ЭЛЕКТРОПОЕЗД ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ, ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЙ, ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТЫЙ И БЕЗОПАСНЫЙ ДЛЯ ЛЮДЕЙ
HIGH-SPEED ENERGY-SAVING ECOLOGICALLY CLEAN AND 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, являющийся 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 свинца, 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, расположен 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, каждый тяговый электродвигатель постоянного или переменного тока соединен фланцами жестко с верхней или с нижней стороны рамы каждой тележки болтами, вал которого соединен напрямую 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 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.
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, расположен 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, каждый тяговый электродвигатель постоянного или переменного тока соединен фланцами жестко с верхней или с нижней стороны рамы каждой тележки 15 болтами, вал 16 которого соединен напрямую с колесами 17 и с рельсами 18 железной дороги, каждый вал тягового электродвигателя 9 с двух сторон установлен на цилиндрические роликовые подшипники или на конические роликовые подшипники кассетного типа 19, обмотки статора каждого асинхронного электродвигателя 9 переменного тока и обмотки статора каждого турбогенератора 3 ветровой электростанции соединены с отдельными блоками конденсаторов 20 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 разгона, в процессе его перемещения по железной дороге и в электрическую сеть с пониженным напряжением, обмотки статоров турбогенераторов ветровых электростанций в этот момент автоматически контактным переключателем отключаются, блоки конденсаторов 20 напряжений соединены с вентилями 8 для зарядки аккумуляторов.
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 неэлектрифицированных 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 16 и колеса 17, 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 увеличиваются. 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 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 постоянным током электродвигателя постоянного тока.
При передаче крутящего момента от вала каждого тягового электродвигателя постоянного или переменного тока через карданный вал, вал-шестерню, зубчатое колесо, ось и колеса позволяет развивать скорость электропоезда при частоте вращения вала асинхронного электродвигателя 3000 об/мин, диаметре колеса 950 мм до 540 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).
При высокой скорости электропоезда на бесполезное лобовое сопротивление воздуха расходуется большое количество электроэнергии от общей электрической сети и от аккумулятора, которые разряжаются и требуют их зарядки от обычной розетки напряжением в 220 Вт в течение 6 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, 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, установленные на валу генератора, позволяют увеличить крутящий момент на валу, мощность генератора и кпд.
Передача крутящего момента от вала электродвигателя напрямую на колеса головного и прицепных вагонов позволяет увеличить кпд электропоезда, 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.