ЭЛЕКТРОПОЕЗД ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ, ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ И БЕЗОПАСНЫЙ ДЛЯ ЛЮДЕЙ
HIGH-SPEED NON-POLLUTING POWER-SAVING SAFE ELECTRIC 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 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 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, отличающийся тем, что он снабжен ветровыми турбогенераторами с дифференциальными устройствами с сетками, каждый генератор, одной или двух ветровых электростанций, на валу которого установлены 1-5 турбин или 1-5 турбин с двух сторон, или с одной стороны 1-5 турбин, а с другой - маховик, расположен на раме в полости дифференциального устройства с сетками, которые установлены 1-2 электростанции в передней части кузова головного вагона, и 1-10 электростанций на его крыше и 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов, каждый генератор, одной или двух ветровых электростанций, на валу которого установлены 1-5 турбин или 1-5 турбин с двух сторон, или с одной стороны 1-5 турбин, а с другой - маховик, расположенный на раме в полости дифференциального устройства с сетками, 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 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, 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, а его вал соединен с колесами и с рельсами, 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 турбогенератора ветровой электростанции соединены с отдельными блоками конденсаторов напряжений большой емкости для накопления электрической энергии в периоды свободного выгона и торможения и передачи накопленной электрической энергии конденсаторов напряжений напрямую 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, обмотки статоров турбогенераторов ветровых электростанций в этот момент автоматически контактным переключателем отключается, блоки конденсаторов напряжений соединены с вентилями для зарядки аккумуляторов во время перемещения электропоезда и на стоянках, для предотвращения схода колес с рельсов железнодорожных вагонов диаметр реборды колеса увеличен до 1050-1200 мм, торможение колес колодочным тормозом, или колесо выполнено с двумя ребордами диаметром 1050-1200 мм, торможение колес клещевым тормозом, колесо с двумя ребордами в месте контакта с рельсами, выполнено по прямой линии с плавными переходами или по криволинейной, повторяющей форму верхней поверхности рельсов, величина зазора между боковыми плоскостями верхней части рельса и плоскостями реборд составляет 1,0-10 мм, или для предотвращения опрокидывания вагонов при потере устойчивости по всей длине железной дороги, за исключением вокзалов, с двух сторон состава поезда установлены заграждения, которые выполнены из стальных двутавровых стоек, установленных в скважине на глубину 3,5-4,5 м ниже промерзания грунта и залитой бетоном, расстояние между стойками 1,5-20 м, стойки соединены сваркой стальной полосой или двутавровой балкой, для снижения износа и разрушения вагона в начале и в конце вагона установлены, с двух сторон, на осях ролики цилиндрической или овальной формы.
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 электродвигателя переменного тока с короткозамкнутым ротором.
Электропоезд снабжен ветровыми турбогенераторами с дифференциальными устройствами 1 с сетками 2, каждый генератор 3, одной или двух ветровых электростанций, на валу которого установлены 1-5 турбин или 1-5 турбин 4 с двух сторон, или с одной стороны 1-5 турбин, а с другой - маховик, расположен на раме в полости дифференциального устройства 1 с сетками 2, которые установлены 1-2 электростанции в передней части кузова головного вагона 5, и 1-10 электростанций на его крыше и 1-10 электростанций на крыше прицепных вагонов 6, каждый генератор 3, одной или двух ветровых электростанций, на валу которого установлены 1-5 турбин или 1-5 турбин 4 с двух сторон, или с одной стороны 1-5 турбин, а с другой - маховик, расположенный на раме в полости дифференциального устройства 1 с сетками 2, каждый ветровой электрогенератор 3 связан через трансформатор 7 и тиристорные преобразователи 8 с тяговыми электродвигателями 9 постоянного тока головного вагона 5 и прицепных вагонов 6, 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 3 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 5 и прицепных вагонов 6, или контактная электрическая сеть 14 и каждый генератор 3 ветровых электростанций головного 5 и прицепных вагонов 6 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 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 5 и прицепных вагонов 6, статор каждого тягового электродвигателя постоянного или переменного тока соединен с рамой тележки 15 через ее окна 16 кронштейнами 17, 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, а его вал 18 соединен с колесами 19 и с рельсами 20 железной дороги, каждый вал тягового электродвигателя 9 с двух сторон установлен на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа 21, обмотки статора каждого асинхронного электродвигателя 9 переменного тока и обмотки статора каждого турбогенератора 3 ветровой электростанции соединены с отдельными блоками конденсаторов 22 напряжений большой емкости 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, обмотки статоров турбогенераторов ветровых электростанций в этот момент автоматически контактным переключателем отключается, блоки конденсаторов 22 напряжений соединены с вентилями 8 для зарядки аккумуляторов во время перемещения электропоезда и на стоянках, для предотвращения схода колес с рельсов железнодорожных вагонов диаметр реборды колеса 19 увеличен до 1050-1200 мм, торможение колес колодочным тормозом, или колесо 19 выполнено с двумя ребордами диаметром 1050-1200 мм, торможение колес клещевым тормозом (на фиг.1 колодочный и клещевой тормоза не показаны), колесо с двумя ребордами, в месте контакта с рельсами, выполнено по прямой линии с плавными переходами или по криволинейной, повторяющей форму верхней поверхности рельсов, величина зазора между боковыми плоскостями верхней части рельса и плоскостями реборд составляет 1,0-10 мм, или для предотвращения опрокидывания вагонов 5, 6 при потере устойчивости по всей длине железной дороги, за исключением вокзалов, с двух сторон состава поезда установлены заграждения, которые выполнены из стальных двутавровых стоек 23, установленных в скважине 24 на глубину 3,5-4,5 м ниже промерзания грунта и залитой бетоном, расстояние между стойками 1,5-20 м, стойки соединены сваркой стальной полосой или двутавровой балкой, для снижения износа и разрушения вагона в начале и в конце вагона установлены с двух сторон на осях ролики 25 цилиндрической или овальной формы.
Электропоезд работает следующим образом.
На электрифицированных участках электродороги тяговые электродвигатели 9 постоянного тока питаются от контактной сети 14 постоянного или переменного тока и от ветровых электрогенераторов 3 переменного тока через трансформатор 7 понижающий силу тока, тиристорные вентили 8, в которых переменный ток преобразуется в постоянный. Вал 16 каждого тягового электродвигателя 9, за счет сил трения, приводит во вращение колеса 17, которые приводят в движение вагоны электропоезда.
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 контактным переключателем с автоматическим пультом управления (на фиг.1 контактный переключатель, потенциометрический и автоматический пульты управления не показаны) соединяет аккумуляторы 10 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 его вал 18 и колеса 19, 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 лопасти турбин 4 ветровых электростанций увеличивается. От давления воздушного потока начинают вращаться турбины 4 и валы электрогенераторов 3.
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 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 на колеса позволяет развивать скорость электропоезда при частоте вращения вала асинхронного электродвигателя 3000 об/мин, диаметре колеса 950 мм, от 0 до 540 км/ч.
Для изменения направления движения электропоезда контактным переключателем меняются полюса статора тягового асинхронного которкозамкнутого электродвигателя.
При высокой скорости электропоезда на бесполезное лобовое сопротивление воздуха расходуется большое количество электроэнергии от общей электрической сети и от аккумуляторов, которые разряжаются и требуют их зарядки от обычной розетки напряжением в 220 Вт в течении 8 часов, а накопленная электрическая энергия в блоках конденсаторов напряжений позволяет заряжать аккумуляторы в процессе перемещения электропоезда и на стоянках беспрерывно и экономить электроэнергию.
Турбогенераторы ветровых электростанций позволяют преобразовать лобовое сопротивление воздуха в электрическую энергию, а следовательно, снизить расходы электрической энергии аккумуляторов и увеличить пробег электропоезда за счет беспрерывной их подзарядки, а использование инерционных сил электропоезда позволяет сгладить дополнительный расход механической энергии ветровых электростанций и повысить их кпд, 2-5 турбин, установленые на валу генератора, позволяют увеличить крутящий момент на валу, мощность генератора и кпд.
При передаче 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.
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.
Использование колес с двумя ребордами позволяет предотвратить сход вагонов с рельсов железной дороги и обеспечить безопасную перевозку пассажиров и грузов при скоростях 80-540 км/ч, ограждения защищат вагоны от их опрокидывания.