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 del "hotel". El equivalente marítimo es la energía eléctrica de los hoteles. Un intento exitoso del Ferrocarril de Londres, Brighton y la 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 sustituir el petróleo por iluminación de gas de carbón en 1870, pero la explosión de una bombona de gas en el tren les llevó a abandonar el experimento. [2] La iluminación de petróleo y gas 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 retirarlo para recargarlo. [1]
En 1881, el Ferrocarril del Norte de Gran Bretaña generó electricidad con éxito utilizando una dinamo en la locomotora de vapor Brotherhood para proporcionar iluminación eléctrica en un tren, un concepto que más tarde se denominó energía de cabecera . El elevado consumo de vapor provocó el abandono del sistema. En 1883, London, Brighton and South Coast Railway puso en marcha tres trenes con electricidad generada a bordo utilizando una dinamo impulsada desde uno de los ejes. Esto cargó una batería de plomo-ácido en la camioneta del guardia, y el guardia operó y mantuvo el equipo. El sistema proporcionó con éxito iluminación eléctrica al tren. [1]
En 1885 se introdujo la iluminación eléctrica en los trenes de Frankfurt am Main mediante una dinamo del tipo Moehring y acumuladores. La dinamo era accionada por poleas y correas del eje a velocidades de 18 a 42 mph (29 a 68 km/h), y a velocidades más bajas se perdía 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 de gas y petróleo 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 Midland Railway en Aisgill provocó un gran número de muertes de pasajeros. Este accidente impulsó a los ferrocarriles a adoptar electricidad para iluminar los trenes. [1]
Durante el resto de la era del vapor y principios de la era del diésel, los automóviles de pasajeros se calentaban mediante vapor saturado a baja presión suministrado por la locomotora, y la electricidad para la iluminación y ventilación de los automóviles se derivaba de baterías cargadas por generadores impulsados por ejes en cada automóvil. , o de grupos motogeneradores montados debajo de la carrocería. A partir de la década de 1930, el aire acondicionado estuvo disponible en los vagones, y la energía para hacerlos funcionar la proporcionaban tomas de fuerza mecánicas del eje, pequeños motores dedicados o propano .
Los sistemas separados resultantes de energía de iluminación, calor de vapor y aire acondicionado impulsado 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 manejara todas esas funciones, y más, para todo un tren.
En la era del vapor, todos los coches en 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 disponían de un suministro de vapor de la locomotora para calentar los vagones. [1] Cuando las locomotoras diésel y eléctricas sustituyeron al vapor, el calentamiento con vapor fue suministrado por una caldera de vapor . Se alimentaba con gasóleo (en las locomotoras diésel) o se calentaba mediante un elemento eléctrico (en las locomotoras eléctricas). Las calderas de vapor alimentadas con petróleo no eran fiables. Causaron más fallas de locomotoras en cualquier clase en la que estuvieran instalados que cualquier otro sistema o componente de la locomotora, [ cita necesaria ] y esto fue un incentivo importante para adoptar un método más confiable de calefacción de vagones.
En ese momento, la iluminación funcionaba con baterías que se cargaban con una dinamo debajo de cada vagón cuando el tren estaba en movimiento, y los vagones buffet usaban gas envasado para cocinar y calentar agua . [1]
Posteriormente, las locomotoras diésel y eléctricas estaban equipadas con aparatos de calefacción eléctrica de trenes ( ETH ), que suministraban energía eléctrica a los vagones para hacer funcionar los elementos calefactores eléctricos instalados junto al aparato de calor a vapor, que se conservaba para su uso con locomotoras más antiguas. Los diseños de vagones posteriores abolieron el aparato de vapor-calor y utilizaron el suministro de ETH para calefacción, iluminación (incluida la carga de las baterías de iluminación del tren), ventilación, aire acondicionado , ventiladores, enchufes y equipamiento de cocina en el tren. En reconocimiento a esto, ETH finalmente pasó a llamarse Electric Train Supply ( ETS ).
Cada autocar dispone de un índice relativo al consumo máximo de electricidad que podría utilizar. La suma de todos los índices no debe exceder 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 generador de ejes se desarrolló en el Ferrocarril de Boston y Maine , que había puesto varias locomotoras de vapor y vagones de pasajeros en servicio exclusivo de cercanías en Boston . Debido a las bajas velocidades promedio y las frecuentes paradas características de una operación de pasajeros, la potencia de los generadores de ejes fue insuficiente para mantener las baterías cargadas, lo que provocó 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 utilizaban el vapor de la locomotora para calentarse.
Algunos de los primeros aerodinámicos diésel aprovecharon su construcción de consistencia fija para emplear iluminación, aire acondicionado y calefacción eléctricos. Como los coches no estaban destinados a mezclarse con el parque de pasajeros existente, la compatibilidad de estos sistemas no era una preocupación. Por ejemplo, el tren Nebraska Zephyr tiene tres grupos electrógenos diésel en el primer vagón para alimentar los equipos a bordo.
Cuando las locomotoras diésel se introdujeron en el servicio de pasajeros, estaban equipadas con generadores de vapor para proporcionar vapor para la calefacción de los automóviles. Sin embargo, el uso de generadores de eje y baterías persistió durante muchos años. Esto comenzó a cambiar a finales de la década de 1950, cuando Chicago and North Western Railway retiró los generadores de vapor de sus locomotoras EMD F7 y E8 en el servicio de cercanías e instaló grupos electrógenos diésel (ver Península 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 pasajeros se convirtieron rápidamente a HEP, los trenes de larga distancia continuaron operando con sistemas eléctricos de vapor y 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 HEP en los EE. UU. y Canadá y la interrupción de los sistemas antiguos.
Después de su formación en 1971, la compra inicial de locomotoras de 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 estilo pasajero y capacidad de generación de vapor. El SDP40F permitió el uso de fuerza motriz moderna junto con los viejos vagones de pasajeros calentados por vapor adquiridos de ferrocarriles predecesores, lo que le dio tiempo a Amtrak para adquirir vagones y locomotoras especialmente diseñados.
En 1975, Amtrak comenzó a recibir el automóvil Amfleet totalmente eléctrico , arrastrado por locomotoras General Electric (GE) P30CH y E60CH , posteriormente ampliadas por locomotoras EMD F40PH y AEM-7 , todas ellas equipadas para equipar HEP. Se reconstruyeron cinco Amtrak E8 con generadores HEP para este propósito. Además, 15 vagones de equipaje se convirtieron en vagones generadores HEP para permitir el transporte de Amfleet con energía motriz que no sea HEP (como los GG1 que sustituyen a las EMU Metroliner poco confiables ). Tras la introducción del Amfleet, el vagón Superliner (totalmente eléctrico) se puso en funcionamiento en rutas occidentales de larga distancia. Posteriormente, Amtrak convirtió una parte de la flota calentada por vapor a funcionamiento totalmente eléctrico utilizando HEP y retiró los automóviles restantes no convertidos a mediados de la década de 1980. [6]
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Un vagón de cabecera (también llamado vagón generador) es un vagón de ferrocarril que suministra energía de cabecera ("HEP"). Dado que la mayoría de las locomotoras modernas suministran HEP, ahora las utilizan principalmente los ferrocarriles tradicionales que utilizan locomotoras más antiguas o los museos ferroviarios que llevan sus equipos de excursión. [7] Algunos coches eléctricos de cabecera comenzaron como otras formas de material rodante que han sido reconstruidos con generadores diésel y tanques de combustible para suministrar HEP al equipo de pasajeros. [8] [9]
Aunque los vagones propulsados por diésel son más comunes, también existen los eléctricos y se utilizan para proporcionar energía a los trenes cuando son arrastrados por locomotoras sin HEP o cuando no están conectados a una locomotora.
El generador HEP puede ser impulsado por un motor separado montado en la locomotora o en el vagón generador, o por el motor principal de la locomotora .
El HEP suministrado por el grupo electrógeno suele realizarse a través de una unidad diésel auxiliar que es independiente del motor de propulsión principal (motor primario). Estos grupos de motor/generador se instalan generalmente 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 y motores debajo de los vagones más pequeños para suministrar electricidad en trenes cortos.
En muchas aplicaciones, el motor principal de la locomotora proporciona tanto propulsión como potencia en la cabecera. Si el generador HEP es impulsado por el motor, entonces 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 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 desde el generador de tracción, lo que permite que el motor primario tenga un rango de RPM más amplio.
Cuando se deriva del motor primario, el HEP 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 HEP. La Fairbanks-Morse P-12-42 fue una de las primeras locomotoras equipadas con HEP en tener su motor primario configurado para funcionar a una velocidad constante, con la salida del generador de tracción regulada únicamente mediante voltaje de excitación variable.
Una de las primeras pruebas de HEP propulsado por el motor principal de una locomotora EMD fue en 1969, en Milwaukee Road EMD E9 #33C, que se convirtió para tener un motor trasero de velocidad constante. [11]
La energía HEP suministra las cargas de iluminación, HVAC , vagón comedor, cocina y carga de baterías. La carga eléctrica de un automóvil individual varía desde 20 kW para un automóvil típico hasta más de 150 kW para un automóvil Dome con cocina y comedor, como los automóviles Princess Tours Ultra Dome que operan en Alaska .[12]
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Debido a la longitud de los trenes y los altos requisitos de energía en América del Norte , 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 reducirlos a voltajes más bajos. [12] Una implementación típica requiere seis hilos en dos cables de tamaño 4/0 AWG. Se proporciona redundancia adicional mediante duplicación como Sistema HEP A y Sistema HEP B utilizando un total de doce hilos y cuatro cables, que admiten hasta 400 amperios por cable. [12]
En el Reino Unido, el ETS se suministra con 800 V a 1000 V CA/CC bipolar (400 o 600 A), 1500 V CA bipolar (800 A) o 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 Third Rail. Las locomotoras Clase 73 simplemente suministran este voltaje de línea directamente a los puentes ETS, mientras que las locomotoras eléctricas diésel Clase 33 tienen un generador de calefacción de tren impulsado por un motor independiente que suministra 750 V CC a las conexiones de calefacción del tren.
En Irlanda, HEP se proporciona según el estándar europeo/IEC 230/400 V 50 Hz (originalmente 220/380 V 50 Hz). Esto tiene la misma especificación que los sistemas de energía utilizados en la industria y los edificios domésticos y comerciales de Irlanda y la UE.
En los conjuntos Cork-Dublin CAF MK4, esto lo proporcionan dos generadores, ubicados en el furgón de remolque de conducción y en los conjuntos Enterprise push-pull, esto lo proporcionan generadores en un furgón de remolque exclusivo. Los trenes DMU irlandeses, que constituyen la mayor parte de la flota, utilizan pequeños generadores ubicados debajo de cada vagón.
Históricamente, HEP y, en los vehículos más antiguos, la calefacción por vapor se proporcionaba mediante furgonetas generadoras que contenían generadores y calderas de vapor . Normalmente estaban ubicados en la parte trasera de los trenes. Los trenes Enterprise Dublin-Belfast utilizaron inicialmente HEP de locomotoras diesel-eléctricas GM 201 , pero debido a problemas de confiabilidad y desgaste excesivo en los sistemas de locomotoras, se usaron furgonetas generadoras (provenientes de juegos MK3 retirados de Irish Rail y adaptadas para uso push-pull). agregado. El modo HEP fue descartado cuando una locomotora clase IE 201 se incendió.
Los automóviles rusos utilizan calefacción eléctrica con un voltaje de CC de 3 kV en líneas de CC o un voltaje de CA de 3 kV en líneas de CA proporcionadas por el transformador principal de la locomotora. Los coches más nuevos son fabricados en su mayoría por fabricantes de Europa occidental y están equipados de forma similar a los coches RIC.
Los coches RIC deben poder alimentarse con los cuatro voltajes siguientes: 1.000 V 16+2 ⁄ 3 Hz CA, 1500 V 50 Hz CA, 1500 V CC y 3000 V CC. El primero se utiliza en Austria, Alemania, Noruega, Suecia y Suiza, donde se utiliza el sistema de catenaria CA de 15 kV 16,7 Hz . El segundo (1,5 kV CA) se utiliza en países que utilizanSistema de catenaria CA 25 kV 50 Hz (Croacia, Dinamarca, Finlandia, Hungría, Portugal, Serbia y 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 CA en las locomotoras diésel. En los países que utilizan energía CC (ya sea 1,5 kV o 3 kV CC), el voltaje recogido por el pantógrafo se suministra directamente a los automóviles. (Bélgica, Polonia y España, y algunas líneas en Rusia e Italia usan 3 kV, y los Países Bajos y algunas líneas en Francia usan 1,5 kV; consulte información más detallada en el artículo Lista de sistemas de electrificación ferroviaria ).
Los automóviles modernos también suelen admitir corriente alterna de 1000 V 50 Hz; esta variedad se encuentra a veces en depósitos y plazas de aparcamiento.
Los coches europeos más antiguos utilizaban alto voltaje (o vapor, suministrado por locomotoras de vapor (algunos motores diésel y eléctricos también tenían calderas de vapor instaladas), también se utilizaban vagones con generador de vapor y algunos vagones estaban equipados con calderas de carbón o gasóleo) sólo para La calefacción, mientras que la luz, los ventiladores y otros suministros de baja corriente (por ejemplo, enchufes para afeitadoras en los baños) se proporcionaban mediante un generador impulsado por eje. Hoy en día, con los avances en la electrónica de estado sólido (tiristores e IGBT), la mayoría de los automóviles tienen fuentes de alimentación conmutadas que aceptan 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 difieren según el fabricante, pero los valores típicos son:
La calefacción eléctrica normalmente 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 HV estándar que cumple con RIC tiene seis resistencias que se conmutan de acuerdo con 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 conmutación de una configuración adecuada es automática por motivos de seguridad. Los pasajeros sólo pueden operar el termostato .
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En China, el HEP se suministra en dos formas.
En todos los automóviles 25A/G fabricados antes de 2005, los automóviles 22/25B reconstruidos y con aire acondicionado, la mayoría de los automóviles 25K y la mayoría de los automóviles 25T fabricados con BSP, el HEP se suministra a 380 V CA trifásico mediante automóviles generadores (originalmente clasificados como TZ coches, posteriormente reclasificados a KD), un pequeño número de locomotoras diésel DF11G y un número muy limitado de eléctricas SS9 modernizadas . Automóviles con grupos electrógenos diésel (automóviles RZ/RW/CA22/23/25B fabricados en fábrica, algunos automóviles YZ/YW22/23/25B reconstruidos, la mayoría de los 24 automóviles fabricados en Alemania y un número muy limitado de automóviles 25G/K/T para uso especial) también suministran su propia energía de esta forma. Es posible enrutar electricidad de CA desde un automóvil con grupo electrógeno diésel a un automóvil HEP normal vecino, aunque ambos automóviles no pueden hacer funcionar el aire acondicionado o la calefacción a plena carga en esta situación. Esos coches propulsados por diésel también pueden funcionar con HEP de otros lugares, sin necesidad de utilizar su propio diésel. Aunque se consideran ineficientes y obsoletos, principalmente porque el vagón generador "desperdicia" energía de tracción, personal y combustible (si funciona en líneas electrificadas), todavía se producen vehículos nuevos que utilizan AC HEP, junto con nuevos vagones/conjuntos generadores, principalmente para su uso. en zonas sin electrificación, considerando que la gran mayoría de los motores de China Railways que son capaces de suministrar HEP son locomotoras eléctricas.
En la mayoría de los automóviles 25G y 25/19T más nuevos, la energía es suministrada a 600 V CC por locomotoras eléctricas como SS7C, SS7D, SS7E, SS8 , SS9 , HXD1D , HXD3C , HXD3D y algunas diésel DF11G (No.0041, 0042, 0047, 0048, 0053-0056, 0101-0218). Un pequeño número de vagones generadores especiales (QZ-KD25T) diseñados para su uso en el ferrocarril de gran altitud Qinghai-Tíbet también suministran energía a 600 V CC. Con la rápida entrada en servicio de nuevos motores y vagones equipados con CC, así como con el envejecimiento y el retiro de equipos más antiguos que utilizan CA, DC HEP se ha convertido en la forma más destacada de suministro de energía de China Railways.
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 energía directamente de la locomotora, ha habido ejemplos (principalmente en Europa continental ) en los que los vagones restaurante podrían tomar energía directamente de los cables aéreos mientras el tren está parado y no conectado a la alimentación de 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 finlandeses tienen un grupo electrógeno diésel incorporado que se utiliza incluso cuando hay disponible energía suministrada por una locomotora.
Cuando el estado de Connecticut inició el servicio Shore Line East , utilizaban, en muchos casos, turismos nuevos con motores diésel de carga antiguos que no podían suministrar HEP, por lo que algunos de los autocares se entregaron con un generador HEP instalado. Con la adquisición de locomotoras con HEP, estas se eliminaron desde entonces.
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 una furgoneta generadora independiente [13] , como en el tren Amtrak Cascades o el remolque de furgoneta de conducción CAF Mark 4 de Iarnród Éireann ( con grupo electrógeno gemelo MAN 2846 LE 202 (320 kW) / Letag (330 kVA), montado por GESAN). KiwiRail (Nueva Zelanda) utiliza furgonetas con generador de equipaje clase AG para sus servicios de pasajeros Tranz Scenic ; El metro Tranz de 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 hecho a medida que suministraba HEP a sus vagones de pasajeros para evitar depender de las locomotoras ferroviarias anfitrionas que transportaban el tren.
En el Reino Unido y Suecia, los trenes de alta velocidad IC125 y X2000 tienen un bus de energía trifásico de 50 Hz.
Durante la década de 1980, durante la baja disponibilidad de automóviles HST, se utilizó una furgoneta generadora convertida a partir de un Mk.1 BG para proporcionar energía trifásica a los rastrillos HST para que pudieran ser transportados por locomotoras.
ADB975325 (posteriormente renumerado como 6310) se ve en Bristol Temple Meads el 4 de octubre de 1980.[ enlace muerto permanente ]