A villamos vasúti vontatás fejlődése

2015. december 2. | Lantos Tivadar |  8667 |

Az alábbi tartalom archív, 10 éve frissült utoljára. A cikkben szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Ma már villamos mozdonyok biztosítják a forgalmas vonalakon a gazdaságos teherárú és személyszállítást. Gyorsabb, kényelmesebb, tisztább, ám nem volt ez mindig így, hosszú volt a fejlődés útja, amíg elértünk az 50 periódusú villamos vontatás megindulásáig.

Az első fecske

Már Siemens 1879-ben épült 3 lóerős villamos mozdonya is mintegy 7 évtized kutatómunkájának eredménye volt.  A világ első villamos mozdonyának megépítéséhez sok tudós, közöttük a Jedlik Ányos által kifejlesztett villamos gép adta meg a lehetőséget. A villamos vontatás legelőször a közúti forgalomban terjedt el. 1881-ben jelent meg Siemens első villamoskocsija. Néhány év múlva Budapesten az 1887-ben megkezdett kísérletek után 1889-ben a Stáció utcán, azaz a mai Baros utcán is végighaladt az első hazai villamos.

Kandó Kálmán színre lép

Az első nagyvasúti villamos mozdonyt 1895-ben a General Electric készítette az Észak-Amerikai Baltimore- Ohio Vasút részére. Négy évvel később Európában is megjelent az első nagyvasúti villamos mozdony a svájci vonalakon. Már ebben az időszakban Kandó Kálmán és a Ganz gyár fontos szerepet játszott az olaszországi háromfázisú vasút villamosítási rendszer kifejlesztésében. 1896-ban az első 500 V-os, majd a 3000 V-os próbakocsival Óbudán lefolytatott kísérletek után 1902-ben helyezték üzemben Olaszországban az első 900 lóerős mozdonyt. Ezeket nagyobb teljesítményű típusok követték. Ennél a villamosításnál először a magyar mérnökök alkalmaztak 3000 V-os feszültséget vasúti vontatás céljára. Észak olaszországban a háromfázisú rendszerrel tovább folyt a villamosítás egészen az I. Világháborúig, amikor ugyancsak Kandó tervei alapján de már Olaszországban gyártott mozdonyokkal.

Technikai részletek

A háromfázisú rendszer villamos mozdonyát háromfázisú indukciós motorok hajtották. Ezek a legegyszerűbb szerkezetű villamosmotorok közé tartoznak, és ez különösen a modernebb változat esetén szembeötlő. Tulajdonságaik a vasúti vontatás követelményeihez kevésbé alkalmazkodnak, mint az időközben kifejlesztett egyenáramú motoroké. A háromfázisú motorok fordulatszámának, és ezzel a mozdony sebességének szabályozása a motorok pólusszám átkapcsolásával és a vízellenállással történik. A háromfázisú áram vezetésére két külön munkavezeték és a sin szolgált. Az állomásokon és különösen a váltók felett a rendkívül bonyolult felsővezeték miatt ez a rendszer később nem fejlődött tovább. Ugyanakkor a háromfázisú rendszer mellett két másik, az egyenáramú, és a 16 ⅔-ad periódusú egyfázisú villamosítási rendszer fejlődött ki.

Az egyenáram itt sem vált be

Az egyenáramú mozdony a felsővezetékről 1500 V vagy 3000 V feszültségű áramot kap. A mozdonyok sebesség és teljesítményszabályozása a főáramkörbe kapcsolt szabályozó ellenállás segítségével történik. Az egyéb kiegészítő kapcsolásokkal együtt a vontatómotorokra jutó feszültséget állítja be. Az egyenáramú vontató motorok általában soros gerjesztésűek, mert ez a motortípus elégíti ki legkedvezőbben a vasúti vontatás igényeit. A felsővezeték áramellátása viszont kedvezőtlen, és rendkívül költséges. A felsővezeték feszültsége viszonylag alacsony, sok, sűrűn elhelyezett alállomásra van szükség, hogy a feszültségesés ne legyen nagyobb a megengedettnél. Az egyenáramú alállomáson a nagyfeszültségű hálózatról vett váltakozó villamos energia feszültségét a felsővezeték feszültségszintjére csökkentik, majd külön berendezések egyenirányítják. A viszonylag kis feszültség miatt nagy az áramerősség, ezért nagyobb keresztmetszetű felsővezetékre, kettős munkavezetékre, és külön tápvezetékre is szükség van.

Egyel jobb megoldás

Egyszerű, könnyű felsővezetéki megoldást tett lehetővé a 16 ⅔-ad periódusú, egyfázisú villamosítási rendszer.  A munkavezetéken a 15 kV feszültségszint mellett kevesebb számú, egymástól távol eső alállomásra van szükség. Hátrány, hogy ezeknek az alállomásoknak az országos elosztó hálózatok 50 periódusú energiáját külön berendezésekkel 16 ⅔ periódusú energiává kell átalakítaniuk, vagy a vasút számára külön erőműveket és távvezeték rendszert kell kiépíteni.  A mozdony a felsővezetékről vett 15 kV feszültségű 16 ⅔-ad periódusú villamos energiát transzformátoron keresztül, megfelelően csökkentett feszültségszinten a vontatómotoroknak adja át. A transzformátor mellett a fokozatkapcsoló a transzformátor megcsapolásairól a kívánt sebesség illetve teljesítmény biztosításához szükséges feszültséget veszi le a motorok számára.

A magyar módszer

A két rendszerhez képest alapvetően újat csak Magyarországon találtak ki. Gazdasági megfontolás alapján már 1917-ben javasolta Kandó az 50 periódusú villamosítási rendszert. Ennél a rendszernél a felsővezeték villamos energiával történő ellátása az egyéb ipari fogyasztókkal azonos módon az országos energiahálózatról történik. A kiválasztásnál ez volt az alapvető szempont, mert a vasúti alállomás közvetlenül az országos villamosenergia alaphálózathoz csatlakozhatott, csupán a feszültségszintet kellett 16 vagy 25 kV-ra csökkenteni. Így ez a legegyszerűbb és a legolcsóbb megoldás. A felsővezeték feszültségszintje eléggé nagy, így az alállomások egymáshoz viszonyított távolsága is nagy lehetett, hasonlóan a 16 ⅔ periódusú rendszerhez. A felsővezetés szerkezete is azonos, könnyű, és egyszerű.

A Kandó mozdony

A legnagyobb kihívást az 50 periódusú táplálásra alkalmas mozdony megalkotása jelentette. Az 1913-ban készült, majd az üzemi tapasztalatok hatására átalakított első próbamozdonnyal Budapest és Alag próbavonalon folytak le. E kísérletek alapján alakult ki a V40 sorozatszámú fázisváltós mozdonytípus, azaz a Kandómozdony.  Teljesítménye 2500 lóerő volt. A felsővezetékről vett 16 kV, 1 fázisú áram az áramszedőn és a főmegszakítón keresztül közvetlenül a fázisváltó primer tekercsébe jut. A fázisváltó szellemes megoldásával és merész kivitelével kiugróan előremutató megoldás volt.  Ez egy rendkívül összetett működésű villamos gép. Primer tekercselését az állórészben helyezték el. Ez a tekercselés, és az egyenárammal gerjesztett forgórész mint egyfázisú szinkronmotor működik. A forgórész ugyancsak az állórész hornyaiban lévő szekundertekercselésben az átkapcsolásoknak megfelelően 3, 4, 6 fázisú feszültséget indukál. Tehát a szekunder tekercselés a forgórésszel többfázisú generátort képez. A fázisváltóban így egy gépben egyesül az egyfázisú szinkron motor és a többfázisú generátor. Jellemző a merész szerkezetre a forgórész tekercseibe épített vízhűtés. A mozdony egyetlen motorja, amely több fázisú indukciós motor, 1000 V körüli feszültséget kap a fázisváltóról.  A fázisváltó állandóan 50 periódusú áramot szolgáltat, ezért a fordulatszám és a sebesség változtatása csak a motor pólusszámának kapcsolásával volt megoldható. A pólusszám átkapcsolásokból adódó szinkron fordulatszám közötti folyamatos átmenetet a vízellenállás biztosította. A mozdony tengelyeit rudazatos hajtással közvetlenül hajtó, ezért viszonylag kis fordulatszámú motorhoz és a sebesség átkapcsolásához tartozó legnagyobb pólusszámot, 72 pólust csak nagy átmérőjű motorban lehetett elhelyezni. Ez indokolja, hogy a mozdonyba csak egyetlen vontatómotor került beépítésre. A motor a kerekeket rudazatos hajtóművel hajtja. A hajtóműnél megtalálható a Kandó háromszög, melynek méretei olyanok, hogy a fő és segéd hajtórúd, valamint a fő csatlórúd középvonala minden helyzetben egy elméleti pontban találkozik.  Ez a megoldás biztosítja a forgatónyomaték merev átadását.

A későbbiekben a villamos hajtás további fejlesztéseken ment keresztül. Megjelentek a félvezető technikák, melyet felhasználtak a vasúti vontatás korszerűsítésére is. A magyarok tehát úttörők voltak a korszerű villamos vasút megalkotásában.

KandóVillamos vontatás

---