крыше прицепных вагонов на сварных рамах, причем каждый ветровой генератор 10 ветровой электростанции связан через трансформатор 12 и тиристорные преобразователи 13 с тяговыми электродвигателями 14 постоянного тока головного вагона 5 и прицепных вагонов 6, с зарядными устройствами и аккумуляторами 15, 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, и с электросетью для освещения вагонов, или электрогенератор связан через трансформатор 12, тиристорные преобразователи 13 переменного тока в постоянный, аккумуляторами 15, с автономным инвертором напряжения, с системой управления АИН 16, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с системой управления АВН 17, которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе 18, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым четырехполюсным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором 14 с вентилятором переменного тока головного вагона 5 и прицепных вагонов 6, или контактная электрическая сеть (на фиг.1 контактная электрическая сеть не показана) и каждый генератор 10 ветровых электростанций головного и прицепных вагонов связаны через трансформатор 12, тиристорные преобразователи 13 переменного тока в постоянный, аккумуляторами 15, с автономным инвертором напряжения, с системой управления АИН 16, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с системой управления АВН 17, которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе 18, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым четырехполюсным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором 14 с вентилятором переменного тока головного вагона 5 и прицепных вагонов 6, каждый тяговый электродвигатель 14 постоянного или переменного тока соединен фланцами жестко с нижней стороны рамы каждой тележки 19 болтами или между фланцами и рамой установлен слой упругого материала, вал которого соединен напрямую с левой и с правой стороны с полуосями 20 и с парой колес 21, муфтой упругой втулочно-пальцевой 22 для компенсации несоосности валов, устранения резонансных колебаний при периодически изменяющейся вибрационной нагрузке и снижения величины перегрузок деталей соединительных узлов, с торцов вала тягового электродвигателя и вала полуосей закреплены болтами цилиндрические пластины 23, 24, которые предотвращают перемещение муфты вдоль оси валов, между пластинами и торцами валов установлен слой упругого материала 25 для снижения ударных нагрузок или зубчатой муфтой с бочкообразными зубьями, полуоси колес с левой и правой сторон установлены на цилиндрические роликовые подшипники 26 или на конические роликовые подшипники кассетного типа с опорой с одной стороны на трубу 27, закрепленную фланцами жестко с нижней стороны к раме тележки 19, или между фланцами трубы и рамой тележки установлен слой упругого материала, а с другой - на буксовой узел 28.

Электропоезд работает следующим образом.

На электрифицированных участках электродороги тяговые электродвигатели 14 постоянного тока питаются от контактной сети постоянного или переменного тока (на фиг.1 контактная сеть не показана) и от ветровых электрогенераторов 10 переменного тока через трансформатор 12, понижающий силу тока, тиристорные вентили 13, в которых переменный ток преобразуется в постоянный. Вал каждого тягового электродвигателя 14 приводит в движение муфты полуоси 20 и колесные пары 21 головного вагона 5, полуоси 20 и колесные пары 21 прицепных вагонов 6.

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 автоматическим пультом управления (на фиг.1 потенциометрический и автоматический пульты управления не показаны) соединяет аккумуляторы 15 с каждым тяговым асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором 14 переменного тока. За счет электрического тока электромагнитные силы приводят во вращение ротор каждого тягового асинхронного электродвигателя 14 и его вал, муфты 22, полуоси 20 и пару колес 21, 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 увеличивается. От давления воздушного потока начинают вращаться турбины 4, валы 7, маховик 8, муфты, валы редукторов 9 и валы электрогенераторов 10.

Электрический ток с переменным напряжением от электрогенераторов подается на трансформатор 12 для понижения переменного тока, тиристорные диоды 13 для преобразования его в постоянный ток, на зарядные устройства и аккумуляторы 15, на автономный инвертор напряжения с системой управления АИН 16, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, и с системой управления АВН 17, которая работает в режиме выпрямителя, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторе 18. От аккумуляторов и электрогенераторов с тиристорными вентилями постоянный ток подается на потенциометрический пульт управления или на автоматический пульт управления и каждый тяговый асинхронный электродвигатель 14.

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 управление постоянным током электродвигателя постоянного тока.

При передаче крутящего момента от вала каждого тягового электродвигателя постоянного или переменного тока напрямую через муфты, полуоси и колеса позволяет развивать скорость электропоезда при частоте вращения вала асинхронного электродвигателя 3000 об/мин и диаметре колеса 950 мм до 540 км/час, а при передаче крутящего момента от вала каждого тягового электродвигателя через муфту, 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 дуге, не показаны).

Использование электрической энергии ветровых электростанций позволяет сохранить кислород на планете Земля и создать идеальные условия для людей и гарантировать им здоровье и жизнь.