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鉄道輸送では、ヘッドエンド電力( HEP ) は、電気列車供給( ETS )とも呼ばれ、インドではヘッドオン発電( HOG )とも呼ばれ、旅客列車の電力分配システムです。通常、列車の先頭または「ヘッド」にある機関車 (または発電機車) が電源となり、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。海事における同等のものはホテル電力です。1881年 10 月にロンドン、ブライトン、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旅客車両を照明することに成功したことは[ 1 ]、世界で列車の照明に電気を使用するようになったきっかけとなりました。
1842年に列車の照明用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・アンド・ヨークシャー鉄道は1870年に石油を石炭ガス照明に置き換えましたが、列車内でのガスボンベの爆発により、この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 ]。これは、32個のフォール鉛蓄電池からなる下部に取り付けられたバッテリーに接続された12個のスワン炭素フィラメント白熱電球を使用し、充電のために取り外す前に約6時間点灯するのに適しています。[ 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にダイナモを使用して発電し、列車の照明に電気を供給することに成功した。この概念は後にヘッドエンド電力と呼ばれるようになった。蒸気消費量が多かったため、このシステムは廃止された。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つから駆動されるダイナモを使用して車内で発電した電気を使用する3つの列車を開始した。これにより、車掌車内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。このシステムは、列車の照明に電気を供給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、メーリング式ダイナモと蓄電池を用いた電気照明が導入された。ダイナモは、時速18～42マイル（29～68km /h）の速度で車軸からプーリーとベルトで駆動され、それより遅い速度では電力が失われた。[ 3 ]
1887年、米国のフロリダ・スペシャル号とシカゴ・リミテッド号の荷物車[ 4 ]に搭載された蒸気発電機が、配線によっ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力を導入した[ 5 ] 。
石油ガス照明は電気照明に比べて光強度が高く、1913年9月にミッドランド鉄道のアイスギルで発生した事故で多数の乗客が死亡するまで広く使用されていました。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 ]
蒸気機関車の時代末期からディーゼル機関車時代初期にかけて、客車は機関車から供給される低圧飽和蒸気で暖房され、車内照明や換気用の電力は、各車両に搭載された車軸駆動発電機で充電されるバッテリー、または車体下部に搭載されたエンジン発電機セットから供給された。1930年代に入ると、鉄道車両に空調設備が導入され、その動力源は車軸からの機械式動力取り出し装置、小型専用エンジン、またはプロパンガスであった。
その結果、照明、蒸気暖房、エンジン駆動の空調といったシステムがそれぞれ独立して運用されるようになり、メンテナンス作業量と部品の種類が増大した。ヘッドエンド電源方式を採用すれば、単一の電源で列車全体のこれらの機能すべて、そしてそれ以上の機能を担うことが可能になる。
蒸気機関の時代、フィンランドとロシアのすべての自動車には、薪または石炭を燃料とする暖炉が備え付けられていた。このような暖房方法は、ヨーロッパのほとんどの国では火災の危険性があると考えられていたが、ロシアではそうではなかった。
元々、蒸気機関車が牽引する列車では、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 ]ディーゼル機関車や電気機関車が蒸気に取って代わると、蒸気暖房は蒸気加熱ボイラーによって供給されるようになりました。これは、ディーゼル機関車では石油燃焼式、電気機関車では電気ヒーターで加熱されるものでした。石油燃焼式蒸気加熱ボイラーは信頼性が低く、搭載されたどの形式の機関車においても、他のどのシステムや部品よりも多くの機関車の故障を引き起こしました。これが、客車暖房のより信頼性の高い方法を採用する大きな動機となりました。
当時、照明は列車が動いている間に各車両の下にあるダイナモで充電されるバッテリーによって供給され、ビュッフェ車では調理や給湯にボトル入りのガスが使われていた。[ 1 ]
後期のディーゼル機関車や電気機関車には、電気列車暖房（ETH ）装置が装備され、客車に電力を供給して、蒸気暖房装置の横に設置された電気ヒーターを稼働させた。蒸気暖房装置は旧型機関車用に残された。後の客車設計では蒸気暖房装置は廃止され、ETHの電力供給は、列車内の暖房、照明（列車照明用バッテリーの充電を含む）、換気、空調、扇風機、コンセント、厨房機器などに利用された。このことを踏まえ、ETHは最終的に電気列車供給（ETS）と改称された。
各客車には、使用可能な最大電力消費量を示す指標が設定されている。すべての指標の合計は、機関車の指標を超えてはならない。1「ETH指標単位」は5kWに相当する 。ETH指標が95の機関車は、 列車に475kWの電力を供給できる。
旧来の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。この鉄道は、ボストン市内の通勤専用列車に多数の蒸気機関車と客車を投入していました。通勤列車は平均速度が低く停車回数も多いため、車軸発電機の出力ではバッテリーを充電するのに不十分で、乗客から照明や換気の不具合に関する苦情が寄せられていました。そこで鉄道会社は、これらの列車に割り当てられた機関車に高出力の発電機を設置し、客車との接続を可能にしました。客車は機関車から発生する蒸気を暖房に利用しました。
初期のディーゼル流線型列車の中には、固定編成構造を利用して、電気式の照明、空調、暖房設備を採用したものもあった。これらの車両は既存の旅客車両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とならなかった。例えば、ネブラスカ・ゼファー号の列車編成では、先頭車両に3基のディーゼル発電機が搭載され、車内機器に電力を供給している。
ディーゼル機関車が旅客サービスに導入された当初は、車両暖房用の蒸気を供給するために蒸気発生器が装備されていました。しかし、車軸発電機とバッテリーの使用は長年にわたって続けられました。この状況は1950年代後半に変化し始め、シカゴ・アンド・ノース・ウェスタン鉄道は通勤列車で使用していた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を設置しました（ペニンシュラ400号機を参照）。これは自然な流れでした。なぜなら、通勤列車はすでに機関車から低電圧・低電流の電力を受け取っており、車軸発電機によるバッテリー充電の維持を補助していたからです。
多くの通勤列車はすぐにHEP（ハイブリッド電気式）に切り替えられたが、長距離列車は引き続き蒸気暖房とバッテリー駆動の電気システムで運行されていた。しかし、都市間旅客鉄道サービスがアムトラックとビア・レールに移管されるにつれて状況は徐々に変化し、最終的には米国とカナダでHEPが完全に採用され、旧システムは廃止された。
1971年の設立後、アムトラックが最初に購入した機関車は、広く使用されていたSD40-2型3000馬力貨物機関車をベースに、旅客用車体と蒸気発生装置を装備したエレクトロ・モーティブ（EMD）SDP40Fでした。SDP40Fの導入により、前身の鉄道会社から引き継いだ旧式の蒸気暖房式客車と最新の動力源を併用することが可能となり、アムトラックは専用の客車と機関車を調達する時間を確保することができました。
1975年、アムトラックは全電気式アムフリート車両の納入を開始し、ゼネラル・エレクトリック（GE）P30CHおよびE60CH機関車が牽引し、後にEMD F40PHおよびAEM-7機関車が加わり、これらはすべてHEP供給用に装備されていた。この目的のために、アムトラックのE8型機関車5両がHEP発電機を搭載して改造された。さらに、アムフリートをHEP非対応の動力車（信頼性の低いメトロライナーEMUの代わりとなるGG1型など）で牽引できるように、荷物車15両がHEP発電機車に改造された。アムフリートの導入後、（全電気式）スーパーライナー鉄道車両が長距離西部路線で運行を開始した。その後、アムトラックは蒸気暖房車両の一部をHEPを使用した全電気式に改造し、残りの未改造車両を1980年代半ばまでに廃車にした。[ 6 ]
ヘッドエンド電源車 （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。現代の機関車のほとんどはHEPを供給するため、現在では主に古い機関車を使用する保存鉄道や、車両を観光に持ち込む鉄道博物館で使用されています。[ 7 ]一部のヘッドエンド電源車は、もともとは他の種類の鉄道車両でしたが、ディーゼル発電機と燃料タンクを改造して旅客車両にHEPを供給しています。[ 8 ] [ 9 ]
ディーゼル車の方が一般的だが、電気自動車も存在し、HEP（ハイブリッド電力供給装置）のない機関車に牽引される場合や、機関車に接続されていない場合に、列車に電力を供給するために使用される。
HEP発電機は、機関車または発電機車に搭載された独立したエンジン、あるいは機関車の原動機のいずれかによって駆動することができる。
発電機から供給されるHEP（ハイブリッド電力）は、通常、主推進機関（原動機）とは独立した補助ディーゼルエンジン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、一般的に機関車の後部にある区画に設置されます。原動機とHEP発電機は燃料供給を共有します。
短距離列車に電力を供給するための、より小型の車体下部搭載型エンジン／発電機セットも製造されている。
多くの用途において、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の交流線周波数を維持するために、一定速度（ RPM ）で運転する必要があります。車載電子機器がエンジンの速度を制御して設定周波数を維持するため、エンジニアはスロットルを高い運転位置に維持する必要はありません。[ 10 ]
近年では、機関車は牽引発電機から電力を供給される静止型インバータを採用しており、これにより原動機の回転数範囲を拡大することが可能になっている。
HEPは、原動機から生成される場合、牽引力を犠牲にして生成されます。例えば、ゼネラル・エレクトリック社の3,200馬力（2.4MW ）のP32型機関車と4,000馬力（3.0MW ）のP40型機関車は、HEPを供給する際に、それぞれ2,900馬力（2.16MW）と3,650馬力（2.72MW ）に出力が低下します。フェアバンクス・モース社のP-12-42型は、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励磁電圧の変化のみによって制御される、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されるHEPの最初のテストの1つは、1969年にミルウォーキー鉄道のEMD E9 #33Cで行われ、これは定速後部エンジンに改造された。[ 11 ]
HEP の電力は、照明、空調、食堂車、キッチン、バッテリー充電の負荷に供給されます。個々の車両の電気負荷は、一般的な車両で 20 kW から、アラスカで運行されているプリンセス ツアーズのウルトラ ドームカーのようなキッチンとダイニング エリアを備えたドーム カーでは 150 kW 以上までです。 [ 12 ]
列車の長さと北米における高電力要件のため、HEPは480V（米国標準）、575V、または600Vの三相交流として供給されます。各車両には、低電圧に降圧するための変圧器が取り付けられています。 [ 12 ]標準的な実装では、4/0 AWGサイズの2本のケーブルに6本の電線が必要です。HEPシステムAとHEPシステムBとして重複させることで冗長性が追加され、合計12本の電線と4本のケーブルが使用され、ケーブル1本あたり最大400アンペアをサポートします。[ 12 ]
英国では、ETSは800V ～1000V AC/DC 2極（400Aまたは600A ）、 1500V AC 2極（800A ）、またはHST では415V 3相で供給されます。旧サザン・リージョンでは、Mk I客車は750V DC電源用に配線されていました。これは第三軌条方式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しますが、クラス33ディーゼル電気機関車は、列車暖房接続部に750V DCを供給する独立したエンジン駆動の列車暖房発電機を備えています。
アイルランドでは、家庭電力供給（HEP）は欧州/IEC規格の230/400V 50Hz（従来は220/380V 50Hz）で提供されています。これは、アイルランドおよびEUの住宅、商業ビル、産業施設で使用されている電力システムと同じ仕様です。
コーク～ダブリン間のCAF MK4編成では、運転台付き付随車に設置された2基の発電機によって電力が供給され、プッシュプル式のエンタープライズ編成では、専用の後部車両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ディーゼル気動車（DMU）は、各車両の下部に設置された小型発電機を使用しています。
歴史的に、HEP（熱電発電）と、旧型車両では蒸気暖房は、発電機と蒸気ボイラーを積んだ後部発電機車によって供給されていました。これらは通常、列車編成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-ベルファスト列車編成は当初、GM 201ディーゼル電気機関車による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（アイルランド国鉄MK3編成から調達し、プッシュプル用に改造したもの）が追加されました。IE 201型機関車が火災を起こした際に、HEPモードは廃止されました。
ロシア製の車両は、機関車の主変圧器から供給される直流線路上の3kV直流電圧、または交流線路上の3kV交流電圧による電気暖房を使用している 。新型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車両と同様の装備を備えている。
RIC車両は、以下の4つの電圧すべてで給電可能でなければなりません。1,000 V 16 + 2/3 Hz AC、1,500 V 50 Hz AC、1,500 V DC、および3,000 V DC。最初の電圧は、 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番目の電圧（1.5 kV AC）は、 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、イギリス、およびフランス、イタリア、ロシアの一部の路線)。どちらの場合も、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 AC 発電機によって供給されます。直流電源 (1.5 kV または 3 kV DC) を使用している国では、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 を使用しています。詳細については、「鉄道電化システム一覧」の記事を参照してください)。現代の車両は 1,000 V 50 Hz AC にも対応していることが多く、このタイプは車両基地や駐車スペース で見られることがあります
古いヨーロッパの自動車は、暖房にのみ高電圧を使用し、照明、扇風機、その他の低電流電源（例えば浴室のシェーバー用コンセント）は車軸駆動の発電機で供給していました。さらに古い鉄道車両は、蒸気機関車から供給される高温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が両方運行されていた時代には、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搭載されており、蒸気発生器車も使用されていました。また、石炭または石油を燃料とするボイラーを搭載した車両もありました。その後、残存する蒸気機関車はディーゼル発電機車を使用するようになり、現在では、そのような機能を持たない貨物用ディーゼル機関車が牽引する旅客列車でも時折使用されています。
今日では、固体電子工学（サイリスタやIGBT）の発展により、ほとんどの自動車には、あらゆるRIC電圧（1.0 ～ 3.0kV DCまたは16 + 2 / 3 / 50Hz AC）に対応し、必要なすべての低電圧を供給できるスイッチング電源が搭載されています。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。
電気暖房は通常、高電圧のHEP送電線から供給されるが、このような特殊な電圧は市場では一般的ではなく、機器も高価である。
標準的なRIC準拠の高電圧ヒーターには、電圧に応じて切り替わる6つの抵抗器があります。直列接続は6個（ 3kV DC）、直列接続は2×3個（1.5kV ACまたはDC）、直列接続は3×2個（1kV AC）です。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操作のみが可能です。
中国では、HEPは2つの形態で供給されている。
2005年以前に製造されたすべての25A/G車両、改造され空調設備を備えた22/25B車両、ほとんどの25K車両、およびBSP製のほとんどの25T車両では、HEPは発電機車（当初はTZ車両に分類され、後にKDに再分類された）、少数のDF11Gディーゼル機関車、およびごく少数の改造されたSS9電気機関車によって三相380V ACで供給されます。ディーゼル発電機セットを備えた車両（工場で製造されたRZ/RW/CA22/23/25B車両、一部の改造されたYZ/YW22/23/25B車両、ほとんどのドイツ製24車両、および特殊用途のごく少数の25G/K/T車両）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、この場合、両方の車両の空調または暖房をフル負荷で運転することはできません。これらのディーゼル車は、自車のディーゼル燃料を使用せずに、他所からのHEP（ハイブリッド電力）でも走行できます。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、非効率的で時代遅れと考えられていますが、交流HEPを使用する新型車両は、新型発電機車/セットとともに、主に電化されていない地域での使用を目的として、現在も生産されています。これは、HEPを供給できる中国鉄道のエンジンの大部分が電気機関車であることを考慮すると当然のことです。
新型の25G型車両および25/19T型車両のほとんどでは、SS7C、SS7D、SS7E、 SS8、SS9、 HXD1D 、HXD3C、HXD3Dなどの電気機関車、および一部のDF11G型ディーゼル機関車（No.0041、0042、0047、0048、0053-0056、0101-0218）によって600V DCで電力が供給されています。高地の青海チベット鉄道で使用するために指定された少数の特殊発電機車（QZ-KD25T）も600V DCで電力を供給しています。新しいDC搭載の機関車と車両が急速に運用開始され、ACを使用する古い機器が老朽化して廃止されるにつれて、DC HEPは中国鉄道のより主要な電力供給形態となっています。
ごく限られた数の車両、主に25トン車が、両方の形態のHEPで走行可能です。
ほとんどの機関車牽引列車は機関車から直接電力を供給されますが、列車が停車中で先頭電源に接続されていない状態で、食堂車が架線から直接電力を供給できる例もあります（主にヨーロッパ大陸） 。例えば、ドイツの食堂車WRmz 135（1969年）、WRbumz 139（1975年）、ARmz 211（1971年）はすべてパンタグラフを装備していました。
フィンランドの食堂車の中には、機関車からの電力供給が可能な場合でも使用されるディーゼル発電機を内蔵しているものがある。
コネチカット州がショアライン・イースト線の運行を開始した当初、多くの場合、新型の客車に旧型の貨物用ディーゼル機関車を搭載していたため、HEP（ハイブリッド電力供給）システムに対応していませんでした。そのため、一部の客車にはHEP発電機が設置されていました。その後、HEPシステムを搭載した機関車が導入されたことで、これらの発電機は撤去されました。
旅客列車をHEP電源のない（または互換性のないHEP電源の）機関車で牽引する必要がある場合、アムトラックのカスケーズ列車やアイルランド国鉄のCAFマーク4運転台トレーラー（GESANが組み立てたツインMAN 2846 LE 202（320 kW）/レタグ（330 kVA）エンジン/発電機セット付き）のように、別の発電機車が使用されることがある[13]。ニュージーランドのキウイレールは、トランズ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ズメトロは、発電機を収容するために内部の一部を改造した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の機関車に頼らないように、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、高速鉄道IC125とX2000は 50Hzの三相電源バスを採用している。
1980年代、HST用動力車の供給が不足していた時期には、Mk.1 BGから改造された発電機車がHST編成に三相電源を供給し、機関車牽引を可能にした。ADB975325（後に6310に改番）は、1980年10月4日にブリストル・テンプル・ミーズ駅で撮影された。