Электропоезд высокоскоростной, энергосберегающий, экологически чистый и безопасный для людей
HIGH SPEED ELECTRIC TRAIN, ENERGY-SAVING, ECOLOGICALLY PURE AND SAFE FOR PEOPLE

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.)
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 тяговыми электродвигателями, вал каждого электродвигателя соединен зубчатыми муфтами с левой и с правой сторон с полуосями и с парой колес тележки, являющегося по мнению экспертизы более близким аналогом (см. патент RU 2461470. Опубл. 10.06.2012. 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 снабжен 3-20 тяговыми электродвигателями постоянного или переменного тока мощностью 500-1800 кВт, состав электропоезда содержит 10-30 пассажирских вагонов, каждый тяговый электродвигатель постоянного тока головного и прицепных вагонов, которые выполнены из алюминиевых или титановых сплавов, связан с высоковольтной электрической сетью переменного тока через токосъемник, с трансформатором, понижающим напряжение до 400 В или 690 В, с 1-50 блоками конденсаторов большой емкости, транзисторными диодами, обмоткой возбуждения, солиноидом и с аккумуляторами или каждый тяговый электродвигатель переменного тока головного и прицепных вагонов связан с высоковольтной электрической сетью через токосъемник, с трансформатором, понижающим напряжение до 400 В или 690 В, с 1-50 блоками конденсаторов большой емкости, транзисторными преобразователями переменного тока в постоянный, 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 1-10 конденсаторах, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым трехфазным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона и прицепных вагонов, с аккумуляторами, автономный инвертор напряжения АИН подает напряжение на три обмотки статора А, В, С трехфазного асинхронного электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором, провод однофазной сети переменного напряжения независимо от автономного инвертора напряжения соединен с нулем обмоток А, В, С для обеспечения стабильной работы электродвигателя, статор каждого тягового электродвигателя постоянного или переменного тока соединен с рамой тележки через ее окна кронштейнами, покрытыми слоем высокостойкого полимерного материала, например тефлона, выполненными литьем на поверхности статора с верхней или нижней стороны, или кронштейнами, приваренными к стальной оболочке статора, или кронштейнами, закрепленными к статору болтами с верхней и нижней сторон рамы для предотвращения его углового перемещения и исключения воздействия поперечной и вертикальной вибрации вагона и тележки на тяговый электродвигатель, и его вал напрямую соединен с колесами и с рельсами железной дороги, или фланец тягового электродвигателя соединен подвижно относительно тележки болтами с упругими втулками с нижней стороны рамы указанной тележки, между верхней плоскостью фланца указанного электродвигателя и нижней плоскостью указанной рамы тележки установлен слой упругого материала для снижения вибрации электродвигателя при поперечной и вертикальной вибрации вагона и тележки, а вал электродвигателя соединен напрямую с колесами и рельсами железной дороги, каждый вал тягового электродвигателя с двух сторон установлен на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа, каждая обмотка статора трехфазного асинхронного электродвигателя переменного тока соединена с отдельными 1-20 блоками конденсаторов напряжений большой емкости, которые установлены под кузовом головного и прицепных пассажирских вагонов для накопления электрической энергии в периоды свободного выгона и торможения и передачи накопленной электрической энергии конденсаторов напряжений на обмотки тяговых электродвигателей, в период трогания с места электропоезда, при его разгоне, в процессе его перемещения по железной дороге и в электрическую сеть с пониженным напряжением, или накопления электрической энергии в блоках конденсаторов и аккумуляторах от общей электрической сети в период отстоя электропоезда в ангаре железнодорожного вокзала.
На фиг. 1 показан общий вид электропоезда с головным и прицепными пассажирскими вагонами. На фиг. 2 показана электрическая схема преобразования переменного тока электрической сети в постоянный ток для тягового электродвигателя постоянного тока. На фиг. 3 показана структура силовой части преобразователя частоты с выпрямителем для тягового трехфазного асинхронного электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Электропоезд снабжен 3-20 тяговыми электродвигателями 1 постоянного или переменного тока мощностью 500-1800 кВт, состав электропоезда содержит 10-30 пассажирских вагонов, каждый тяговый электродвигатель постоянного тока головного 2 и прицепных вагонов 3, которые выполнены из алюминиевых или титановых сплавов, связан с высоковольтной электрической сетью 4 переменного тока через токосъемник 5, с трансформатором 6, понижающим напряжение до 400 В или 690 В, с 1-50 блоками конденсаторов 7 большой емкости, транзисторными диодами 8, обмоткой возбуждения 9, солиноидом 10 и с аккумуляторами 11 или каждый тяговый электродвигатель 1 переменного тока головного 2 и прицепных вагонов 3 связан с высоковольтной электрической сетью 4 через токосъемник 5, с трансформатором 6, понижающим напряжение до 400 В или 690 В, с 1-50 блоками конденсаторов 7 большой емкости, транзисторными преобразователями 8 переменного тока в постоянный, с автономным инвертором напряжения, с системой управления АИН 12, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, с автономной системой управления напряжения АВН 13, которая работает в выпрямительном режиме, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на 1-10 конденсаторах 14, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым трехфазным асинхронным электродвигателем 1 с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона 2 и прицепных вагонов 3, с аккумуляторами 11, автономный инвертор напряжения АИН 12 подает напряжение на три обмотки статора А, В, С трехфазного асинхронного электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором, провод 15 однофазной сети переменного напряжения независимо от автономного инвертора напряжения соединен с нулем обмоток А, В, С для обеспечения стабильной работы электродвигателя, статор каждого тягового электродвигателя 1 постоянного или переменного тока соединен с рамой тележки 16 через ее окна 17 кронштейнами 18, покрытыми слоем высокостойкого полимерного материала, например тефлона, выполненными литьем на поверхности статора с верхней или нижней стороны, или кронштейнами, приваренными к стальной оболочке статора, или кронштейнами, закрепленными к статору болтами с верхней и нижней сторон рамы для предотвращения его углового перемещения и исключения воздействия поперечной и вертикальной вибрации вагона и тележки на тяговый электродвигатель, и его вал 19 напрямую соединен с колесами 20 и с рельсами 21 железной дороги, или фланец тягового электродвигателя 1 соединен подвижно относительно тележки 16 болтами с упругими втулками с нижней стороны рамы указанной тележки, между верхней плоскостью фланца указанного электродвигателя и нижней плоскостью указанной рамы тележки установлен слой упругого материала для снижения вибрации электродвигателя при поперечной и вертикальной вибрации вагона и тележки, а вал 18 электродвигателя 1 соединен напрямую с колесами 20 и рельсами 21 железной дороги, каждый вал тягового электродвигателя 1 с двух сторон установлен на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа 22, каждая обмотка статора трехфазного асинхронного электродвигателя 9 переменного тока соединена с отдельными 1-20 блоками конденсаторов 23 напряжений большой емкости, которые установлены под кузовом головного и прицепных пассажирских вагонов для накопления электрической энергии в периоды свободного выгона и торможения и передачи накопленной электрической энергии конденсаторов напряжений на обмотки тяговых электродвигателей, в период трогания с места электропоезда, при его разгоне, в процессе его перемещения по железной дороге и в электрическую сеть с пониженным напряжением, или накопления электрической энергии в блоках конденсаторов и аккумуляторах от общей электрической сети в период отстоя электропоезда в ангаре железнодорожного вокзала.
Электропоезд работает следующим образом.
На электрифицированных участках электродороги тяговые электродвигатели 1 постоянного тока питаются от контактной электрической сети 4 переменного тока через токосъемник 5, трансформатор 6, понижающий силу тока, блоки конденсаторов 7 большой емкости, транзисторные диоды 8, в которых переменный ток преобразуется в постоянный. Вал 19 каждого тягового электродвигателя 1 и колеса 20, за счет сил трения с рельсами 21, приводят в движение вагоны электропоезда.
Рассмотрим работу электропоезда с тяговым электродвигателем переменного тока.
В первоначальный момент работы электропоезда машинист освобождает тормозные колодки колес и контактным переключателем с автоматическим пультом управления частотой вращения вала тягового электродвигателя (на фиг. 1 контактный переключатель с автоматическим пультом управления не показаны) соединяет электрическую сеть с каждым тяговым асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором 1 переменного тока.
Электрический ток с переменным напряжением от электрической сети подается через токосъемник 5 на трансформатор 6 для понижения переменного тока, блоки конденсаторов 7 большой емкости, транзисторные диоды 8 для преобразования его в постоянный ток, на зарядные устройства и аккумуляторы 11, на автономный инвертор напряжения с системой управления АИН 12, которая в двигательном режиме работает в режиме инвертора, и с системой управления АВН 13, которая работает в режиме выпрямителя, а в режиме торможения АИН переходит в выпрямительный режим, а АВН работает в режиме инвертора, инвертируя напряжение на конденсаторах 14 и каждый тяговый асинхронный двигатель 1.
За счет электрического тока электромагнитные силы приводят во вращение ротор каждого тягового асинхронного электродвигателя 1, его вал 19 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.
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 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 переменного тока на колеса можно развивать скорость электропоезда при частоте вращения вала асинхронного электродвигателя 3000 об/мин, диаметре колеса 950 мм от 0 до 500 км/час.
Для изменения направления движения электропоезда контактным переключателем меняются полюса статора тягового асинхронного короткозамкнутого электродвигателя.
Накопленная электрическая энергия в блоках конденсаторов напряжений позволяет заряжать аккумуляторы в процессе перемещения электропоезда и на стоянках беспрерывно и экономить электроэнергию.
При передаче крутящего момента от вала электродвигателя на колеса головного и прицепных вагонов можно увеличить кпд электропоезда, снизить стоимость изготовления привода и продлить срок работы электропоезда без ремонта, а использование инерционных сил вагонов позволяет сглаживать механические потери кпд электродвигателя.
В электрической сети железной дороги постоянного тока контактные переключатели, установленные в головном и прицепных вагонах, автоматически отключают трансформатор и транзисторные диоды и электрический ток подают на инвертор напряжения и обмотки статора А, В, С, тягового электродвигателя переменного тока, а в электрической сети переменного тока контактный переключатель автоматически включает в работу трансформатор и транзисторные диоды (на фиг. 1 контактный переключатель не показан).
Аккумуляторы используются для освещения, для питания электроприборов и в других системах управления.
Использование блоков конденсаторов напряжений позволяет экономить потребление электрической энергии из общей электрической сети и повысить кпд тяговых электродвигателей.
Использование 1-50 блоков конденсаторов позволяет стабилизировать напряжение в электрических схемах преобразования переменного тока в постоянный и в структурной силовой части преобразователя частоты вала трехфазного асинхронного электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором, уменьшить потребление электроэнергии из общей электрической сети в процессе разгона и перемещения электропоезда по железной дороге.
Для состава пассажирского электропоезда из 10-30 вагонов достаточно 3-12 тяговых асинхронных электродвигателей переменного тока мощностью 1500 кВ.