Fázisváltós villamos vontatás és a villanymozdony (Kandó Kálmán)

Kandó Kálmán (Pest, 1869. július 8 - Budapest, 1931, január 13.) magyar mérnök, a nagyfeszültségű háromfázisú váltakozóáramú villamos vontatás első alkalmazója mozdonyoknál, és a fázisváltó kidolgozója.
A nagyfeszültségű háromfázisú váltakozóáramú vontatás sikerének kulcsa a Kandó Kálmán által megálmodott, és megvalósított fázisváltó volt. A berendezés a Kandóféle kialakítás szerint egy egyfázisú szinkronmotor és egy háromfázisú szinkrongenerátor közös álló és forgórésszel. A sorozatgyártás előtt készített prototípus a Józsefvárosban az Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Karának épületében van kiállítva.Európa első villamosított fővonalán az olasz Valtellina vonalon, amelyet a Ganz készített a vasúti vontatás igényeit figyelembe véve háromfázisú 12 1/3 Hz-s táplálást alkalmaztak. A megoldás több problémát vetett fel: A vontatáshoz használt frekvencia eltért az országos villamos hálózat 50 Hz frekvenciájától, ezért vagy áramátalakító állomásokat, vagy külön távvezetékrendszert kellet építeni a vasúti igények kielégítéséhez.
A háromfázisú tápláláshoz szükséges két felsővezeték kiépítése és üzemeltetése drága, alternatív megoldásként több országban az egyenáramú vontatást vezették be. Ebben az esetben, ugyan elegendő volt egy felsővezeték, azonban a gazdaságos üzemeltetéshez annak a keresztmetszete viszonylag nagyra adódott, illetve sűrűn kellet áramátalakító állomásokat létesíteni. Kandó helyesen ismerte fel, hogy a vasúti villamos vontatást az ország egységes energiarendszerén belül kell megvalósítani. Az 50 Hz-es egyfázisú váltakozó feszültséget a mozdonyban háromfázisúvá alakítva táplálják a vontatómotorokat. Így a vasút külön villamos rendszert nem igényel, mindössze egyetlen munkavezetéket kell létesíteni.
A fenti hátrányok kiküszöbölésére 1915 és 1920 között Kandó Kálmán megalkotta a fázisváltós vontatási rendszert, ahol a táplálás az egységes 50 Hz frekvenciájú országos elektromos hálózatról történik. A használt viszonylag magas feszültség eredményeképpen vékony felsővezetékeken, és egymástól viszonylag nagy távolságokra telepített transzformátorállomásokon keresztül táplálhatóak meg a mozdonyok. A mozdonyok tömege azonos teljesítmény mellett az egyenáramú táplálású mozdonyoknál jelentősen kisebbek, míg a 16 2/3 Hz táplálású mozdonyoknál alig nehezebbek.
A fázisváltó a felsővezetékből nyert egyfázisú táplálást alakítja át háromfázisú, vasúti vontatáshoz megfelelő frekvenciájú feszültséggé. A rendszer féküzemben lehetővé teszi az energia visszatáplálását az országos hálózatba. Az első ilyen kísérleti mozdonyt 1923-ban helyezték üzembe. Ennél a különleges berendezésnél Kandó egyfázisú transzformátort, egyfázisú szinkronmotort és többfázisú szinkron generátort egyesített egy több mint háromezer alkatrészt egyesítő villamos gépben. A munkavezeték magasfeszültségű áramát átalakítva szinkron motort hajt. A szinkron motor háromfázisú generátort forgat, biztosítva a háromfázisú, kisfeszültségű áramot a hajtómotorok számára. A sebesség szabályozása külön aszinkron frekvencia-átalakító gépcsoporttal, vagy pólusváltós motorokkal történik.
A Kandó-féle fázisváltós rendszernek köszönhetően a világon Magyarország az egyetlen, ahol a vasúti vontatásban a kezdetektől az 50 Hz-es rendszert használják. A fázisváltó a világ egyik legbonyolultabb villamos gépe volt. A nagyméretű pólusváltós hajtómotorok nem tették lehetővé a csatlórudak elhagyását és a tengelyek közvetlen meghajtását. A megoldás a hajtómotorok kicserélése kisebb nem pólusváltós gépekre. Ez a megoldás lehetővé tette a korszerűbb forgóvázas kialakítást is. A frekvencia átkapcsolását pedig egy a fázisváltóval egybeépített frekvenciaváltóval oldották meg. Ez a fejlesztés ugyan a mozdony tömegét valamelyest növelte, illetve a hatásfokát kismértékben rontotta, azonban az előnyei (kialakítható a forgóvázas kivitel, a végsebesség növelhető) ezt kompenzálták. A forgó villamos gépek több hátránnyal rendelkeznek a nyugvó gépekkel szemben. Ezek közül a lényegesebbek: Magasabb ár, magasabb tömeg, rosszabb hatásfok, nagyobb helyszükséglet, magasabb karbantartási igény, alacsonyabb MTBF (kisebb megbízhatóság), a forgásból adódó zajosabb üzem.
A nyugvó áramváltók ezeket a hátrányokat kiküszöbölik. Az 1960-as években azonban döntő fordulat következett be az erősáramú elektrotechnikában. Kifejlesztették a teljesítmény-félvezetőket, diódákat és tirisztorokat. Eleinte egyenirányításra használták, a mozdony váltakozóáramot kapott, kerekeit pedig a vontatásra jól bevált egyenáramú motorok hajtották. A félvezetőtechnika fejlődésével lehetővé vált, hogy ne csupán egyenáramot, hanem többfázisú, változtatható frekvenciájú váltakozóáramot is elő lehessen állítani ezek segítségével. Ez nem más, mint a forgógépes fázisváltó modern, elektronikus változata, amely szintén lehetővé teszi a megbízható, kefe nélküli aszinkron motorok alkalmazását.

Nincsenek megjegyzések:

Megjegyzés küldése