A fázisváltó

A Kandó mozdonyok lelkére, erre a szinkron gépre vonatkozóan most ismét álljanak itt Kandó mondatai az előbbiekben már idézett levélből:

„Ha már a hajtómotorokon kívül a mozdonyon van még egy forgógépünk, úgy közelfekvő az a gondolat, hogy ezt a gépet fázis-átalakítónak képezzük ki, hogy az egyfázisú munkavezeték előnyeit a többfázisú indukciós (aszinkron) motorok előnyeivel egyesítsük. Ez a fázis-átalakító egy olyan, egyenárammal gerjesztett szinkron gép, amelynek állórészében két tekercselés van: a nagyfeszültségű, egyfázisú tekercselés, amelyiket a munkavezeték táplál, és a kisfeszültségű többfázisú tekercselés, amelyik a hajtómotorokat táplálja. Hogy a többfázisú tekercselés feszültségszabályozását a munkavezeték állandó értékű feszültségétől lehetőleg minél jobban függetlenítsük, azért a többfázisú tekercselést – kis szórt mezővel – a forgórészhez közelebb, a mesterségesen megnövelt szórt mezejű egyfázisú tekercselést pedig távolabb helyezzük el. A 2. ábra mutatja a fázisátalakító tekercseléseinek vázlatos ábrázolását, ahol a az egyfázisú, b a többfázisú tekercselés. E kettő között a hornyok c megszűkülnek a szórt mező megnövelése céljából. N és S a forgó mágnestestet ábrázolja.”

A következőkben az egyfázisú tekercselést primer, a többfázisút szekunder tekercselésnek nevezzük. A szekunder tekercselésben indukált feszültség, a két tekercselés közötti áttétel figyelembevételével két feszültség vektorális összegeként adódik ki: az egyik összetevő, a forgórész által indukált primer ellen-feszültség – régebbi elnevezéssel ellen-elektromotoros erő, a másik összetevő, pedig a primer tekercselés szórt mezeje által indukált szóródási – reaktancia feszültség, amely arányos a primer árammal, tehát állandó primer vonalfeszültség esetén a teljesítménnyel. A primer és a szekunder hornyok közötti lemeztest, a „mágneses híd” telítésre való méretezésével már most elérhető, hogy miközben a forgórész gerjesztésének változtatásával a szekunder tekercselésben bármely terhelésnél a hajtómotorok legnagyobb hatásfokának megfelelő feszültség indukálódik, ugyanakkor a primer tekercsében indukált ellen egységnyi teljesítménytényezőt tart fenn.

A fázisváltóban végbemenő, zseniálisan átgondolt folyamatokra vonatkozóan valóban igazat kell adnunk Pöschl Imrének, Kandó munkatársának, aki l924-től a budapesti József Műegyetem professzor volt, amikor találóan úgy fogalmazott, hogy „Kandónak volt egy istenadta hatodik érzéke, amivel úgyszólván látta a mágneses erővonalak áramlását”! Ehhez hozzátehetjük, hogy kitűnő matematikai felkészültségével mindezt pontosan számítani is tudta.

A kétpólusú fázisváltó keresztmetszete

A fázisváltós mozdony alapelveinek kidolgozásával kapcsolatosan, pedig érdemes idézni Ney Ákos építészmérnök, a Duna–Száva–Adria Vasút későbbi igazgatójának, több állomásépület tervezőjének az 1960-as évekből származó visszaemlékezését:

„Kandó 1916-ban dolgozta ki világhírt szerzett fázisváltós rendszerét, s e sorok írója volt az, akinek Bécsben, a Hadügyminisztériumból hazatérve, séta közben először fejtette ki elgondolását. Gondolatmenetét rendkívül nehéz volt követni, de ma is él az emléke annak az élménynek, hogy egy nagyszabású, szinte korszakalkotó gondolat nyert első ízben szavakban kifejezést. Kandó a lángész minden nagyszerű tulajdonságával rendelkezett. Nagy mérnök, nagy vasutas, és igaz ember volt.”

Kandó fázisváltó végleges elvi felépítésére vonatkozó szabadalmát 1916. december 1-jén jelentette be, „Szabályozó eljárás és berendezés erősen változó terheléssel dolgozó váltakozóáramú erőátviteli telepek hatásfokának növelésére” címmel.

Amikor a kiváló férfiú az előbbiekben már idézett terjedelmes levelét 1920 utolsó hetében német nyelven volt olasz munkatársához megírta, az első fázisváltós próbamozdony rajzai nagyrészt már lekerültek a rajztáblákról, és a műhelycsarnokban ezek alapján gyártották a járművet. A későbbiekben ennek, majd a szerzett tapasztalatok alapján átszerkesztett kísérleti mozdonynak néhány meghatározó szerkezeti részletébe tekinthetünk bele.

A fázisváltós próbamozdonyok

Méltányolva Kandónak a vasúti technika történetében új fejezetet előrevetítő munkásságát, a Ganz és Társa Gép- Vagon-és Hajógyár Rt. kérésére 1917 őszén felmentették a katonai szolgálat alól, és az év október 1-től kinevezték előbb a gyár műszaki, majd l9l8 tavaszától annak vezérigazgatójává. Csakis a Kandó személyének szóló különleges elismerés volt, hogy az a gyár, amelyiknek nem tartozott üzletkörébe, a szerződés egyik pontja értelmében „kötelezettséget vállalt egy villamos mozdony építésére”, és az e tárgykörre vonatkozó, Kandó nevén álló szabadalmak értékesítésére. Némi kiegészítéstől eltekintve azonos maradt ez a szerződés, pályakezdő éveinek helyszínével, a Ganz Villamossági Rt.-vel is, ahová, megszabadulva a konstruktőri egyéniségével harmóniába nem hozható igazgatói beosztásától, szerkesztési irodájával együtt 1922 nyarán költözött át. (Napjainkban a Millenáris Park területe.)

Kandó Kálmán 1918-tól vezérigazgatói beosztásával járó számos feladata mellett minden idejét az első fázisváltós próbamozdony konstrukciójának szentelte. Miután sikerült elérnie, hogy már a Valtellina-vasút villamosítása idején volt főkonstruktőrét, Pavlovszky Gyulát felmentsék a katonai szolgálat alól, további öt, ugyancsak egykori szerkesztő munkatársával még ugyanabban az évben megalapította a Kőbányai úton levő igazgatósági épületben, a szobája közelében levő egyik teremben a villamosmozdony szerkesztési osztályt, amelynek első feladata a próbamozdony részletrajzainak elkészítése volt.

A próbamozdony fényképe

A mozdony rajzát és a vonatkozó ábrán láthatjuk. A futómű elrendezése azonos volt a jól bevált, és akkor már nagy példányszámban futó olasz, háromfázisú E550 sorozatéval, megtartva itt is a két hajtómotort. Figyelemreméltó változás a mozdony hajtóművében fedezhető fel, amennyiben itt már a hajtott kerékpárok függőleges elmozdulását tisztán forgócsapokkal felvevő, 1916. augusztus 30-án szabadalmaztatott Kandó-háromszöges hajtóművet építettek be, amelynek kipróbálása már egy évvel a próbamozdony üzembe helyezését megelőzően, vagyis 1922-ben, az olasz E 552-es háromfázisú mozdonysorozat első két példányán megtörtént. Ugyancsak ennek az E 552-es sorozatnak egy vezetőfülkés felépítését követte a próbamozdony is, amit ebben az esetben nemcsak a vezérlés egyszerűbb elrendezése, hanem főként a fázisváltó géptérben való elhelyezése tett különösen indokolttá.

A próbamozdony meghatározó jelentőségű részének természetesen annak villamos berendezése, mindenekelőtt az egész új vontatási rendszer alapját képező fázisváltó tekinthető. Az első fázisváltó kétpólusú szerkezettel készült. A primer tekercselés pólusonként 12, változó méretű horonyba volt gombolyítva, hornyonként 36, ugyancsak változó méretű, de hozzávetőlegesen azonos keresztmetszetű, vörösréz rudakból alkotott menettel. A papírbakelitből készült horonyszigetelés az áramszedőhöz kapcsolódó menetek hornyaitól a föld felé közeledve egyre kisebb falvastagságú volt. A háromfázisú, két párhuzamos csillagba kapcsolt szekunder tekercselés hornyonként két, lapos dinamókábellel volt gombolyítva. A primer és a szekunder tekercselés áttételi viszonya 36:l volt, a forgórész gerjesztés-szabályozásával a szekunder tekercselés 417–750 volt közötti, változó feszültséget szolgáltatott a két hajtómotornak.

A fázisváltó üzembiztonságának egyik sarkalatos feltételéül szabták a nagyfeszültségű primer tekercselés megbízható szigetelését, különös tekintettel az időjárás behatásainak fokozott mértékben kitett vasúti üzemre. Kandó ezt a feladatot is gondos és felkészült előrelátással, egészen eredeti módon az állórész transzformátorolajjal történő szigetelésével oldotta meg. Az állórész olajterét a forgórésztől – a légrésbe helyezett, a csapágypajzsokban jól tömített – papírbakelit hengerrel választotta el. Ez, a villamos forgógépek világában egyedülálló konstrukció is Kandó-szabadalom, amelyet 1918. június 10-én, „Olajfürdős, magasfeszültségű, forgó elektromos gép” címmel jelentett be. A kovácsoltvasból készült hengeres forgórész 24 hornyában helyezték el a vörösréz rudakból készült gerjesztő tekercselést (hornyonként 36 menettel), de a mező sinuselosztásának megközelítése érdekében nem egyenletes horonyosztással. A forgórészben keletkezett meleget a menetek két oldalán végigmenő szellőzőrésekben áramló, ventilátorral felgyorsított levegő vezette el. A forgórészt az 50 Hz-hez tartozó 3000 percenkénti fordulat közelébe a mozdony akkumulátor telepéről táplálva – főáramkörű, egyenáramú motorként a gerjesztő dinamó gyorsította fel.

A mozdony két hajtómotorját Kandó az elektrotechnika történetében egyedülálló szerkezettel alakította ki. Egy motor ugyanis két, koncentrikusan elrendezett motort egyesített. A külső nagyobb átmérőjű 18, a belső hatpólusú háromfázisú tekercseléssel volt gombolyítva. A forgórésznek mindkét tekercselése a tengelyre ékelt három csúszógyűrűhöz volt kapcsolva, és így egyben egymással állandóan összekapcsolva. A mozdonynak tehát így két egységbe foglalva, végeredményben négy motorja volt, amelynek kaszkád vagy párhuzamos kapcsolásával az alábbi eredő pólusszámok adódtak, kaszkádkapcsolások: a négy motorral 18+6+18+6=48, a két külső motorral 18+18=36, a külső és a belső motorral 18+6=24 (a két motor így párhuzamosan kapcsolva), végül csak a két külső motor párhuzamos kapcsolásával l8 pólus. Az így adódott, percenkénti szinkron fordulatszámok – a forgómező fordulatszámai – 50 Hz-nél 125, 166,6, 250, 333, amelyek a slip számításba vételével eredményezték a mozdony négy sebességi fokozatát. A motorok e rendhagyó szerkezeti kialakítását, és az általuk elérhető, négyszeres kaszkádkapcsolást Kandó elsősorban azért választotta, mert így a fázisváltót nagy fáziseltolású árammal terhelhette meg, ezzel is meggyőződve a fázisváltó stabilitásáról.

A forgórész koncentrikus beállítását – 2, illetve 2,5 milliméteres légrések (!) –, valamint a hajtóműből adódó reakcióerők felvételét a Kandó szabadalma szerint szerkesztett, háromrészű beállítható csapágyak teremtették meg, amelyek először az E 552-es sorozatú  háromfázisú mozdonyokon, 1922-ben mutatkoztak meg.

Indításra, és a sebességi fokozatok közötti folyamatos átmenetre a hajtómotorok szekunder körébe kapcsolt, 0,5 százalékos szódaoldattal töltött vízellenállás szolgált. Az elektródák közötti vízszint magasságát, és ezzel a motorok szekunder kapcsai közötti ohmikus ellenállás értékét két, csőből kialakított bukógát felső peremének magassága határozta meg. A bukógátakat sűrített levegővel működésbe hozott léghenger emelte fel a szabályozás által meghatározott mértékben. A szabályozás alapelve pedig az egyenletes gyorsítás feltétele, ami állandó forgatónyomatékot, tehát állandó teljesítményfelvételt jelent Az állandó teljesítményt a motorok primer áramkörébe kapcsolt wattmérő, és a mozdonyvezető által emelőkar közvetítésével előfeszített csavarrugó egyensúlyi helyzete határozta meg. Ezzel a mechanizmussal volt kapcsolatos a bukógátak emelőhengerébe sűrített levegőt be, vagy abból kibocsátó szabályozó szelepfej, amelyik így az állandó teljesítményfelvételnek megfelelő vízoszlop magasságot, és ezzel a külső szekunder ellenállást változtatta.

Az előbbiekben említett elveknek megfelelően külön szabályozó gondoskodott a fázisváltó forgórészének gerjesztés szabályozásáról. Az első próbamozdonynál a gerjesztés szabályozását a primer feszültség és áram közötti fáziseltérést érzékelő forgó szabályozó végezte, amely egy hidraulikus szervomotoron keresztül működtette a gerjesztőgép söntáramát szabályozó ellenállást. A két szabályozónak természetesen összhangba kellett működnie, amit azonban a gyakorlatban csak nagyon nehezen lehetett elérni, emiatt a későbbiek során a szabályozás felépítése jelentősen egyszerűsödött. A mozdony gépszerkezeti részét a MÁVAG, villamos részét a Ganz Villamossági Rt. gyártotta, összeszerelését a Ganz-Danubius Kocsigyárban végezték.