A próbapálya

Az új vasútvillamosítási rendszer kipróbálására az Országos Középítési Tanács először a 49 km hosszú, Kelenföld–Pusztaszabolcs (akkoriban Adonyszabolcs) vonalat javasolta, de a hazánkat ezekben az években ért súlyos megpróbáltatások – a kommunista diktatúra, a román megszállás és kifosztás, majd a tragikus trianoni békediktátum – következtében előállt nehéz helyzet miatt végül csak a 15,3 kilométer hosszú, Budapest Nyugati–Dunakeszi-Alag vonalszakasz villamosítására kerülhetett sor. Ennek 15 kV 50 Hz-es energiaellátását az Istvántelki Főműhely erőművének 3500 kVA-es turbógenerátora szolgáltatta, történetesen egy 1000 kVA-es, 5700/15000 V áttételű egyfázisú léghűtéses olajtranszformátoron keresztül. Utóbbi primer tekercselése a generátorok háromfázisú gyűjtősíneinek egyik fázisára, szekunder oldala pedig a földhöz és a munkavezetékhez volt kapcsolva. A vonal villamosításának terveit a MÁV Vonal Villamosítási Iroda dolgozta ki, amelyet 1918 őszén alapított Vázsonyi Jenő, a MÁV akkori elnöke. Vezetésére – Kandó javaslatára –, már Olaszországban 1913-tól munkatársa, Verebély László kapott megbízást. A villamos vonalfelszerelés munkálatai 1922. október l6-án kezdődtek meg.

A próbamozdony 1923. október 31-én futott végig először feszültség alatt Rákos-Rendezőről Dunakeszi-Alagra. A sok tekintetben új berendezéssel a nehézségek természetesen már rögtön a próbák megindulása után jelentkeztek, emiatt az üzemi tulajdonságok mérését célzó rendszeres kísérletek csak 1925 márciusának végén vehették kezdetüket. A mozdony a rövid próbavonalat naponta négyszer – két vonatpárral – futotta be, tehát a napi átlagos futásteljesítmény 60 kilométer volt. A legkisebb továbbított személyvonati elegysúly 209 tonna, a legnagyobb tehervonati 1200 tonna volt. A próbamenetek 1925. június 22-étől több mint három hónapig a fázisváltó csapágyolvadása, a forgórész bandázs sérülése, valamint a papírbakelitcső kiszakadása miatt szüneteltek. A szeptember 29-én történt újabb üzembe helyezés után november 27-én – amikor már a MÁV mérőkocsiját is bekapcsolták a szerelvényekbe – egy 1000 tonnás tehervonat továbbítása közben a forgórész szigetelése mondta fel a szolgálatot. A próbamenetek emiatt egészen 1926 áprilisáig szüneteltek. Csakhogy takarékossági okokból a szigetelést mindössze kijavították, de nem újították meg, ezért az üzembe helyezést követő második napon ugyanezzel a hibával a mozdony ismét szolgálatképtelenné vált. Valószínűleg ismét huzamosabb ideig, mert ekkor már teljesen megújították a szigetelést – é tehát a forgórészt újratekercselték. Az újabb üzembe helyezést követően a próbamenetek még 1926 decemberéig tartottak, amikor a mozdony, átalakítás céljából végleg leállt. A próbamenetek során a mozdony összesen 6100 kilométert futott. A leírtakból nyilvánvaló, hogy a próbamozdony egyetlen igazán kritikus, csak átszerkesztéssel kijavítható hibája a fázisváltó forgórészének elégtelen léghűtése volt. Minden más tekintetben azonban a próbamenetek teljes mértékben igazolták a fázisváltós rendszer elvi alapjait. A két legfontosabb jellemzőt Kandó így foglalta össze: „A próbák igazolták, hogy
a./ lehetséges nehéz vonatokat indítani és vontatni olyan fázisváltóval, amelynek a nyugalmi rövidzárási árama, kisebb, mint a teljes terhelési áram,
b./ a terhelési lökések visszahatása az áramfejlesztő telep feszültségére rendkívül csekély, ha a vasút által fogyasztott áram teljesítménytényezője /cos φ/ közel áll az egységhez.
Különösen ebben az utóbbi tekintetben a próbák eredménye messze túlhaladta a legvérmesebb reményeket is, mert a próbamozdonyt tápláló aránylag kis turbógenerátor (3500 kVA) feszültsége mindössze két százalék ingadozást mutatott akkor, amikor a mozdony 1200 tonnás vonatot indított.”

A külföldi szakértők először az 1924. június 30. és július 12. között Londonban megrendezett első Energia Világkonferencián szereztek tudomást Kandó fázisváltós villamos mozdonyáról, mégpedig Verebély László előadásából. Verebély már nemcsak a rendszer alapelveit ismertette, hanem az akkor már nyolc hónapja megindult próbákról is beszámolhatott a hallgatóság legnagyobb meglepetésére. Fel is kereste az azt követő hónapokban több nagynevű elektrotechnikus a szerény, de annál jelentősebb próbaüzemet. Verebély László hervadhatatlan érdeme, hogy hazai és külföldi szaklapokban, továbbá egy könyvben a szakértők széles körében tette ismertté Kandó fázisváltós rendszerét. Ugyancsak az ő érdeme, hogy az 1930-as években a távlati országos villamosítás egyik nagy fejezeteként kidolgozta a MÁV fővonalainak villamosítási sorrendjét, ami megegyezik azzal, ami napjainkban már a magyar vasútvillamosítás történetéhez tartozik.

Indulás előtt az egyik tehervonati próbán Dunakeszi-Alag állomáson

Az átszerkesztett próbamozdony

E kis kitérő után visszatérve történetünk gerincéhez, a próbák után nyilvánvaló volt, hogy a mozdony megfelelő üzembiztonsága csak egy új, a forgórészen megfelelő hűtéssel ellátott fázisváltótól várható. Kandó 1925-ben, a rendszer elvi alapjait bizonyító terhelési próbák birtokában hozzákezdett egy új, négypólusú fázisváltó számításához - szerkesztési irodája már l926-ban elkészítette annak műhelyrajzait is. A Ganz Villamossági Rt. Igazgatósága azonban azzal a kényelmes pesszimizmussal halogatta a gyártás megkezdését, hogy Magyarországon belátható időn belül úgysem lesz vasútvillamosítás. Ez, a később megalapozatlannak bizonyuló álláspont néhány igen értékes év elfecsérlését jelentette. Ekkor azonban egy újabb kiváló ember jött segítségül, mégpedig Herrmann Miksa műegyetemi tanár, az 1926 októberében újjáalakult Bethlen-kormány kereskedelemügyi miniszterének személyében. Ő a budapesti József Műegyetem mérnöknemzedékeket nevelő kiváló tudósaként megértette Kandó fázisváltós rendszerének hatalmas jelentőségét, és még 1926 végén elrendelte az új fázisváltó, továbbá az átszerkesztéshez szükséges egyéb szerkezeti részletek, tehát végeredményben az átalakított fázisváltós próbamozdony legyártását.

A mozdony átszerkesztésénél természetesen igyekeztek az anyagi nehézségekre való tekintettel az első mozdony minél több részletét megtartani. Így változatlan maradt a futó- és hajtómű, a vezetőfülke oldalfalai, a hajtómotorok álló- és forgórészének mechanikai szerkezete. Megújult viszont a teljes villamos berendezés, és ehhez igazodott a géptér burkolata is.

Az átalakítás főszereplője természetesen a megfelelő forgórész-hűtéssel ellátott új fázisváltó volt. A túlmelegedés egyrészt a fázisváltónak az azonos teljesítményű turbógenerátorral összehasonlítva 1,6–1,8-szoros gerjesztési igénye, másrészt a csillapító rudazatban az egyfázisú mező által indukált áramok okozta nagyobb rézveszteségből adódik. Ennek a többletmelegnek elvitelére azonban csak vízhűtés jöhetett szóba, amelyre először Dr. Seidner Mihály jelentett be szabadalmat, 1919-ben. Az új fázisváltó forgórészének vízhűtése azonban nem a Seidner-féle, hanem a Kandó által már 1926-ban kidolgozott szerkezet szerint valósult meg, amelyet – életének utolsó szabadalmaként – 1929. március 15-én jelentett be: „Hűtőberendezés elektromos gépek rotorain” címmel. Kandó szabadalmával a hűtőcsövek be- és kiszerelése egyszerűbbé vált, ugyanakkor a horonyoldalakkal jobb érintkezést, tehát jobb hőátadást eredményezett.

Az új fázisváltó az első konstrukció kétpólusú kivitele helyett négypólusú kivitelben készült. Ezt mindenekelőtt a hűtőelemek megbízható megfogása indokolta, amely kétpólusú megoldásnál négyszeres igénybevételt jelentett volna, de kedvezőbb lett a gép fajlagos súlya is. A vízhűtésnek megfelelő, különleges felépítésű forgórész szerkezet alapelve a lehető legjobb hőátadás elérése volt, amit természetesen csak pontos, lelkiismeretes műhelymunkával lehetett teljesíteni. A hengeres kialakítású forgórészen pólusonként négy, sablonon pontosan, előre legyártott, különböző menetszámú tekercset helyeztek el, amelyeket ugyancsak szigorú tűréssel gyártott, a tengely megfelelő hosszába belegyalult fecskefarok hornyokba tolt acélfogakkal építettek körül, kialakítva ezzel magukat a hornyokat. Ezeknek a fogaknak a közepébe belemart horonyba helyezték a hűtőelemeket, a forgórész kerülete mentén a pólusközepek hornyaival együtt összesen harminchatot. A forgórészbe a víz a kisebb átmérőben végződő nyílásokon ömlött be, és a centrifugális erő – 3,5 fordulat/másodperc mellett – hatására áramlott a hűtőelemeken keresztül. A vízet a vezetőfülkében elhelyezett víztartályra, és a fázisváltó végére szerelt centrifugál szivattyúk keringették.

A gerjesztőtekercsek horonyban fekvő részéhez képest még nagyobb feladat volt a tekercsfejek hűtése, amit a közéjük helyezett jó hővezető-képességű weissbronz – a csepeli Weiss Manfréd Művekből származó bronzötvözet – betétdarabokkal sikerült elérni. Végül a nagy keresztmetszetű, a forgórész palástját borító csillapítórudazat összeállítása is különleges konstrukció volt, a szerkezetet tisztán ékeléssel rögzítették.

Változás történt az első fázisváltóhoz képest az állórész szerkezetében is, mégpedig a primer és a szekunder hornyok egymáshoz viszonyított elrendezésében, a primer tekercselés felépítésében, valamint abban, hogy a szekunder tekercselést két, három és négyfázisú kivezetésekkel is ellátták. A legjelentősebb változás a primer tekercselés szerkezetében fedezhető fel, amennyiben az új fázisváltó valamennyi primer hornya azonos méretű lett, amelyekben változó horonyszigetelés vastagsággal –  az áramszedőtől való távolság függvényében - változó menetszámú vörösréz rúd volt gombolyítva, mégpedig annak a feltételnek alapján, hogy valamennyi horonyban közel azonos melegedés adódjon.

Erre vonatkozó szabadalmát Kandó, 1925. március 7-én jelentette be „Hornyokban elrendezett tekercselés nagyfeszültségű elektromos gépek számára” címmel. A primer tekercselést pólusonként 16, tehát összesen 64 horonyban helyezték el. A szekunder tekercselés 96 félig zárt horonyba gombolyított, önmagában záródó hurkos tekercselés volt, amely equipotenciális összekötéseiről 2, 3 és 4 fázisú, 700 és 1100 volt között változó feszültséget szolgáltatott a hajtómotoroknak.

Az állórész már az első fázisváltónál is bevált olajszigetelést kapott. Az olaj emellett az állórész hűtését is ellátta, méghozzá a fázisváltó két oldalán elhelyezett bordás-csöves hűtők révén. Az olaj- és vízhűtőn keresztüli megfelelő légáramlás a fázisváltó feletti ventillátor generálta. A forgórész felgyorsítására már nem a gerjesztőgép, hanem a tengelyre ékelt, rövidrezárt forgórészű, fáziseltolással létesített kétfázisú aszinkronmotor szolgált, amely a forgórészt mintegy 4,5 perc alatt 1000 percenkénti fordulatra gyorsította, majd azt lekapcsolva a csillapítórudazat, végül a rágerjesztés segítségével hozzávetőlegesen egy perc elteltével már önműködően elérte az 1500 percenkénti szinkron fordulatszámot.

Az átépítés alatt álló próbamozdony a gyárudvaron

A járművet két, állandóan párhuzamosan kapcsolt motor hajtotta, amelyeket az első próbamozdony motorainak átalakításával – elhagyva azok különleges kettős szerkezetét – az álló és forgórészen új lemezeléssel és tekercseléssel láttak el. Azzal ugyanis, hogy a fázisváltó szekunder tekercseléséről többféle fázisszámú feszültség is levehető, lehetővé vált a hajtómotoroknak a vasúti üzem által megkövetelt fordulatszám fokozatait kizárólag pólusszám változtatással elérni. Az új motoroknál a forgórészen elhelyezett primer tekercselése –  11 áramszedő gyűrűn keresztül – 2, 3 és 4 fázisú táplálással 36, 24 és l8 pólusszámra volt átkapcsolható. A 288, félig zárt horonyban 24 pólusra gombolyított háromfázisú, háromsíkú tekercselés Bláthy szabadalma szerint kétfázisra kapcsolva 36, míg Kandó szabadalma szerint négyfázisra átkapcsolva 18 pólusúvá válik. Az átkapcsolásokat a harminc kapcsolóelemből álló, mechanikus és elektropneumatikus működtetésű kapcsolócsoport végezte. Az állórész ugyancsak 288 horonyban 24 pólusú háromfázisú hurkos tekercselést kapott, történetesen 48 kivezetéssel, amelyek közvetlenül a vízellenállás 48 elektródájához csatlakoztak. A tekercselés kapcsolása alapján a primer pólusátkapcsolásoknak megfelelő pólusszámok a szekunder tekercselésben minden átkapcsolás nélkül, önműködően alakultak ki. Ezzel a mozdony főáramú kapcsolóberendezése a korábbiakhoz képest lényegesen egyszerűsödött.

Végül, alapvetően megújult és egyszerűsödött a mozdony szabályozása is, amennyiben az első próbamozdony említett kettős szabályozószerve helyett, mind a fázisváltó gerjesztés, mind a hajtómotorok terhelésszabályozását egyetlen, wattmérővel vezérelt szabályozó látta el. Ennek szabadalmát Kandó „Önműködő szabályozó berendezés forgó szinkronfázisátalakító gerjesztéséhez” címmel 1926. július 29-én jelentette be.