Мощность головного узла - Head-end power

Пригородная железная дорога MBTA автомобиль с головной головкой стандарта США электрические соединительные кабели

В рельсовый транспорт, мощность головного узла (HEP), также известный как электропоезд (ETS), это система распределения электроэнергии в пассажирском поезде. Источник энергии, обычно локомотив (или вагон-генератор) в передней части или «голове» поезда, обеспечивает электричеством, используемым для отопления, освещения, электрических и других «гостиничных» нужд. Морской эквивалент гостиничная электроэнергия. Успешная попытка Лондон, Брайтон и железная дорога Южного побережья в октябре 1881 года для освещения пассажирских вагонов между Лондоном и Брайтоном.[1] возвестил начало использования электричества для освещения поездов в мире.

История

Масляные лампы были введены в свет в 1842 году в поездах.[2] Экономика подтолкнула Ланкашир и Йоркширская железная дорога в 1870 году они заменили масляное освещение угольным газом, но взрыв газового баллона в поезде заставил их отказаться от эксперимента.[2] Газовое освещение было введено в конце 1870 года. Электрическое освещение было введено в октябре 1881 года.[1][2] используя двенадцать Лебедь лампы накаливания с углеродной нитью, подключенные к подвесной батарее емкостью 32 Фор свинцово-кислотные перезаряжаемые элементы, подходящие для освещения около 6 часов, после чего их можно снять для подзарядки.[1]

В Северо-Британская железная дорога в 1881 г. успешно производил электричество с помощью динамо-машины на Братство паровоз для электрического освещения в поезде, концепция, которую позже назвали мощность головного узла. Большой расход пара привел к отказу от системы. Три поезда были запущены в 1883 г. Лондон, Брайтон и железная дорога Южного побережья с электричеством, вырабатываемым на борту с помощью динамо-машины, приводимой в действие одной из осей. Это заряжало свинцово-кислотную батарею в фургоне охранника, и охранник приводил в действие и обслуживал оборудование. Система успешно обеспечивала электрическое освещение в поезде.[1]

В 1887 году парогенераторы в багажные автомобили[3] из Специальное предложение Флориды и Чикаго Лимитед Поезда в США снабжали все вагоны поездом электрическим освещением, проводя их, чтобы ввести другую форму питания головного узла.[4]

Масляно-газовое освещение обеспечивало более высокую интенсивность света по сравнению с электрическим освещением и более широко использовалось до сентября 1913 года, когда авария на Midland Railway в Aisgill повлекло за собой гибель большого количества пассажиров. Эта авария побудила железные дороги использовать электричество для освещения поездов.[1]

На протяжении оставшейся части возраст пара и в раннюю дизельную эру легковые автомобили обогревались за счет низкого давления насыщенный пар от локомотива, электричество для освещения вагонов и вентиляция происходит от батареи заряжается от оси генераторы на каждую машину или из двигатель-генератор комплекты монтируются под кузовом. Начиная с 1930-х годов, кондиционер стали доступны на железнодорожных вагонах, а энергия для их движения обеспечивалась механическими коробки отбора мощности от оси, небольшие специализированные двигатели или пропан.

В результате появились отдельные системы освещения, нагрева пара и кондиционирования воздуха с приводом от двигателя, что увеличило объем работ по техническому обслуживанию, а также увеличило количество запчастей. Питание головной станции позволит одному источнику питания выполнять все эти и многие другие функции для всего поезда.

В эпоху пара все автомобили в Финляндии и России имели дровяной или угольный камин. Такое решение считалось пожарной опасностью в большинстве стран Европы, но не в России.

объединенное Королевство

Первоначально поезда буксировали паровоз будет обеспечен подачей пара от тепловоза для обогрева вагонов.[1] Когда тепловозы и электровозы вместо пара, паровое отопление обеспечивалось паровой котел. Он работал на жидком топливе (в тепловозах) или нагревался электрическим элементом (в электровозах). Мазутные паровые котлы были ненадежными. Они вызвали больше отказов локомотивов любого класса, к которому они были приспособлены, чем любая другая система или компонент локомотива.[нужна цитата ] и это было главным стимулом к ​​внедрению более надежного метода обогрева вагонов.

В это время освещение питалось от батареи которые были обвинены динамо под каждым вагоном, когда поезд находился в движении, и буфет вагоны использовал бы баллонный газ для приготовления пищи и нагрева воды.[1]

Отопление электропоездов (ETH) и поставка электропоездов (ETS)

Позже дизели и электровозы были оснащены Электропоезд Отопление (ETH) аппарат, который подавал электроэнергию на вагоны для работы электронагревательных элементов, установленных рядом с паротепловым аппаратом, который был оставлен для использования с более старыми локомотивами. Более поздние конструкции вагонов отказались от паротепловых аппаратов и использовали поставку ETH для отопления, освещения, вентиляции, кондиционер, вентиляторы, розетки и кухонное оборудование в поезде. В знак признания этого ETH был переименован. Поставка электропоездов (ETS).

У каждого автобуса есть указатель максимального потребления электроэнергии. Сумма всех показателей не должна превышать индекса локомотива. Одна «единица индекса ETH» равна 5 кВт; локомотив с индексом ETH 95 может обеспечить поезд мощностью 475 кВт.

Северная Америка

Первый шаг вперед по сравнению со старой системой осевого генератора был разработан на Железная дорога Бостона и Мэна, который поставил ряд паровозов и легковых автомобилей в специализированное пригородное сообщение в г. Бостон. Из-за низкой средней скорости и частых остановок, характерных для пригородных поездов, мощность осевых генераторов была недостаточной для поддержания заряда аккумуляторных батарей, что привело к жалобам пассажиров на неисправности освещения и вентиляции. В ответ на это железная дорога установила генераторы большей мощности на локомотивы, закрепленные за этими поездами, и обеспечила электрические соединения с вагонами. В вагонах для отопления использовался пар от локомотива.

Некоторые ранние дизельные обтекаемые модели использовали конструкцию с фиксированным составом для использования электрического освещения, кондиционирования воздуха и отопления. Поскольку автомобили не предназначались для смешивания с существующим пассажирским парком, совместимость этих систем не вызывала беспокойства. Например, Небраска Зефир В первом вагоне поезда три дизель-генераторные установки для питания бортового оборудования.

Когда тепловозы были введены для обслуживания пассажиров, они были оснащены парогенераторы для подачи пара на обогрев автомобилей. Однако использование осевых генераторов и аккумуляторов сохранялось в течение многих лет. Это начало меняться в конце 1950-х годов, когда Чикаго и Северо-Западная железная дорога сняли парогенераторы с их EMD F7 и E8 локомотивы в пригородном сообщении и установлены дизельный генератор наборы (см. Полуостров 400 ). Это было естественным развитием, поскольку их пригородные поезда уже получали от локомотивов низковольтную слаботочную энергию, чтобы помочь генераторам осей поддерживать заряд батареи.

В то время как многие пригородные автопарки были быстро преобразованы в HEP, поезда дальнего следования продолжали работать с паровым обогревом и электрическими системами с батарейным питанием. Ситуация постепенно изменилась после перевода междугородных пассажирских железнодорожных перевозок на Amtrak и По железной дороге, что в конечном итоге привело к полному внедрению HEP в США и Канаде и прекращению использования старых систем.

После его образования в 1971 году первоначальной покупкой локомотива Amtrak стала компания Электро-Мотив (EMD) SDP40F, адаптация широко используемых SD40-2 Грузовой локомотив мощностью 3000 лошадиных сил, с кузовом пассажирского типа и парогенератором. Модель SDP40F позволила использовать современную движущую силу в сочетании со старыми пассажирскими вагонами с паровым обогревом, приобретенными у предшествующих железных дорог, что дало Amtrak время для закупки специально построенных вагонов и локомотивов.

В 1975 году компания Amtrak начала принимать полностью электрические Амфлит автомобиль, буксируемый General Electric (GE) P30CH и E60CH локомотивы, позже дополненные EMD F40PH и АЭМ-7 локомотивы, все из которых были оборудованы для оснащения ТЭЦ. Для этой цели пять Amtrak E8 были переоборудованы с генераторами HEP. Кроме того, 15 багажных вагонов были переоборудованы в вагоны с генераторами HEP, чтобы можно было перевозить Amfleet не с помощью движущей силы HEP (например GG1s замена ненадежного Электропоезды Metroliner ). После появления Amfleet (полностью электрический) Суперлайнер вагон введен в эксплуатацию на дальних западных маршрутах. Впоследствии компания Amtrak перевела часть парка автомобилей с паровым обогревом на полностью электрическую работу с использованием HEP и списала оставшиеся непереоборудованные автомобили к середине 1980-х годов.[5]

Двигатель

Генератор ГЭП может приводиться в действие либо отдельным двигателем, установленным в локомотиве или вагоне-генераторе, либо от двигателя локомотива. первичный двигатель.

Отдельные двигатели

Основная статья: Вспомогательный блок питания

HEP с питанием от генераторной установки обычно осуществляется через вспомогательную дизельную установку, которая не зависит от главного силового двигателя (первичного двигателя). Такой двигатель / генератор комплекты обычно устанавливаются в отсеке в задней части локомотива. И первичный двигатель, и генераторная установка HEP разделяют запасы топлива.

Также производятся подвагонные двигательные / генераторные установки меньшего размера для обеспечения электричеством коротких поездов.

Локомотив тягач

Во многих случаях первичный двигатель локомотива обеспечивает как тягу, так и мощность головной части. Если генератор HEP приводится в действие двигателем, он должен работать с постоянной скоростью (Об / мин ) для поддержания необходимой сети переменного тока 50 Гц или 60 Гц частота. Инженеру не нужно будет держать дроссельную заслонку в верхнем рабочем положении, поскольку бортовая электроника контролирует скорость двигателя, чтобы поддерживать заданную частоту.[6]

Совсем недавно в локомотивах был использован статический инвертор, питаемый от тягового генератора, что позволяет первичному двигателю иметь больший диапазон оборотов в минуту.

При получении от первичного двигателя HEP генерируется за счет тягового усилия. Например, General Electric 3,200 л.с. (2,4 МВт) P32 и 4000 л.с. (3,0 МВт) P40 мощность локомотивов снижается до 2,900 и 3,650 л.с. (2,16 и 2,72 МВт), соответственно, при поставке ТЭЦ. В Фэрбенкс-Морс П-12-42 был одним из первых локомотивов, оборудованных HEP, первичный двигатель которого был настроен на работу с постоянной скоростью, а мощность тягового генератора регулировалась исключительно путем изменения напряжения возбуждения.

Одно из первых испытаний ТЭН с тяговым двигателем локомотива EMD было в 1969 г. Milwaukee Road EMD E9 # 33C, который был переоборудован для установки заднего двигателя с постоянной частотой вращения.[7]

Электрическая нагрузка

HEP питает освещение, HVAC, кухня-столовая и зарядка аккумуляторов. Электрическая нагрузка отдельного автомобиля колеблется от 20 кВт для типичного автомобиля до более 150 кВт для автомобиля. Купольная машина с кухней и столовой, например Princess Tours Ультра Купол автомобили, работающие в Аляска.[8]

Напряжение

Соединительные кабели между двумя Китайская железная дорога Тренеры 25T

Северная Америка

Из-за длины поезда и высоких требований к мощности в Северная Америка, HEP поставляется как трехфазный AC при 480V (стандарт в США), 575 В или 600 В. Трансформеры установлены в каждом вагоне для снижения напряжения.[8]

объединенное Королевство

В Великобритании ETS питается от 800 В до 1000 В переменного / постоянного тока, двухполюсный (400 или 600 А), 1500 В переменного тока, двухполюсный (800 А), или при 415 В, трехфазный, на HST. В бывшем Южном регионе вагоны Mk I были подключены к источнику постоянного тока напряжением 750 В. Это соответствует линейному напряжению в сети третьего рельса. Локомотивы класса 73 просто подают это линейное напряжение непосредственно на перемычки ETS, в то время как дизельные электровозы класса 33 имеют отдельный генератор обогрева поезда с приводом от двигателя, который подает 750 В постоянного тока на соединения обогрева поезда.

Ирландия

В Ирландии HEP предоставляется по европейскому стандарту / IEC 230/400 В, 50 Гц (первоначально 220/380 В, 50 Гц). Это соответствует той же спецификации, что и системы электроснабжения, используемые в жилых и коммерческих зданиях и промышленности Ирландии и ЕС.

На наборах Cork-Dublin CAF MK4 это обеспечивается двумя генераторами, расположенными в вождение прицепа фургон, а на двухтактных комплектах Enterprise это обеспечивается генераторами в специальном хвостовом фургоне. В ирландских поездах DMU, ​​которые составляют большую часть парка, используются небольшие генераторы, расположенные под каждым вагоном.

Исторически сложилось так, что HEP и, в более старых автомобилях, паровое отопление обеспечивалось прицепными фургонами с генераторами, содержащими генераторы и паровые котлы. Обычно они располагались в задней части составов поездов. В состав поездов Enterprise Dublin-Belfast первоначально использовалась HEP от Дизель-электрические локомотивы GM 201, но из-за проблем с надежностью и чрезмерного износа систем локомотивов были добавлены автофургоны-генераторы (полученные из списанных комплектов Irish Rail MK3 и адаптированные для двухтактного использования).

Россия

В российских вагонах используется электрообогрев либо напряжением 3 кВ постоянного тока в линиях постоянного тока, либо напряжением 3 кВ переменного тока в линиях переменного тока, обеспечиваемых главным трансформатором локомотива. Новые автомобили в основном производятся западноевропейскими производителями и оборудованы аналогично автомобилям RIC.

Европа (автомобили RIC, кроме России и Великобритании)

RIC автомобили должны питаться следующими четырьмя напряжениями: 1000 В переменного тока16 2⁄3 Гц, 1500 В переменного тока, 50 Гц, 1500 В постоянного тока и 3000 В постоянного тока. Первый используется в Австрии, Германии, Норвегии, Швеции и Швейцарии, где 15 кВ 16,7 Гц переменного тока цепная система используется. Второй (1,5 кВ переменного тока) используется в странах, где 25 кВ 50 Гц переменного тока контактная сеть (Хорватия, Дания, Финляндия, Венгрия, Сербия и Великобритания, а также некоторые линии во Франции, Италии и России). В обоих случаях надлежащее напряжение обеспечивается главным трансформатором локомотива или генератором переменного тока в тепловозах. В странах, где используется питание постоянного тока (1,5 кВ или 3 кВ постоянного тока), напряжение, собираемое пантографом, подается непосредственно на автомобили. (Бельгия, Польша и Испания, а также некоторые линии в России и Италии используют 3 кВ, а в Нидерландах, а некоторые линии во Франции используют 1,5 кВ; более подробную информацию см. Перечень систем электрификации железных дорог статья.)

Современные автомобили также часто поддерживают 1000 В переменного тока 50 Гц, это разнообразие иногда встречается в склады и парковочные места.

Старые европейские автомобили использовали высокое напряжение (или пар - от паровоза (на некоторых дизелях и электротехнике также были установлены паровые котлы), были также парогенераторы автомобилей в эксплуатации, а некоторые автомобили были оснащены угольными или масляными котлами) только для отопления, в то время как свет, вентиляторы и другие слаботочные источники питания (например, розетки для бритв в ванных комнатах) обеспечивались генератором с приводом от оси. Сегодня, с развитием твердотельной электроники (тиристоры и IGBT), в большинстве автомобилей есть импульсные источники питания, которые принимают любое напряжение RIC (1,0 - 3,0 кВ постоянного тока или16 2⁄3/ 50 Гц) и может обеспечивать все необходимые более низкие напряжения. Низкое напряжение различается в зависимости от производителя, но типичные значения:

  • 12 В - 48 В постоянного тока для бортовой электроники (питание от химической батареи при отключении HEP)
  • 24 В - 110 В постоянного тока для питания электронных балластов люминесцентных ламп и вентиляторов (питание от химической батареи при отключении HEP)
  • Однофазный 230 В переменного тока для пассажирских розеток, холодильников и т. Д. (Иногда питание от химической батареи, как указано выше)
  • Трехфазный 400 В переменного тока для компрессора кондиционера, отопления, вентиляторов (кондиционер в настоящее время не питается от химической батареи из-за потребляемой мощности)

Электрическое отопление обычно подавалось от высоковольтной линии HEP, но необычные напряжения не распространены на рынке, а оборудование стоит дорого.

Стандартный высоковольтный нагреватель, соответствующий требованиям RIC, имеет шесть резисторов, которые переключаются в соответствии с напряжением: 6 дюймов. серии (3 кВ постоянного тока), 2 × 3 последовательно (1,5 кВ переменного или постоянного тока) или 3 × 2 последовательно (1 кВ переменного тока). Выбор и переключение правильной конфигурации происходит автоматически в целях безопасности. Пассажиры могут работать только термостат.

Китай

KD25 тыс. генератор автомобиля в пассажирском поезде Китайской железной дороги

В Китае HEP поставляется в двух формах.

На всех автомобилях 25A / G, построенных до 2005 года, модернизированных и кондиционированных автомобилях 22 / 25B, большинстве автомобилей 25K и большинстве построенных BSP автомобилей 25T, HEP питается трехфазным напряжением 380 В переменного тока от автомобилей-генераторов (первоначально классифицированных как TZ. вагонов, позже переклассифицированных в KD), небольшое количество тепловозов DF11G и очень ограниченное количество модернизированных SS9 электрика. Автомобили с дизель-генераторными установками (заводские автомобили RZ / RW / CA22 / 23 / 25B, некоторые отремонтированные автомобили YZ / YW22 / 23 / 25B, большинство немецких автомобилей 24 автомобиля и очень ограниченное количество автомобилей 25G / K / T для специальное использование) также поставляют свою мощность в этой форме. Можно направить электричество переменного тока от автомобиля с дизель-генераторной установкой к соседнему обычному автомобилю HEP, хотя в этой ситуации оба автомобиля не могут запустить кондиционер или обогрев при полной нагрузке. Эти автомобили с дизельным двигателем могут также работать на HEP из других источников без использования собственного дизельного топлива. Несмотря на то, что они считаются неэффективными и устаревшими, главным образом из-за того, что автомобиль-генератор «тратит впустую» тяговую мощность, персонал и топливо (если он работает на электрифицированных линиях), новые автомобили, использующие HEP переменного тока, все еще производятся вместе с новыми автомобилями / установками-генераторами, в основном для использования. в районах, где нет электрификации, учитывая, что подавляющее большинство двигателей Китайских железных дорог, которые могут обеспечивать HEP, являются электровозами.

На большинстве новейших вагонов 25G и 25 / 19T питание подается напряжением 600 В постоянного тока от электрических локомотивов, таких как SS7C, SS7D, SS7E, SS8, SS9, HXD1D, HXD3C, HXD3D, и немного DF11G дизели (No 0041, 0042, 0047, 0048, 0053-0056, 0101-0218). Небольшое количество специальных генераторных автомобилей (QZ-KD25T), предназначенных для использования на большой высоте. Цинхай-Тибетская железная дорога также подавать питание на 600 В постоянного тока. В связи с быстрым вводом в эксплуатацию новых двигателей и вагонов, оборудованных постоянным током, а также старением и выводом из эксплуатации старого оборудования, использующего переменный ток, DC HEP стал более заметной формой электроснабжения Китайских железных дорог.

Очень ограниченное количество автомобилей, в основном 25T, может работать на обеих формах HEP.

Альтернативы

Основная статья: Главный силовой автомобиль
CAF DVT с двойными генераторными установками HEP на Станция Кольбер, Лимерик, Ирландия, 2006 г.

Хотя большинство поездов с локомотивами питаются непосредственно от локомотива, есть примеры (в основном в континентальной Европе). Европа ) где вагоны-рестораны могли получать питание непосредственно от воздушные провода пока поезд стоит и не подключен к головной станции. Например, немецкие вагоны-рестораны WRmz 135 (1969), WRbumz 139 (1975) и ARmz 211 (1971) были оснащены пантографы.

Некоторые финские вагоны общественного питания имеют встроенный дизель-генератор, который используется даже при наличии энергии от локомотива.

Когда в штате Коннектикут началась Береговая линия Восток службы, во многих случаях они использовали новые пассажирские вагоны со старыми грузовыми дизелями, которые не могли снабжать ГЭС, поэтому некоторые из вагонов были доставлены с установленным генератором ГНД. С приобретением локомотивов с HEP они были удалены.

Если пассажирский поезд должен буксировать локомотив без источника питания HEP (или несовместимого источника питания HEP), может использоваться отдельный генераторный фургон. [9] например, на Amtrak Cascades поезд или Иарнрод Эйренн с CAF Mark 4 Прицеп с фургоном (со сдвоенными двигателями / генераторными установками MAN 2846 LE 202 (320 кВт) / Letag (330 кВА) сборки GESAN). KiwiRail (Новая Зеландия) использование Класс AG автофургоны с генераторами багажа для своих Транз Живописный пассажирские перевозки; Транз Метро на линии Вайрарапа использовать SWG класс пассажирские вагоны, часть интерьера которых приспособлена для размещения генератора. В Братья Ринглинг и цирк Барнума и Бейли поезд использовал по крайней мере один изготовленный на заказ силовой вагон, который поставлял HEP его пассажирским вагонам, чтобы избежать зависимости от локомотивов принимающей стороны, буксирующих поезд.

В Великобритании и Швеции высокоскоростные поезда IC125 и X2000 имеют трехфазную шину питания 50 Гц.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм JFL (1914). Освещение поезда электричеством. Лондон и Йорк: Ben Johnson & Co. Получено 17 марта 2013.
  2. ^ а б c Джек Симмонс; А. К. Б. Эванс; Джон В. Гоф (2003). Влияние железной дороги на общество в Великобритании: очерки в честь Джека Симмонса. ООО «Ашгейт Паблишинг», стр. 49–. ISBN  978-0-7546-0949-0. Получено 17 марта 2013.
  3. ^ Стюарт, Чарльз В. Т. (май 1919 г.). «Несколько моментов в истории автомобильного освещения». Инженер-электрик. 10 (5): 158. Получено 26 августа 2014.
  4. ^ Уайт, Джон Х. (1985) [1978]. Пассажирский вагон американской железной дороги. Балтимор, Мэриленд: Издательство Университета Джона Хопкинса. ISBN  978-0-8018-2743-3.
  5. ^ Джонсон, Боб (1 мая 2006 г.). "Головная мощность". Азбука железной дороги. Получено 9 ноября 2014.
  6. ^ "Head-end power - журнал TRAINS". Kalmbach Publishing Co., 1 мая 2006 г.. Получено 9 ноября 2014.
  7. ^ "Пригородные локомотивы Милуоки".[мертвая ссылка ]
  8. ^ а б «Конфигурации железнодорожных линий HEP в Северной Америке». Северо-Западная железная дорога. Получено 29 января 2011.
  9. ^ "Генераторный фургон переделан из Mk.1 BG". Фил Троттер. 19 марта 2007 г.. Получено 29 января 2011. В течение 1980-х годов, во время эксплуатации вагонов с низкой мощностью HST, генераторный фургон, преобразованный из Mk.1 BG, использовался для обеспечения трехфазного питания граблями HST, чтобы их можно было буксировать локомотивом. ADB975325 (позже переименованный в 6310) замечен в Бристольском Темпл Мидс 4 октября 1980 года.[постоянная мертвая ссылка ]