En el transporte ferroviario , la energía de cabecera ( HEP ), también conocida como suministro de tren eléctrico ( ETS ), es el sistema de distribución de energía eléctrica en un tren de pasajeros. La fuente de energía, generalmente una locomotora (o un vagón generador) en la parte delantera o "cabeza" de un tren, proporciona la electricidad utilizada para calefacción, iluminación, electricidad y otras necesidades "hoteleras". El equivalente marítimo es la energía eléctrica de los hoteles. Un intento exitoso del ferrocarril de Londres, Brighton y Costa Sur en octubre de 1881 de iluminar los vagones de pasajeros en la ruta de Londres a Brighton [1] anunció el comienzo del uso de electricidad para iluminar trenes en el mundo.
Las lámparas de aceite se introdujeron en 1842 para iluminar los trenes. [2] La economía impulsó al ferrocarril de Lancashire y Yorkshire a reemplazar el petróleo por gas de carbón en 1870, pero una explosión de una bombona de gas en el tren los llevó a abandonar el experimento. [2] La iluminación con gas de petróleo se introdujo a finales de 1870. La iluminación eléctrica se introdujo en octubre de 1881 [1] [2] mediante el uso de doce lámparas incandescentes de filamento de carbono Swan conectadas a una batería suspendida de 32 celdas recargables de plomo-ácido Faure , adecuadas para aproximadamente 6 horas de iluminación antes de ser retiradas para recargarse. [1]
En 1881, el ferrocarril North British Railway generó electricidad con éxito utilizando un dinamo en la locomotora de vapor Brotherhood para proporcionar iluminación eléctrica en un tren, un concepto que más tarde se denominó potencia de cabecera . El alto consumo de vapor provocó el abandono del sistema. En 1883, London, Brighton and South Coast Railway puso en funcionamiento tres trenes con electricidad generada a bordo mediante un dinamo accionado desde uno de los ejes. Esto cargaba una batería de plomo-ácido en el furgón del guarda, y el guarda operaba y mantenía el equipo. El sistema proporcionó iluminación eléctrica al tren con éxito. [1]
En 1885 se introdujo la iluminación eléctrica en los trenes de Frankfurt am Main mediante una dinamo y acumuladores de tipo Moehring. La dinamo era accionada por poleas y correas desde el eje a velocidades de entre 29 y 68 km/h (18 y 42 mph), y a velocidades inferiores se perdía la potencia. [3]
En 1887, los generadores impulsados por vapor en los vagones de equipaje [4] de los trenes Florida Special y Chicago Limited en los EE. UU. suministraron iluminación eléctrica a todos los vagones del tren mediante cableado, para introducir la otra forma de energía en la cabecera. [5]
La iluminación a gasóleo proporcionaba una mayor intensidad de luz en comparación con la iluminación eléctrica y se utilizó más popularmente hasta septiembre de 1913, cuando un accidente en el ferrocarril Midland en Aisgill causó una gran cantidad de muertes de pasajeros. Este accidente impulsó a los ferrocarriles a adoptar la electricidad para iluminar los trenes. [1]
Durante el resto de la era del vapor y hasta los primeros tiempos del diésel, los vagones de pasajeros se calentaban con vapor saturado a baja presión suministrado por la locomotora, y la electricidad para la iluminación y la ventilación de los vagones se obtenía de baterías cargadas por generadores accionados por ejes en cada vagón, o de grupos electrógenos montados bajo la carrocería. A partir de la década de 1930, el aire acondicionado empezó a estar disponible en los vagones de ferrocarril, y la energía para hacerlos funcionar se obtenía mediante tomas de fuerza mecánicas desde el eje, pequeños motores dedicados o propano .
Los sistemas separados resultantes de energía para iluminación, calefacción a vapor y aire acondicionado accionado por motor aumentaron la carga de trabajo de mantenimiento y la proliferación de piezas. La energía en la cabecera permitiría que una sola fuente de energía se encargara de todas esas funciones, y más, para todo un tren.
En la era del vapor, todos los automóviles de Finlandia y Rusia tenían una chimenea de leña o carbón. Esta solución se consideraba un peligro de incendio en la mayoría de los países de Europa, pero no en Rusia.
Originalmente, los trenes arrastrados por una locomotora de vapor se abastecían con un suministro de vapor de la locomotora para calentar los vagones. [1] Cuando las locomotoras diésel y las locomotoras eléctricas reemplazaron al vapor, la calefacción a vapor pasó a ser suministrada por una caldera de calor de vapor . Esta era alimentada con fueloil (en las locomotoras diésel) o calentada por un elemento eléctrico (en las locomotoras eléctricas). Las calderas de calor a vapor alimentadas con fueloil no eran confiables. Causaban más fallas en las locomotoras de cualquier clase en la que se instalaran que cualquier otro sistema o componente de la locomotora, [ cita requerida ] y este fue un incentivo importante para adoptar un método más confiable de calefacción de los vagones.
En esa época, la iluminación funcionaba con baterías que se cargaban mediante un dinamo situado debajo de cada vagón cuando el tren estaba en movimiento, y los vagones comedor utilizaban gas envasado para cocinar y calentar el agua . [1]
Posteriormente, las locomotoras diésel y eléctricas se equiparon con aparatos de calefacción eléctrica de trenes ( ETH ), que suministraban energía eléctrica a los vagones para hacer funcionar los elementos de calefacción eléctricos instalados junto con el aparato de calefacción a vapor, que se mantuvo para su uso con locomotoras más antiguas. Los diseños de vagones posteriores abolieron el aparato de calefacción a vapor y utilizaron el suministro ETH para calefacción, iluminación (incluida la carga de las baterías de iluminación del tren), ventilación, aire acondicionado , ventiladores, enchufes y equipos de cocina en el tren. En reconocimiento a esto, ETH finalmente pasó a llamarse Electric Train Supply ( ETS ).
Cada vagón tiene un índice relativo al consumo máximo de electricidad que puede utilizar. La suma de todos los índices no debe superar el índice de la locomotora. Una "unidad de índice ETH" equivale a 5 kW; una locomotora con un índice ETH de 95 puede suministrar 475 kW de potencia eléctrica al tren.
El primer avance sobre el antiguo sistema de generador de ejes se desarrolló en el ferrocarril de Boston y Maine , que había colocado una serie de locomotoras de vapor y vagones de pasajeros en servicio exclusivo de cercanías en Boston . Debido a las bajas velocidades promedio y las paradas frecuentes características de una operación de cercanías, la salida de los generadores de ejes era insuficiente para mantener las baterías cargadas, lo que resultó en quejas de los pasajeros sobre fallas de iluminación y ventilación. En respuesta, el ferrocarril instaló generadores de mayor capacidad en las locomotoras asignadas a estos trenes, proporcionando conexiones a los vagones. Los vagones usaban vapor de la locomotora para calentarse.
Algunos de los primeros trenes diésel aerodinámicos aprovecharon su construcción de estructura fija para utilizar iluminación, aire acondicionado y calefacción alimentados eléctricamente. Como los vagones no estaban pensados para mezclarse con el material de pasajeros existente, la compatibilidad de estos sistemas no era un problema. Por ejemplo, el tren Nebraska Zephyr tiene tres grupos electrógenos diésel en el primer vagón para alimentar los equipos de a bordo.
Cuando se introdujeron las locomotoras diésel en el servicio de pasajeros, estaban equipadas con generadores de vapor para proporcionar vapor para la calefacción de los vagones. Sin embargo, el uso de generadores de ejes y baterías persistió durante muchos años. Esto comenzó a cambiar a fines de la década de 1950, cuando el ferrocarril Chicago and North Western Railway eliminó los generadores de vapor de sus locomotoras EMD F7 y E8 en el servicio de cercanías e instaló grupos electrógenos diésel (consulte Peninsula 400 ). Esta fue una evolución natural, ya que sus trenes de cercanías ya recibían energía de bajo voltaje y baja corriente de las locomotoras para ayudar a los generadores de ejes a mantener la carga de la batería.
Si bien muchas flotas de trenes de cercanías se convirtieron rápidamente a sistemas de alta potencia, los trenes de larga distancia continuaron funcionando con calefacción a vapor y sistemas eléctricos alimentados por baterías. Esto cambió gradualmente tras la transferencia del servicio ferroviario de pasajeros interurbano a Amtrak y Via Rail , lo que finalmente resultó en la adopción total de sistemas de alta potencia en los EE. UU. y Canadá y la interrupción de los sistemas antiguos.
Tras su formación en 1971, la primera locomotora que compró Amtrak fue la Electro-Motive (EMD) SDP40F , una adaptación de la ampliamente utilizada locomotora de carga SD40-2 de 3000 caballos de fuerza, equipada con una carrocería de estilo para pasajeros y capacidad de generación de vapor. La SDP40F permitió el uso de la fuerza motriz moderna junto con los viejos vagones de pasajeros calentados a vapor adquiridos de los ferrocarriles predecesores, lo que le dio tiempo a Amtrak para adquirir vagones y locomotoras especialmente diseñados.
En 1975, Amtrak comenzó a recibir el vagón totalmente eléctrico Amfleet , remolcado por locomotoras General Electric (GE) P30CH y E60CH , posteriormente aumentadas por locomotoras EMD F40PH y AEM-7 , todas ellas equipadas para suministrar energía eléctrica de alta potencia. Se reconstruyeron cinco Amtrak E8 con generadores de alta potencia para este propósito. Además, se convirtieron 15 vagones de equipaje en vagones con generador de alta potencia para permitir el transporte de Amfleet con energía motriz no eléctrica de alta potencia (como los GG1 que sustituyen a las poco fiables EMU de Metroliner ). Tras la introducción del Amfleet, el vagón ferroviario Superliner (totalmente eléctrico) se puso en funcionamiento en las rutas occidentales de larga distancia. Posteriormente, Amtrak convirtió una parte de la flota calentada a vapor a una operación totalmente eléctrica utilizando energía eléctrica de alta potencia, y retiró los vagones restantes sin convertir a mediados de la década de 1980. [6]
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Un vagón motor de cabecera (también llamado vagón generador) es un vagón ferroviario que suministra energía eléctrica de cabecera ("HEP"). Dado que la mayoría de las locomotoras modernas suministran HEP, ahora se utilizan principalmente en ferrocarriles históricos que utilizan locomotoras más antiguas o en museos ferroviarios que llevan su equipo en excursiones. [7] Algunos vagones motores de cabecera comenzaron como otras formas de material rodante que se han reconstruido con generadores diésel y tanques de combustible para suministrar HEP al equipo de pasajeros. [8] [9]
Aunque son más comunes los coches propulsados por diésel, también existen los eléctricos, que se utilizan para proporcionar energía a los trenes cuando son arrastrados por locomotoras sin HEP o cuando no están acoplados a una locomotora.
El generador HEP puede ser accionado por un motor separado montado en la locomotora o en el vagón generador, o por el motor principal de la locomotora .
La alimentación de energía eléctrica a través de un grupo electrógeno se realiza normalmente a través de una unidad diésel auxiliar que es independiente del motor de propulsión principal (motor primario). Estos grupos electrógenos/motores suelen instalarse en un compartimento en la parte trasera de la locomotora. El motor primario y el grupo electrógeno HEP comparten el suministro de combustible.
También se fabrican grupos electrógenos/motores debajo de los vagones más pequeños para suministrar electricidad a trenes cortos.
En muchas aplicaciones, el motor principal de la locomotora proporciona tanto propulsión como potencia en la parte delantera. Si el generador HEP es impulsado por el motor, debe funcionar a una velocidad constante ( RPM ) para mantener la frecuencia de línea de CA requerida de 50 Hz o 60 Hz . Un ingeniero no tendrá que mantener el acelerador en una posición de funcionamiento más alta, ya que la electrónica de a bordo controla la velocidad del motor para mantener la frecuencia establecida. [10]
Más recientemente, las locomotoras han adoptado el uso de un inversor estático, alimentado por el generador de tracción, que permite que el motor principal tenga un rango de RPM más amplio.
Cuando se deriva del motor principal, la energía eólica se genera a expensas de la potencia de tracción. Por ejemplo, las locomotoras General Electric P32 de 3200 hp (2,4 MW) y P40 de 4000 hp (3,0 MW) se reducen a 2900 y 3650 hp (2,16 y 2,72 MW), respectivamente, cuando suministran energía eólica. La Fairbanks-Morse P-12-42 fue una de las primeras locomotoras equipadas con energía eólica en tener su motor principal configurado para funcionar a una velocidad constante, con la salida del generador de tracción regulada únicamente mediante la variación del voltaje de excitación.
Una de las primeras pruebas de HEP impulsada por el motor principal de una locomotora EMD fue en 1969, en la Milwaukee Road EMD E9 #33C, que se convirtió para tener un motor trasero de velocidad constante. [11]
La energía HEP suministra energía a la iluminación, el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado , al vagón comedor, a la cocina y a las cargas de carga de la batería. La carga eléctrica individual de cada vagón varía de 20 kW para un vagón típico a más de 150 kW para un vagón domo con cocina y comedor, como los vagones domo Ultra de Princess Tours que operan en Alaska . [12]
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Debido a la longitud de los trenes y los altos requisitos de potencia en América del Norte , el sistema HEP se suministra como CA trifásica a 480 V (estándar en los EE. UU.), 575 V o 600 V. Se instalan transformadores en cada vagón para reducir el voltaje a voltajes más bajos. [12] Una implementación típica requiere seis cables en dos cables de calibre 4/0 AWG. Se proporciona redundancia adicional mediante duplicación como Sistema HEP A y Sistema HEP B utilizando un total de doce cables y cuatro cables, que admiten hasta 400 amperios por cable. [12]
En el Reino Unido, el ETS se suministra a 800 V a 1000 V CA/CC de dos polos (400 o 600 A), 1500 V CA de dos polos (800 A) o a 415 V trifásico en el HST . En la antigua Región Sur, los vagones Mk I estaban cableados para un suministro de 750 V CC. Esto corresponde al voltaje de línea en la red del Tercer Ferrocarril. Las locomotoras Clase 73 simplemente suministran este voltaje de línea directamente a los puentes ETS, mientras que las locomotoras diésel-eléctricas Clase 33 tienen un generador de calefacción de tren accionado por motor independiente que suministra 750 V CC a las conexiones de calefacción del tren.
En Irlanda, la energía eléctrica de alta potencia se suministra según el estándar europeo/IEC 230/400 V 50 Hz (originalmente 220/380 V 50 Hz). Esta es la misma especificación que los sistemas de energía utilizados en los edificios domésticos y comerciales y en la industria irlandeses y de la UE.
En los trenes CAF MK4 de Cork-Dublín, esto se consigue mediante dos generadores, ubicados en el furgón de remolque de conducción , y en los trenes Enterprise de empuje y tracción, esto se consigue mediante generadores en un furgón de cola exclusivo. Los trenes DMU irlandeses, que constituyen la mayoría de la flota, utilizan pequeños generadores ubicados debajo de cada vagón.
Históricamente, la calefacción HEP y, en vehículos más antiguos, la calefacción a vapor se proporcionaba mediante furgones generadores traseros que contenían generadores y calderas de vapor . Estos normalmente se ubicaban en la parte trasera de los conjuntos de trenes. Los conjuntos de trenes Enterprise Dublin-Belfast inicialmente usaban HEP de locomotoras diésel-eléctricas GM 201 , pero debido a problemas de confiabilidad y desgaste excesivo en los sistemas de las locomotoras, se agregaron furgones generadores (obtenidos de conjuntos MK3 de Irish Rail retirados y adaptados para uso push-pull). El modo HEP se descartó cuando una locomotora de la clase IE 201 se incendió.
Los vagones rusos utilizan calefacción eléctrica con una tensión de CC de 3 kV en líneas de CC o una tensión de CA de 3 kV en líneas de CA suministrada por el transformador principal de la locomotora. Los vagones más nuevos son fabricados principalmente por fabricantes de Europa occidental y están equipados de manera similar a los vagones RIC.
Los vehículos RIC deben poder recibir alimentación en los cuatro voltajes siguientes: 1000 V 16+2 ⁄ 3 Hz CA, 1.500 V 50 Hz CA, 1.500 V CC y 3.000 V CC. La primera se utiliza en Austria, Alemania, Noruega, Suecia y Suiza, donde se utiliza el sistema de catenaria de 15 kV 16,7 Hz CA. La segunda (1,5 kV CA) se utiliza en países que utilizanSistema de catenaria de corriente alterna de 25 kV y 50 Hz (Croacia, Dinamarca, Finlandia, Hungría, Portugal, Serbia y el Reino Unido, y algunas líneas en Francia, Italia y Rusia). En ambos casos, el voltaje adecuado lo proporciona el transformador principal de la locomotora o un alternador de corriente alterna en el caso de las locomotoras diésel. En los países que utilizan corriente continua (ya sea 1,5 kV o 3 kV de corriente continua), el voltaje recogido por el pantógrafo se suministra directamente a los vagones. (Bélgica, Polonia y España, y algunas líneas en Rusia e Italia utilizan 3 kV, y los Países Bajos y algunas líneas en Francia utilizan 1,5 kV; consulte información más detallada en el artículo Lista de sistemas de electrificación ferroviaria ). Los vagones modernos también suelen admitir corriente alterna de 1000 V y 50 Hz; esta variedad a veces se encuentra en cocheras y lugares de estacionamiento.
Los vagones europeos más antiguos utilizaban solo alto voltaje para la calefacción, mientras que la luz, los ventiladores y otros suministros de baja corriente (por ejemplo, los enchufes de las máquinas de afeitar en los baños) se proporcionaban mediante un generador accionado por ejes. Incluso los vagones ferroviarios más antiguos utilizaban vapor caliente para la calefacción, suministrado por una locomotora de vapor. En el período en el que funcionaban tanto las locomotoras de vapor como las eléctricas, algunas locomotoras diésel y eléctricas también tenían calderas de vapor instaladas, también había vagones generadores de vapor en uso y algunos vagones estaban equipados con calderas de carbón o petróleo. Más tarde, las locomotoras de vapor restantes utilizaron vagones generadores de electricidad propulsados por diésel, que también se utilizan a veces en la actualidad en trenes de pasajeros tirados por locomotoras diésel adoptadas para el transporte de mercancías sin dicha función.
Hoy en día, con los avances en electrónica de estado sólido (tiristores e IGBT), la mayoría de los automóviles tienen fuentes de alimentación conmutadas que admiten cualquier voltaje RIC (1,0–3,0 kV CC o 16+2 ⁄ 3 /50 Hz CA) y puede suministrar todos los voltajes más bajos necesarios. Los voltajes bajos varían según el fabricante, pero los valores típicos son:
La calefacción eléctrica generalmente se suministraba desde una línea HEP de alto voltaje, pero los voltajes inusuales no son comunes en el mercado y el equipo es costoso.
Un calentador de alta tensión que cumple con la normativa RIC tiene seis resistencias que se conmutan según el voltaje: 6 en serie (3 kV CC), 2 × 3 en serie (1,5 kV CA o CC) o 3 × 2 en serie (1 kV CA). La selección y el cambio de la configuración adecuada es automática por motivos de seguridad. Los pasajeros solo pueden operar el termostato .
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En China, el HEP se suministra en dos formas.
En todos los vagones 25A/G construidos antes de 2005, los vagones 22/25B reconstruidos y con aire acondicionado, la mayoría de los vagones 25K y la mayoría de los vagones 25T fabricados por BSP, la HEP se suministra a 380 V CA trifásica mediante vagones generadores (originalmente clasificados como vagones TZ, posteriormente reclasificados como KD), una pequeña cantidad de locomotoras diésel DF11G y una cantidad muy limitada de sistemas eléctricos SS9 modernizados . Los vagones con grupos electrógenos diésel (vagones RZ/RW/CA22/23/25B fabricados en fábrica, algunos vagones YZ/YW22/23/25B reconstruidos, la mayoría de los vagones 24 fabricados en Alemania y una cantidad muy limitada de vagones 25G/K/T para uso especial) también suministran su propia energía de esta forma. Es posible enrutar la electricidad de CA desde un vagón con grupo electrógeno diésel a un vagón HEP normal vecino, aunque ambos vagones no pueden hacer funcionar el aire acondicionado o la calefacción a plena carga en esta situación. Estos vagones propulsados por diésel también pueden funcionar con energía eléctrica de alta potencia de otros lugares, sin utilizar su propio diésel. Aunque se consideran ineficientes y obsoletos, principalmente porque el vagón generador "desperdicia" potencia de tracción, personal y combustible (si circula por líneas electrificadas), todavía se fabrican vagones nuevos que utilizan energía eléctrica de alta potencia de CA, junto con vagones/grupos generadores nuevos, principalmente para su uso en zonas sin electrificación, teniendo en cuenta que la gran mayoría de los motores de China Railways que son capaces de suministrar energía eléctrica de alta potencia son locomotoras eléctricas.
En la mayoría de los vagones 25G y 25/19T más nuevos, la energía se suministra a 600 V CC por locomotoras eléctricas como SS7C, SS7D, SS7E, SS8 , SS9 , HXD1D , HXD3C , HXD3D y algunas locomotoras diésel DF11G (n.º 0041, 0042, 0047, 0048, 0053-0056, 0101-0218). Un pequeño número de vagones generadores especiales (QZ-KD25T) designados para su uso en el ferrocarril de gran altitud Qinghai-Tíbet también suministran energía a 600 V CC. Con los nuevos motores y vagones equipados con CC que entran en servicio rápidamente, así como el envejecimiento y el retiro de equipos más antiguos que usan CA, la HEP CC se ha convertido en la forma más destacada de suministro de energía de los ferrocarriles de China.
Un número muy limitado de automóviles, en su mayoría 25T, pueden funcionar con ambas formas de HEP.
Aunque la mayoría de los trenes arrastrados por locomotoras toman la energía directamente de la locomotora, ha habido ejemplos (principalmente en Europa continental ) en los que los vagones restaurante podían tomar energía directamente de los cables aéreos mientras el tren estaba parado y no conectado a la energía de la cabecera. Por ejemplo, los vagones restaurante alemanes WRmz 135 (1969), WRbumz 139 (1975) y ARmz 211 (1971) estaban todos equipados con pantógrafos .
Algunos vagones restaurante/catering finlandeses disponen de un grupo electrógeno diésel incorporado que se utiliza incluso cuando hay energía suministrada por una locomotora.
Cuando el estado de Connecticut inició el servicio Shore Line East , en muchos casos utilizaba vagones de pasajeros nuevos con locomotoras diésel de carga antiguas que no podían suministrar energía eléctrica de alta potencia, por lo que algunos de los vagones se entregaban con un generador de energía eléctrica de alta potencia instalado. Con la adquisición de locomotoras con energía eléctrica de alta potencia, estos se han eliminado.
Cuando un tren de pasajeros debe ser remolcado por una locomotora sin suministro de HEP (o con un suministro de HEP incompatible), se puede utilizar un furgón generador separado [13], como en el tren Cascades de Amtrak o el remolque de furgón de conducción CAF Mark 4 de Iarnród Éireann (con dos grupos electrógenos/motores MAN 2846 LE 202 (320 kW) / Letag (330 kVA), ensamblados por GESAN). KiwiRail (Nueva Zelanda) utiliza furgones de equipaje con generador de clase AG para sus servicios de pasajeros Tranz Scenic ; Tranz Metro en la línea Wairarapa utiliza vagones de pasajeros de clase SWG con parte del interior adaptado para albergar un generador. El tren Ringling Bros. and Barnum & Bailey Circus utilizó al menos un vagón motor construido a medida que suministraba HEP a sus vagones de pasajeros para evitar la dependencia de las locomotoras del ferrocarril anfitrión que arrastraban el tren.
En el Reino Unido y Suecia, los trenes de alta velocidad IC125 y X2000 tienen un bus de alimentación trifásico de 50 Hz.
cuando la disponibilidad de vagones de potencia del HST era baja, se utilizó un furgón generador convertido a partir de un Mk.1 BG para proporcionar energía trifásica a los rastrillos del HST para que pudieran ser arrastrados por locomotoras. ADB975325 (posteriormente renumerado 6310) se ve en Bristol Temple Meads el 4 de octubre de 1980.[ enlace muerto permanente ]