ヘッドエンド電源

鉄道輸送において、ヘッドエンド電源( HEP ) は電車電源( ETS )とも呼ばれ、旅客列車の電力配電システムです。電源は通常、列車の先頭または「先頭」にある機関車 (または発電機車) で、暖房、照明、電気、その他の「ホテル」のニーズに使用される電力を供給します。海事における同等物はホテル電力です。1881年 10 月、ロンドン・ブライトン・アンド・サウスコースト鉄道がロンドンからブライトンまでの路線で客車を照らす試みに成功し^[1]、世界で列車の照明に電気を使用する始まりとなりました。

1842年、列車の照明に石油ランプが導入されました。^[2]経済的な理由から、ランカシャー・ヨークシャー鉄道は1870年に石油を石炭ガス照明に切り替えましたが、列車内でガスボンベが爆発したため、実験は中止されました。^[2]石油ガス照明は1870年後半に導入されました。電気照明は1881年10月に導入されました。^{[1] [2]}電気照明は、12個のスワンカーボンフィラメント白熱電球を32個のフォーレ 鉛蓄電池の吊り下げ式バッテリーに接続して使用し、約6時間の照明に適しており、その後は充電のために取り外すことができました。^[1]

1881年、ノース・ブリティッシュ鉄道は、ブラザーフッド蒸気機関車のダイナモを使用して発電し、列車に電気照明を提供することに成功した。このコンセプトは後にヘッドエンドパワーと呼ばれるようになった。蒸気消費量が多かったため、このシステムは放棄された。1883年、ロンドン・ブライトン・アンド・サウス・コースト鉄道は、車軸の1つから駆動するダイナモを使用して車上で発電した電力で3本の列車を運行開始した。これにより車掌車の鉛蓄電池が充電され、車掌が機器を操作および保守した。このシステムにより、列車に電気照明を提供することに成功した。^[1]

1885年、フランクフルト・アム・マインの列車にモーリング型発電機と蓄電池を使用した電気照明が導入された。発電機は車軸からプーリーとベルトで駆動され、時速18～42マイル（29～68km/h）の速度で走行していたが、それより低速では電力が失われていた。^[3]

1887年、アメリカのフロリダ特別列車とシカゴ特別列車の荷物車^[4]に搭載された蒸気駆動発電機は、配線を通じて列車の全車両に電気照明を供給し、別の形態のヘッドエンド電源を導入した^{[5] 。}

石油ガス照明は電気照明に比べて高い明るさを提供し、1913年9月まで広く使用されていましたが、ミッドランド鉄道のアイスギルで事故が発生し、多数の乗客が死亡しました。この事故をきっかけに、鉄道会社は列車の照明に電気を採用するようになりました。^[1]

蒸気時代の残りとディーゼル時代初期にかけて、客車は機関車から供給される低圧飽和蒸気で暖房され、車内の照明や換気用の電力は各車両の車軸駆動発電機で充電されたバッテリー、または車体の下に搭載されたエンジン発電機セットから供給されていました。1930 年代から、鉄道車両にエアコンが装備されるようになり、車軸からの機械式動力取り出し装置、小型専用エンジン、またはプロパンから動力が供給されました。

その結果、照明電源、蒸気暖房、エンジン駆動の空調のシステムが別々になったため、保守作業量が増加し、部品も増加しました。ヘッドエンド電源により、列車全体のこれらすべての機能、さらにそれ以上の機能を単一の電源で処理できるようになります。

蒸気機関の時代、フィンランドとロシアのすべての車には、木や石炭を燃料とする暖炉が備え付けられていました。ヨーロッパのほとんどの国では、このような解決策は火災の危険があると考えられていましたが、ロシアではそうではありませんでした。

もともと、蒸気機関車牽引の列車には、客車を暖めるために機関車から蒸気が供給されていました。^[1]ディーゼル機関車と電気機関車が蒸気に取って代わると、蒸気暖房は蒸気暖房ボイラーによって供給されました。これは石油燃焼（ディーゼル機関車の場合）または電気要素によって加熱（電気機関車の場合）されていました。石油燃焼蒸気暖房ボイラーは信頼性が低かった。これは、装備されたどのクラスでも、機関車の他のシステムやコンポーネントよりも多くの機関車の故障を引き起こしたため、^[要出典]、より信頼性の高い客車暖房方法を採用する大きな動機となりました。

当時、照明は列車走行中に各車両の下にある発電機で充電される電池で動いており、ビュッフェ車両では調理や給湯にボンベガスが使用されていた。^[1]

後のディーゼル機関車と電気機関車には、電気列車暖房( ETH ) 装置が装備されました。これは、蒸気暖房装置の横に設置された電気加熱要素を動かすために客車に電力を供給しました。蒸気暖房装置は、古い機関車での使用のために保持されていました。後の客車の設計では、蒸気暖房装置が廃止され、列車内の暖房、照明 (列車照明バッテリーの充電を含む)、換気、空調、ファン、ソケット、厨房設備に ETH 供給が使用されました。これを認識して、ETH は最終的にElectric Train Supply ( ETS )に改名されました。

各客車には、使用できる最大電力消費量に関する指数があります。すべての指数の合計は、機関車の指数を超えてはなりません。1 つの「ETH 指数単位」は 5 kW に相当します。つまり、ETH 指数が 95 の機関車は、列車に 475 kW の電力を供給できます。

古い車軸発電機システムに対する最初の進歩は、ボストン・アンド・メイン鉄道で開発されました。^{[いつ? ]同社は、}ボストンで専用の通勤サービスに多数の蒸気機関車と客車を投入していました。通勤列車の特性である平均速度の低さと頻繁な停車のため、車軸発電機の出力はバッテリーを充電し続けるのに不十分であり、照明と換気の不具合について乗客から苦情が出ました。これに対応して、鉄道会社はこれらの列車に割り当てられた機関車に大容量の発電機を設置し、客車に接続しました。客車は機関車の蒸気を暖房に使用しました。

初期のディーゼル ストリームライナーの中には、固定構成の構造を利用して、電気で動く照明、エアコン、暖房を採用したものもありました。これらの車両は既存の客車と混在することを想定していなかったため、これらのシステムの互換性は問題ではありませんでした。たとえば、ネブラスカ ゼファートレインセットの最初の車両には、車内機器に電力を供給するためのディーゼル発電機が 3 台搭載されています。

ディーゼル機関車が旅客サービスに導入されたとき、蒸気発生器が装備され、車両の暖房用の蒸気を供給していました。しかし、車軸発電機とバッテリーの使用は長年続きました。これが変わり始めたのは、シカゴ・アンド・ノース・ウェスタン鉄道が通勤サービスのEMD F7およびE8機関車から蒸気発生器を取り外し、ディーゼル発電機セット (ペニンシュラ 400を参照) を設置した 1950 年代後半のことでした。これは自然な進化でした。通勤列車は既に、車軸発電機がバッテリーを充電し続けるのを助けるために、機関車から低電圧、低電流の電力を受け取っていたからです。

多くの通勤車両がすぐに HEP に転換された一方で、長距離列車は蒸気暖房とバッテリー駆動の電気システムで運行され続けました。これは、都市間旅客鉄道サービスがアムトラックとVia Railに移管されたことで徐々に変化し、最終的に米国とカナダで HEP が全面的に採用され、古いシステムが廃止されました。

1971年の設立後、アムトラックが最初に購入した機関車はエレクトロ・モーティブ（EMD）SDP40Fでした。これは、広く使用されていたSD40-2 3000馬力貨物機関車を改造したもので、客車スタイルの車体と蒸気発生装置が取り付けられていました。SDP40Fにより、前身の鉄道会社から取得した古い蒸気暖房の客車と併せて最新の動力を使用することが可能になり、アムトラックは専用の車両と機関車を調達する時間を持つことができました。

1975年、アムトラックはゼネラル・エレクトリック（GE）のP30CHおよびE60CH機関車で牽引される全電化のアムフリート車両の納入を開始した。後にEMDのF40PHおよびAEM-7機関車が増備され、これらはすべてHEPを装備していた。この目的のために、5台のアムトラックE8がHEP発電機を搭載して改造された。さらに、15台の荷物車がHEP発電機車に改造され、アムフリートを非HEP動力（信頼性の低いメトロライナーEMUの代わりにGG1など）で牽引できるようにした。アムフリートの導入後、（全電化の）スーパーライナー鉄道車両が西部の長距離路線で運用された。アムトラックはその後、蒸気暖房車両の一部をHEPを使用した全電化に改造し、1980年代半ばまでに残りの改造されていない車両を退役させた。^[6]

ヘッドエンドパワーカー （発電機車とも呼ばれる）は、ヘッドエンド電力（「HEP」）を供給する鉄道車両です。ほとんどの現代の機関車はHEPを供給するため、現在では主に古い機関車を使用する歴史的鉄道や、機器を遠足に持っていく鉄道博物館で使用されています。^[7]一部のヘッドエンドパワーカーは、ディーゼル発電機と燃料タンクを備えて改造され、乗客機器にHEPを供給する他の形式の鉄道車両として始まりました。^{[8] [9]}

ディーゼル動力の車両の方が一般的ですが、電気式の車両も存在し、HEP のない機関車で牽引されるとき、または機関車に接続されていないときに列車に電力を供給するために使用されます。

HEP 発電機は、機関車または発電機車に搭載された別のエンジン、または機関車の原動機によって駆動することができます。

発電機から供給される HEP は、通常、主推進 (原動機) エンジンから独立した補助ディーゼル ユニットを介して供給されます。このようなエンジン/発電機セットは、通常、機関車後部の区画に設置されます。原動機と HEP 発電機セットは、燃料供給を共有します。

短い列車に電力を供給するための小型の車下エンジン/発電機セットも製造されています。

多くの用途では、機関車の原動機は推進力とヘッドエンド電力の両方を提供します。HEP発電機がエンジンによって駆動される場合、必要な50Hzまたは60HzのACライン周波数を維持するために、一定速度（ RPM ）で動作する必要があります。エンジンの速度は車載電子機器によって制御され、設定された周波数が維持されるため、機関士はスロットルを高い位置に保つ必要はありません。^[10]

最近では、機関車は牽引発電機から電力を供給される静的インバータの使用を採用しており、これにより原動機の RPM 範囲を拡大できるようになりました。

原動機から供給される場合、HEP は牽引力を犠牲にして生成されます。たとえば、ゼネラルエレクトリックの3,200  hp (2.4 MW) P32および 4,000 hp (3.0 MW) P40機関車は、HEP を供給すると、それぞれ 2,900 hp および 3,650 hp (2.16 MW および 2.72 MW) に定格出力が低下します。フェアバンクス モース P-12-42は、原動機が一定速度で動作するように構成され、牽引発電機の出力が変化する励起電圧によってのみ調整される、最初の HEP 搭載機関車の 1 つでした。

EMD機関車の原動機で駆動するHEPの最初のテストの1つは、1969年にミルウォーキー鉄道 EMD E9 #33Cで行われ、定速後部エンジンを搭載するように改造されました。^[11]

HEP電力は照明、空調、食堂車、厨房、バッテリー充電に供給されます。各車両の電気負荷は、一般的な車両では20kWですが、アラスカで運行されているプリンセスツアーズウルトラドーム車のような厨房と食堂車を備えたドーム車では150kW以上になります。 ^[12]

北米では列車の長さと高電力要件のため、HEPは480V（米国標準）、575V、または600Vの三相交流で供給される。各車両 には低電圧に下げるための変圧器が取り付けられている。 ^[12]一般的な実装では、サイズ4/0AWGのケーブル2本に6本のワイヤが必要である。追加の冗長性は、HEPシステムAとHEPシステムBの複製によって提供され、合計12本のワイヤと4本のケーブルを使用して、ケーブルあたり最大400アンペアをサポートする。^[12]

英国では、ETS は 800 V ～ 1000 V AC/DC 2 極 (400 または 600 A)、1500 V AC 2 極 (800 A)、または HST の 415 V 3 相で供給されます。以前の南部地域では、Mk I 車両は 750 V DC 供給用に配線されていました。これは、第三軌条ネットワークの線間電圧に相当します。クラス 73 機関車は、この線間電圧を ETS ジャンパーに直接供給するだけですが、クラス 33 ディーゼル電気機関車には、列車加熱接続に 750 V DC を供給する別のエンジン駆動の列車加熱ジェネレーターがあります。

アイルランドでは、HEP は欧州/IEC 規格 230/400 V 50 Hz (元々は 220/380 V 50 Hz) で提供されます。これは、アイルランドと EU の住宅、商業ビル、産業で使用されている電力システムと同じ仕様です。

コーク・ダブリン CAF MK4 セットでは、駆動トレーラー車に設置された 2 台の発電機によって電力が供給され、プッシュプル エンタープライズ セットでは、専用の牽引車に設置された発電機によって電力が供給されます。車両の大部分を占めるアイルランドの DMU 列車では、各客車の下に設置された小型発電機が使用されています。

歴史的に、HEP と、古い車両では蒸気暖房は、発電機と蒸気ボイラーを搭載した後部の発電機車によって提供されていました。これらは通常、列車セットの後部に配置されていました。エンタープライズ ダブリン - ベルファスト列車セットは、当初GM 201 ディーゼル電気機関車の HEP を使用していましたが、信頼性の問題と機関車システムの過度の摩耗のため、発電機車 (引退したアイリッシュ レール MK3 セットから供給され、プッシュプル用に改造されたもの) が追加されました。HEP モードは、IE 201 クラスの機関車が火災を起こした際に廃止されました。

ロシアの車両は、機関車の主変圧器から供給される直流線上の 3 kV 直流電圧または交流線上の 3 kV 交流電圧のいずれかによる電気加熱を使用します。新しい車両は主に西ヨーロッパのメーカーによって製造されており、RIC 車両と同様の装備が施されています。

RIC車は、以下の4つの電圧すべてで供給可能でなければならない：1,000V 16+2 ⁄ 3  Hz AC、1,500 V 50 Hz AC、1,500 V DC、3,000 V DC。最初のものは、 15 kV 16.7 Hz AC架線システムが使用されているオーストリア、ドイツ、ノルウェー、スウェーデン、スイスで使用されています。2番目のもの（1.5 kV AC）は、15 kV 16.7 Hz AC 架線システムを使用している国で使用されています。25 kV 50 Hz AC架線システム（クロアチア、デンマーク、フィンランド、ハンガリー、ポルトガル、セルビア、英国、およびフランス、イタリア、ロシアの一部の路線）。いずれの場合も、適切な電圧は機関車の主変圧器またはディーゼル機関車の交流発電機によって提供されます。DC電源（1.5 kVまたは3 kV DC）を使用する国では、パンタグラフで収集された電圧が車両に直接供給されます。（ベルギー、ポーランド、スペイン、およびロシアとイタリアの一部の路線では3 kVを使用し、オランダとフランスの一部の路線では1.5 kVを使用します。詳細については、鉄道電化システムの一覧の記事を参照してください）。現代の車両は1,000 V 50 Hz ACもサポートすることが多く、この種類は車庫や駐車場で時々見られます。

古いヨーロッパの車両は高電圧を暖房にのみ使用し、照明、ファン、その他の低電流電源（例：バスルームのシェーバー用ソケット）の電力は車軸駆動式発電機によって供給されていました。さらに古い鉄道車両は、蒸気機関車から供給される熱い蒸気を暖房に使用していました。蒸気機関車と電気機関車の両方が走っていた時代には、一部のディーゼル機関車と電気機関車にも蒸気ボイラーが装備されており、蒸気発生車も使用され、一部の車両には石炭または石油ボイラーが装備されていました。後に、残った蒸気機関車はディーゼル動力の発電機車を使用し、現在でもそのような機能を持たない貨物用ディーゼル機関車に牽引される旅客列車で時々使用されています。

今日では、固体電子部品（サイリスタやIGBT）の発達により、ほとんどの車にはRIC電圧（1.0～3.0kV DCまたは16+2 ⁄ 3 /50 Hz AC) に対応し、必要な低電圧をすべて供給できます。低電圧はメーカーによって異なりますが、一般的な値は次のとおりです。

• 助手席側USBソケット用5V DC
• 車載電子機器用 12～48 V DC（HEP が無効の場合は化学バッテリーから供給）
• 蛍光灯の電子安定器および換気ファンへの給電用 24～110 V DC（HEP が無効の場合は化学電池から供給）
• 乗客用ソケット、冷蔵庫などに使用する単相 230 V AC (上記のように化学電池から供給される場合もあります)
• エアコンコンプレッサー、暖房、換気ファン用の三相 400 V AC (現在、エアコンは電力消費のため化学バッテリーから供給されていません)

電気暖房は通常、高電圧の HEP ラインから供給されますが、異常な電圧は市場で一般的ではなく、機器は高価です。

標準の RIC 準拠 HV ヒーターには、電圧に応じて切り替えられる 6 つの抵抗器があります。直列6個 (3 kV DC)、直列 2 × 3 個 (1.5 kV AC または DC)、直列 3 × 2 個 (1 kV AC)。安全のため、適切な構成の選択と切り替えは自動的に行われます。乗客はサーモスタットのみを操作できます。

中国では、HEP は 2 つの形式で供給されます。

2005年以前に製造されたすべての25A/G車、改造およびエアコン付きの22/25B車、ほとんどの25K車、およびほとんどのBSP製造25T車では、発電機車（当初はTZ車として分類され、後にKDに再分類されました）、少数のDF11Gディーゼル機関車、および非常に限られた数の改造されたSS9電気車によって、3相380V ACでHEPが供給されます。ディーゼル発電機セットを備えた車両（工場製造のRZ/RW/CA22/23/25B車、一部の改造されたYZ/YW22/23/25B車、ほとんどのドイツ製24車、および特別用途の非常に限られた数の25G/K/T車）も、この形式で独自の電力を供給します。ディーゼル発電機セットを備えた車両から隣接する通常のHEP車両にAC電力をルーティングすることは可能ですが、この状況では両方の車両がフル負荷でエアコンやヒーターを稼働させることはできません。これらのディーゼル車は、ディーゼルを使わずに、他の場所から供給される HEP で走行することもできます。主に発電機車が牽引力、人員、燃料 (電化路線を走行する場合) を「無駄にする」ため、非効率で時代遅れと見なされていますが、HEP を供給できる中国鉄道の機関車の大半が電気機関車であることを考えると、AC HEP を使用する新しい車両は、主に電化されていない地域での使用を目的とした新しい発電機車/セットとともに、現在も生産されています。

新型の25G車と25/19T車のほとんどでは、SS7C、SS7D、SS7E、SS8、SS9、HXD1D、HXD3C、HXD3D、および一部のDF11Gディーゼル機関車（No.0041、0042、0047、0048、0053-0056、0101-0218）などの電気機関車によって600V DCで電力が供給されています。標高の高い青蔵鉄道で使用するために指定された少数の特別発電機車（QZ-KD25T）も600V DCで電力を供給します。新しいDC装備の機関車と車両が急速に運行を開始し、ACを使用する古い機器が老朽化して引退するにつれて、DC HEPは中国鉄道のより主要な電力供給形式になりました。

非常に限られた数の車両（主に 25T）が、両方の形式の HEP で走行できます。

機関車牽引の列車のほとんどは機関車から直接電力を供給されているが、レストラン車両が停車中に先頭車電源に接続されていない状態で架線から直接電力を供給できる例もあった（主にヨーロッパ大陸） 。例えば、ドイツのレストラン車両WRmz 135（1969年）、WRbumz 139（1975年）、およびARmz 211（1971年）には、すべてパンタグラフが装備されていた。

フィンランドの食堂車/ケータリング車の中には、機関車から供給される電力が利用できる場合でも使用されるディーゼル発電機が内蔵されているものもあります。

コネチカット州がショア ライン イーストサービスを開始したとき、多くの場合、HEP を供給できない古い貨物ディーゼルエンジンを搭載した新しい客車を使用していたため、一部の客車には HEP 発電機が搭載されていました。HEP を搭載した機関車が取得されたため、これらは削除されました。

HEP電源のない（または互換性のない）機関車で旅客列車を牽引しなければならない場合、アムトラックのカスケード列車やアイルランド鉄道のCAF Mark 4運転用トレーラー（ ^GESAN社製、MAN 2846 LE 202（320kW）/Letag（330kVA）エンジン/発電機2台を搭載）などのように、別の発電機車が使用されることがある[13]。KiwiRail （ニュージーランド）は、トランツ・シーニック旅客サービスにAGクラスの荷物発電機車を使用している。ワイララパ線のトランツ・メトロは、発電機を収容できるように内装の一部を改造したSWGクラスの客車を使用している。リングリング・ブラザーズ・アンド・バーナム・アンド・ベイリー・サーカス列車は、列車を牽引するホスト鉄道機関車への依存を避けるため、客車にHEPを供給する特注の動力車を少なくとも1台使用していた。

英国とスウェーデンでは、高速列車 IC125 と X2000 に 50 Hz の 3 相電源バスが搭載されています。

• 電気暖房
• 暖房、換気、空調
• ホテルの電力
• 列車の陸上電源、グリッド接続は走行間の停車で構成される
• 換気（建築）