ЭЛЕКТРОПОЕЗД ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ, ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ И БЕЗОПАСНЫЙ ДЛЯ ЛЮДЕЙ
HIGH-SPEED POWER-SAVING NON-POLLUTING SAFE TRAIN

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., рисс 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 A, 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 дифференциальными устройствами с сетками, которые установлены в передней части головного вагона, и на его крыше, и на крыше прицепных вагонов, тяговыми электродвигателями постоянного или переменного тока, которые соединены фланцами жестко с нижней стороны рамы тележки болтами, вал каждого электродвигателя соединен с левой и правой стороны с полуосями и с парой колес, 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, 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 3-11 тяговыми электродвигателями постоянного или переменного тока мощностью 75-100 кВт, состав электропоезда содержит 10-11 пассажирских вагонов, каждый тяговый электродвигатель постоянного тока головного и прицепных вагонов, которые выполнены из алюминиевых или титановых сплавов, связан с электрической сетью переменного тока через токосъемник, с трансформатором, тиристорными преобразователями, обмоткой возбуждения, солиноидом и с аккумуляторами или каждый тяговый электродвигатель переменного тока головного и прицепных вагонов связан с электрической сетью через токосъемник, с трансформатором, тиристорными 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 конденсаторе, автономный инвертор напряжения соединен с каждым тяговым четырехполюсным асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона и прицепных вагонов, с обмоткой возбуждения и с аккумуляторами, 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, закрепленными к статору болтами для предотвращения его углового перемещения, и его вал соединен с колесами и с рельсами железной дороги, 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 соединены с отдельными 1-10 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, его разгоне, 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 асинхронного электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Электропоезд снабжен 3-11 тяговыми электродвигателями 1 постоянного или переменного тока мощностью 75-100 кВт, состав электропоезда содержит 10-11 пассажирских вагонов, каждый тяговый электродвигатель постоянного тока головного 2 и прицепных вагонов 3, которые выполнены из алюминиевых или титановых сплавов, связан с электрической сетью 4 переменного тока через токосъемник 5, с трансформатором 6, тиристорными преобразователями 7, обмоткой возбуждения 8, солиноидом 9 и с аккумуляторами 10 или каждый тяговый электродвигатель 1 переменного тока головного 2 и прицепных вагонов 3 связан с электрической сетью 4 через токосъемник 5, с трансформатором 6, тиристорными преобразователями 7 переменного тока в постоянный, 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 1 с короткозамкнутым ротором с вентилятором переменного тока головного вагона 2 и прицепных вагонов 3, с обмоткой возбуждения (на фиг. 3 обмотка возбуждения не показана) и с аккумуляторами 10, статор каждого тягового электродвигателя 1 постоянного или переменного тока соединен с рамой тележки 14 через ее окна 15 кронштейнами 16, покрытыми слоем высокостойкого полимерного материала, например тефлона, выполненными литьем на поверхности статора с верхней или нижней стороны, или кронштейнами, закрепленными к статору болтами для предотвращения его углового перемещения, и его вал 17 соединен с колесами 18 и с рельсами 19 железной дороги, каждый вал тягового электродвигателя 1 с двух сторон установлен на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа 20, обмотки статора каждого асинхронного электродвигателя 9 переменного тока соединены с отдельными 1-10 блоками конденсаторов 21 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, его разгоне, 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, тиристорные вентили 7, в которых переменный ток преобразуется в постоянный. Вал 17 каждого тягового электродвигателя 1 и колеса 18, за счет сил трения с рельсами 19, 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. За счет электрического тока электромагнитные силы приводят во вращение ротор каждого тягового асинхронного электродвигателя 1, его вал 17 и колеса 18, которые приводят в движение головной вагон и прицепные вагоны, для перемещения электропоезда назад контактным переключателем меняются полюса обмоток тягового асинхронного электродвигателя переменного тока.
Электрический ток с переменным напряжением от электрической сети подается через токосъемник 5 на трансформатор 6 для понижения переменного тока, тиристорными вентилями 7 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 и каждый тяговый асинхронный двигатель 1. За счет электрического тока электромагнитные силы приводят во вращение ротор каждого тягового асинхронного электродвигателя 1 его вал 17 и колеса 18, 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.
Передача крутящего момента от вала каждого тягового электродвигателя переменного тока на колеса позволяет развивать скорость электропоезда при частоте вращения вала асинхронного электродвигателя 3000 об/мин, диаметре колеса 950 мм, от 0 до 540 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.
Передача крутящего момента от вала электродвигателя на колеса головного и прицепных вагонов позволяет 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 тиристорные вентили, и электрический ток подают на каждый тяговый электродвигатель переменного тока, а в электрической сети переменного тока контактный переключатель автоматически включает в работу трансформатор и тиристорные преобразователи (на фиг. 1 контактный переключатель не показан).
Аккумуляторы используются для освещения и отопления вагонов в период отстоя электропоезда в ангарах, 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.
Для состава пассажирского электропоезда из 10-11 вагонов достаточно 3-6 тяговых асинхронных электродвигателей переменного тока мощностью 75-100 кВт.