A V40-esek és a V60-asok kifejlesztését hosszas előkészületek előzték meg. Előbb az új vasútvillamosítási rendszer kihívásának megfelelően megkezdődhetett a fázisváltós, Kandó-féle próbamozdony megépítése, majd a sikeres tesztfutások nyomán maguknak a fősorozatoknak az előállítása. A róla elnevezett mozdonyok elkészültét azonban a nagyszerű mérnök és alkotó Kandó Kálmán már nem érhette meg…

Különösen hangzik, pedig sok igazság van abban, hogy a nagyvasúti villamos vontatás új korszakot nyitó fejezeteinél jelentős mértékben a szén is szerepet játszott. Mégpedig két vonatkozásban is: a hosszú és nagy forgalmú alagutakban még a leggondosabb szellőztetés ellenére is az életveszélyességig elviselhetetlen füstgázok, illetve a szénben szegény országok esetében éppen annak hiánya miatt. Ugyancsak a szénnel, de már energiagazdálkodási szempontból hozható összefüggésbe az országos villamoshálózatra közvetlenül kapcsolódó vontatási rendszer kidolgozása.

Kandó, a reformer

A történet 1916-ban kezdődött. Ebben az évben az ismét katonai szolgálatra sorozott Kandó Kálmánt előbb a várépítési parancsnoksághoz, majd Bécsbe, a közös hadügyminisztériumba, a vezérkar vasúti osztályára vezényelték, és a vasutak szénellátásának referensévé nevezték ki. Ebben a beosztásában általános áttekintése volt a monarchia szénfogyasztásáról is, s minthogy a háború harmadik évében a széntakarékosság mindinkább előtérbe került, a hadügyminiszternek felterjesztett tanulmányában rámutatott több, helyhez kötött gőzgéppel működő üzem – malmok, kis hőerőművek – szénpazarlására. A javaslataira bevezetett módosításokkal évente máris több ezer vagon szenet sikerült megtakarítani. Ugyanebben a tanulmányában hívta fel a figyelmet a legnagyobb szénpazarlóra az akkor még csekély kivételtől eltekintve tisztán gőzüzemű vasútra, kihangsúlyozva a fővonalak villamosításának jelentőségét. Erre vonatkozó végkövetkeztetését l920. december 29-én keltezett, olasz kollégájához, Lello Pontecorvóhoz írott, a fázisváltós mozdony elvi alapjait ismertető terjedelmes levelében így foglalta össze:
„Nemcsak a számítások, hanem a gyakorlati eredmények is azt mutatták, hogy igazán racionális széngazdálkodás csakis nagy erőművekkel, és csak lehetőleg minél több fogyasztónak az egyesítésével érhető el. A vasutak villamosítása csak egy fejezete az energiagazdálkodás nagy problémájának, és csak ennek keretén belül oldható meg helyesen. Ha a vasutak villamosításához külön erőművekre volna szükség, úgy a vasutak villamosítása által célul kitűzött szénmegtakarítás egy részéről máris le kell mondanunk, mert a szénfelhasználás csökkentésének egy jelentős tényezője, ami a terhelési viszonyok megjavításában rejlik, részben elesik…

Kandó Kálmán népfelkelő hadnagyi egyenruhában 1916-ban, Bécsben, a hadügyminisztériumban<br>A képre kattintva fotógalériánk nyílik meg

Ezek a tulajdonképpen szénmegtakarítást célzó energiagazdálkodási tanulmányok vezettek arra a szilárd meggyőződésre, hogy csak a szabványos periódusnak, minden forgó-átalakítós alállomás közbeiktatása nélküli, közvetlen alkalmazása biztosítja a vasutak villamosításának igazán gazdaságos megoldását.” Eddigi gondolatmenete azonban még csak egy munkáját lelkiismeretes alapossággal végző, kiválóan felkészült energetikust állít elénk. Ettől a ponttól kezdve válik el az átlagos ember a zsenitől, és lép színre Kandó Kálmán az eredeti utakon járó, kivételes képességű konstruktőr, aki nem az utókorra bízta, hanem ő maga meg is alkotta az új vasútvillamosítási rendszer megvalósítására hivatott villamos mozdonyt. Akkoriban ugyanis, közvetlenül, az országosan használt szabványos periódusszámra kapcsolható villamos mozdony az erre vonatkozó tiszteletreméltó törekvések ellenére még sehol nem létezett. A Zürichben székelő, nagyhírű Oerlikon Gépgyár ugyanis már 1905-ben, a gyártelepe közelében lévő Seebach-Wettingen közötti, 19,4 kilométer hosszú, 15 kV 50 Hz-cel villamosított próbavonalon már üzembe helyezett egy 300 kilowattos motor-generátoros villamos próbamozdonyt (egyenáramú vontatómotorokkal), majd egy 360 kilowattost, váltakozó áramú kommutátoros motorokkal. A vasúti üzem céljainak megfelelő nagyobb teljesítményű, és széleskörű alkalmazásuk azonban az előbbi esetben a motorgenerátor nagy fajlagos súlya, és meglehetősen kedvezőtlen hatásfoka, az utóbbi pedig a motorok kommutációs nehézségei (kefeszikrázás) miatt nem jöhetett szóba. Az utóbbi motortípussal kiváló elektrotechnikusok még 1910-ig kísérleteztek, de tiszteletreméltó munkásságuk azonban sajnos zsákutcának bizonyult.

Az 1910-es évek közepén így három vasútvillamosítási rendszer létezett, mégpedig: a háromfázisú 3–3,6 kV 16 2/3 Hz, az egyfázisú 15 kV 16 2/3 Hz, továbbá az 1,5 vagy 3 kV egyenáramú rendszer.

A biztos alapok

A leírtakból következik, hogy egyetlen villamos motortípus maradt csupán, amely az elektrotechnika 1916-ban adott lehetőségeivel az 50 Hz közeli frekvenciára, egyúttal a nagyvasúti villamos vontatás teljesítmény-igényeinek megfelelt, mégpedig a három – vagy többfázisú – aszinkronmotor. Ezek a villamosmotorok a szakértők némelyike által többnyire irreális túlzással hangoztatott hátrányai (a kötött fordulatszám fokozatok, és az azok közötti átmenet veszteség) mellett, két, azoktól üzemi szempontból lényegesen nagyobb előnnyel rendelkeznek; mégpedig az egyszerű szerkezettel, illetve a lejtmenetben minden külön átkapcsolás nélkül bekövetkező energia-visszatáplálás lehetőségével. Annak okául, hogy a háromfázisú rendszer Olaszország határain kívül elterjedni nem tudott, nem is ezeket a hátrányokat említik indokul, hanem a kettős munkavezeték bár üzembiztos, de költséges, és különösen a váltók felett meglehetősen komplikált szerkezetét.

Az aszinkronmotor tette lehetővé az első nagyfeszültségű, villamosított vasútvonal létesítését az észak-olaszországi vasútvonalon, és különös, hogy tizennégy évvel ennek üzembe helyezése után – amely idő alatt a háromfázisú rendszer a legnehezebb vasútüzemi viszonyok között is igazolta „életrevalóságát” – most nemcsak a motortípus, hanem a Valtellina villamosítás hőse, Kandó Kálmán is újra „színre lép”, és új fejezetet nyit a villamos vasutak hőskorának gazdag történetében. A háromfázisú vontatás frekvenciájához képest háromszoros frekvencia azonban a mozdony gépszerkezeti részével szorosan összefüggő feladat elé állít. Minthogy ugyanis az új mozdonyok hajtott kerékátmérői, és azok sebessége természetesen azonos tartományban kell maradjanak, azok fordulatszáma sem térhet el a háromfázisú mozdonyokétól. A háromszoros frekvencia miatt azonban ez csak kétféleképpen lehetséges: közvetlenül kapcsolt rudazatos hajtómű esetén, amikor a hajtómotorok fordulatszáma megegyezik a hajtott tengelyek fordulatszámával a motorok pólusszámát is háromszorosra kell növelni, vagy az eredeti pólusszámok tartományában maradva a vontatómotorok és a hajtott tengelyek közé – előtéttengely közbeiktatásával – megközelítően 1:3 áttételű fogaskerék hajtóművet szükséges beépíteni.

Ebben az időben, vagyis a XX. század első harmadában még meglehetősen elterjedt és kedvelt volt a villamos mozdonyoknál a rudazatos hajtómű alkalmazása. Európában már jelentős számban üzemeltek ilyen járművek, méghozzá többféle szerkezetű kivitelben, és 400 fordulat/perc felső határral egy adott konstrukció esetén a gyakorlatban ezek a hajtóművek még jól működtek. Arról nem is beszélve, hogy akkoriban a gőzmozdonyoknál kizárólag ezt a megoldás dívott, ebből adódóan tervezése, gyártása és üzemeltetése bejáratott volt.

A forgattyúcsészés hajtómű

Szorosabban e tanulmány tárgyához tartozó egyik szerkezeti változata a rudazatos hajtóműveknek a háromfázisú mozdonyoknál kialakított és megismert, forgattyúcsészés, vagy más néven kulisszás Kandó-keretes hajtómű, amely a gyakorlatban – a kulissza kopása miatt 250 fordulat/perc határig – olyan jól bevált, hogy nemcsak több, háromfázisú mozdony, hanem  néhány svájci egyfázisú, 16 2/3 Hz-es villamos mozdony hajtóművének is a prototípusa lett, jóllehet ez utóbbi esetben fogaskerék-áttétel közbeiktatásával. Tehát l9l6-ban, már volt egy olyan tizenkét éves múltra visszatekintő, a gyakorlat által igazolt, kedvező tulajdonságokkal rendelkező hajtómű, amelyre, mint a mozdonyok gépszerkezeti részét meghatározó alapra érdemesnek mutatkozott felépíteni az 50 Hz-es táplálásra alkalmas új mozdony villamos berendezését. A két változat közül Kandó ezt, az olasz mozdonyain bevált elrendezést választotta, de a rugójáték felvételére már nem a kulisszás, hanem a tisztán csapokkal működő csuklós-háromszöges hajtóművel.

A fázisváltó működési elvét magyarázó ábra, Kandónak 1920-ban a Lello Pontecorvóhoz írott leveléből

Kitekintő

Mielőtt a fonalat tovább követnénk a fázisváltós mozdonyhoz vezető úton, a történeti teljesség kedvéért megemlítendő, hogy az ipari frekvenciájú mozdonyok esetében a fogaskerék-áttételes változat szintén megvalósult. Mégpedig az 1920-as években, a háromfázisú vontatás hazájában, Olaszországban, ahol – előzetes próbaüzem után – a Róma és Sulmona közötti, 172 kilométer hosszú fővonalat 10 kV 45 Hz háromfázisú rendszerrel villamosították. Itt három, különböző sorozatú mozdonnyal tartották fenn a forgalmat egészen l944-ig, amikor annak a világháborús harcok okozta súlyos károk véget vetettek. Ez a vasútvonal volt tehát az első, amelyen a szabványos periódusszámú villamos vontatás menetrend szerinti forgalomban megvalósult, és amelyhez – miként mintegy negyed századdal korábban – ismét az aszinkronmotor szolgált eszközül. További kiterjedt bevezetése azonban – a kettős munkavezeték már említett hátrányai miatt – sajnos nem volt lehetséges.

Az olasz szakembereknek egy része a könnyebb, de kevésbé távolba mutató utat választotta, amivel szemben Kandó, a háromfázisú vontatási rendszer atyja – akárcsak l8 évvel azelőtt –, 1916-ban is a nehezebb, de a feladat „igazi” megoldásához vezető úton indult el. A fogaskerék-hajtómű mellőzésével együtt járó nagy pólusszámú motorokkal ugyanis két elektrotechnikai probléma jelentkezik.  Tudniillik a nagy pólusszámoknál a mágnesező áram – és az azzal fázisban levő, a szórt mezőt fenntartó, a terheléskor fellépő áram, tehát a primer áram meddő (watt nélküli) komponense is – nagyobb, mint a normál pólusszámú motoroknál.  Ennek következtében azonban a teljesítménytényező annyira lecsökken, hogy azzal a hálózat közvetlenül már nem terhelhető.

Ezzel a rossz teljesítménytényezővel azonban még jó hatásfokú, kedvező fajlagos súlyú motor szerkeszthető, de csak egy adott terhelésre. A terhelés változtatásával arányosan ugyanis változnia kell az eredő mágneses mezőnek, a főfluxusnak. És nemcsak azért, hogy a mindenkori vonóerő kifejtésnek megfelelő forgatónyomaték álljon rendelkezésre, hanem, hogy a teljesítménnyel arányos mágnesező áramot kapjunk, hogy ezzel sem a teljesítménytényező, sem a kis terheléseknél aránytalanul nagy réz- és vasveszteségek miatt a hatásfok ne csökkenjen már elfogadhatatlan értékre. Az aszinkronmotornál azonban a főfluxus megváltoztatásáról külön gondoskodni kell. Az állandó kapocsfeszültségű aszinkron gépeknél ugyanis éppen az ellenkezője történik annak, ami kívánatos lenne, növekvő terheléssel a mágnesmező (főfluxus) gyengül, ellentétben az egyenáramú főáramkörű motorokkal, ahol ez a változás a működés fizikai alapjából éppen ellenkező értelemben, önműködően történik.

A főfluxus változtatása a gyakorlatban csak a kapocsfeszültség változtatásával lehetséges. Ennek a feszültségváltoztatásnak alapfeltételéül Kandó azt határozta meg, hogy az előforduló bármely terhelésnél a vontatómotorok a lehetséges legnagyobb hatásfokkal dolgozzanak. Az elektrotechnika történetében elsőként ő vezette le azt a matematikai összefüggést, amely szerint ennek a feltétele az, ha a kapocsfeszültség (U) és a teljesítmény (N) között az U=c√N egyenlet teljesül, ahol a c a motor méreteitől függő, több tényezőből számítható állandó. Ugyancsak ebből a levezetésből bizonyítható, hogy amennyiben a kapocsfeszültséget a fenti függvény szerint változtatjuk, akkor – amíg a motor vasteste a telítést még nem érte el – a teljesítménytényező (cos φ) a terheléstől függetlenül állandó, de továbbra is  a már említett kedvezőtlen érték. Ahhoz tehát, hogy a nagy pólusszámú, tehát lassú fordulatú aszinkron motorok ötven periódusú villamos mozdonyokba alkalmasak  legyenek, a konstruktőröknek két feltételt kell teljesíteni:
1. Indokolt gondoskodni arról, hogy a kedvezőtlen cos φ az energiaellátó hálózatra hatástalan legyen.
2. A vontatómotorokat a terhelés függvényében az U=c√N függvény szerint változó kapocsfeszültséggel kell táplálni.
Ezt a két feltételt pedig csak a mozdonyon elhelyezett, változtatható gerjesztésű szinkron géppel lehet teljesíteni.