Villamosvasutak

A múlt században a közúti villamosvasutak építése külföldi, elsősorban Siemens közreműködéssel kezdődött és ugyancsak a Siemens cég építette meg a budapesti földalatti villamosvasutat. A századforduló után viszont a magyar ipar ért el külföldön világraszóló sikert a nagyvasúti villamosításban. Az akkor még a Mechwart András vezetése alatt álló Ganz Gyár ajánlatot tett az Olasz Államvasutaknak a Milánóból az Alpok völgyeibe nehéz terepen vezető vasútvonal villamosítására a Kandó Kálmán által javasolt háromfázisú rendszerrel. Mivel éppen a nehézségek miatt más ajánlat nem volt, a megrendelést a Ganz kapta és rövid hazai kísérletek után megkezdte a vasútvonal építését. A Kandó által tervezett két mozdonyon és tíz motorkocsin háromfázisú motorok voltak, amelyek áramszedővel a 3000 voltos kettős felsővezetékről illetve a sínről kaptak táplálást. A vonal 1901-ben elkészült, az áramszedők azonban – különösen az alagutakban – gyakran eltörtek és emiatt az ünnepélyes átadás is kudarccal végződött. Már a leszerelés gondolatával foglalkoztak, amikor Tóth László mérnök – a mozdony mögötti kocsi tetejére kötöztetve magát – közelről megfigyelte a törés okait és ezután sikerült is a hibákat kiküszöbölni. A következő évben már olyan sikerrel zajlott le az átadás, hogy az olasz kormány Kandó módszerével több fontos vasútvonal villamosítását és ehhez egy villamosmozdony-gyár építését határozta el. Sajnos a Ganz Gyárban akkor uralomra jutott vezetőség ezt nem használta ki, sőt Kandót is elüldözte, ezért az ő tervei szerint és vezetése alatt Westinghouse hozta létre a gyárat Vado Ligure-ban. Az ott készült mozdonyok közül a tehervonati „cinquanta” és később a gyorsvonati „trenta” koruk villamos mozdonyai között a csúcsot képviselték. A Kandó-féle háromfázisú vasútvillamosításból így lett „sistema italiana”.

Kandó másik nagy alkotása a Magyarországon megvalósított fázisváltós rendszer volt. Ehhez az a gondolat adta az indítékot, hogy a vasutakat ugyanolyan árammal kell táplálni, mint az országos hálózatot, ez pedig az első világháború után már egyértelműen az 50 Hz-es váltakozóáram volt. A kommutátoros motorok azonban ilyen frekvenciával nem működnek jól, ezért Ausztriában, Németországban és Svájcban a vasutak részére az országos hálózattól független 16 2/3 Hz-es hálózatot építettek ki és 16 kV-on egyszerű felsővezetékről táplálták a vonalakat. Belgium, Csehszlovákia, Franciaország, Hollandia, valamint több európai és tengerentúli ország 1500–3000 V egyenfeszültséget választott, amihez azonban sűrűn kellett átalakító állomásokat építeni. Ezeket Kandó nem tartotta megfelelőnek és azonkívül az indukciós hajtómotorhoz is ragaszkodott, viszont az olaszországi tapasztalatok miatt a kettős munkavezetéket is el akarta kerülni. Így alakult ki a mozdonyon elhelyezett fázisváltó terve, amely a felsővezeték egyfázisú feszültségét a motorokat tápláló többfázisú feszültséggé alakítja át. Ez az elméletét és működését tekintve egyaránt bonyolult forgógép a szinkronmotor és generátor, valamint a transzformátor feladatát egyesíti magában. A vasutak 50 Hz-es villamosítása találkozott Verebélÿ országos villamosítási elképzelésével.

A fázisváltós rendszer kipróbálására Budapest Nyugati Pályaudvar és Dunakeszi-Alag állomás között kísérleti pályaszakasz készült, amelyen 1923-ban indult el a Kandó által tervezett próbamozdony. {IV-233.} Néhány éves kísérletezés után kiderültek a gyenge pontok, ezért Kandó gyökeresen átalakította a próbamozdonyt. 1928-ban a próbamozdony minden tekintetben bevált és ennek alapján készültek a Budapest Keleti pályaudvar és Hegyeshalom közötti vonalra szánt mozdonyok tervei.

A villamos berendezést tekintve azonos felépítésű V40 sorozatú univerzális és V60 sorozatú tehervonati mozdonyokban négypólusú fázisváltó alakítja át a vezetékről vett 16 kV egyfázisú feszültséget 1000 V körüli, változtatható, 3, 4 vagy 6 fázisú feszültséggé. Az állórészén olajjal szigetelt és hűtött, a forgórészen vízhűtésű szinkrongép bonyolult működése és merész szerkezeti megoldásai ellenére az egyik legmegbízhatóbb elemnek bizonyult. A pólusátkapcsolással változtatható fordulatszámú hajtómotor a V40 sorozatú mozdonyoknál 25, 50, 75, 100 km/óra gazdaságos sebességet tesz lehetővé. A fokozatok közötti gyorsítás alatt a motor szekunder körébe beiktatott vízindító szabályozza a fordulatszámot. Az egyetlen motor egy hajtórúd és a Kandó-keret útján hajtja a csatolt kerekeket. A keret a vízszintes irányú erőket átviszi, a függőleges rugózást azonban szabadon megengedi. A beépített wattrelé úgy szabályozza a fázisváltó gerjesztését és a vízindító állását, hogy a teljesítmény közel állandó, a nyomaték a legnagyobb és közelítőleg cosj=1 legyen. A mozdony 1 órás teljesítőképessége 2500 lóerő volt.

A tervezés már csaknem készen volt, amikor Kandó 1931-ben hirtelen meghalt. A munkát Bláthy és a Ganz mérnökei fejezték be. A vezeték építését Verebélÿ irányította és ő indította el az első mozdonyt is 1932-ben. Végeredményben 29 V40 sorozatú és 3 V60 sorozatú mozdony készült, amelyek az 1960-as évekig, az egyenirányítós mozdonyok beállításáig, voltak forgalomban.

1940 körül felmerült egy nagyobb teljesítményű mozdony beállítása azzal az igénnyel, hogy a rudazatos hajtás helyett tengelyenkénti motorok legyenek, és a sebességet folyamatosan lehessen szabályozni. Ekkor készült Ratkovszky Ferenc tervei szerint két fázis-periódus-váltós mozdony. Ezekben a V44 sorozatú mozdonyokban a Kandó-féle fázisváltó tengelyirányú meghosszabbításával 4000 lóerőre növelték meg a teljesítményt. A külön egységet alkotó periódusváltó forgórészének fordulatszámát egyenáramú motorral folyamatosan lehetett változtatni és az állórészben indukált, folyamatosan változó frekvenciájú feszültség táplálta a négy rövidrezárt forgórészű hajtómotort. A bonyolult felépítésű mozdonyok túl nehezek és megbízhatatlanok voltak, ráadásul a háborúban az egyik teljesen megsemmisült, a másik pedig megsérült, ezért a további kísérleteket abbahagyták. Érdekes, hogy a francia vasutak a 1950-es években szintén kísérleteztek ugyanilyen mozdonyokkal, de a közben kifejlesztett egyenirányítós mozdonyokkal nem voltak versenyképesek.

A fázis-periódus-váltós mozdony ötlete azonban nem halt ki. A Ratkovszky-féle megoldást átalakítva Mándi Andor közreműködésével az 1950-es években Bo–Co tengelyelrendezésű (általában boco néven ismert) V55 sorozatú mozdonyok készültek. Ezekben a 3200 lóerős mozdonyokban még mindig a Kandó által tervezett fázisváltót használták, csak a hosszát növelték meg. A periódusváltó közös tengelyen volt vele és pólusátkapcsolásokkal ötféle frekvenciát lehetett előállítani. A mozdonynak 25–125 km/óra között öt gazdaságos sebességfokozata volt, közben pedig vízindítóval lehetett szabályozni. Noha ezek a korábbi periódusváltós mozdonynál üzembiztosabbak voltak, a rövidesen megjelenő egyenirányítós mozdonyok kiszorították őket.

A vasútvillamosítás jelenlegi fejlődése Kandó és Verebélÿ előrelátását igazolja, mert az 50 Hz-es egyfázisú rendszer ott is terjed, ahol korábban egyenárammal villamosítottak. {IV-234.} Az indukciós motor ugyan hosszú ideig háttérbe szorult a változtatható fordulatszámú egyen- vagy váltakozó áramú kommutátoros motorok mögött, de újabban félvezetős frekvencia- szabályozással ismét szerephez jutnak a vontatásban. Ma már a 16 2/3 Hz-es rendszer is problémákkal küszködik, mert független hálózatának fenntartása indokolatlanná vált. Nem hiába emlékeztetett a francia vasutak vezérigazgatója 1952-ben arra, hogy Kandó gondolatai nyomán teljesülhet minden vasutas álma, mert az igénytelen indukciós motorral hajtott mozdonyok falják a kilométereket, miközben nem kívánnak mást csak áramot és az elkopott fogaskerekek cseréjét.

A félvezetős egyenirányítók és szabályozások megjelenésével világszerte új utakra tért a vasutak villamosítása. Ma már mindenütt az országos (nálunk 50 Hz-es) hálózatról, egyfázisú vezetéken táplált és a mozdonyon egyenirányítóval kombinált rendszert tekintik korszerűnek. A Kandó-féle alapgondolat révén így Magyarország az egyetlen a világon, ahol kezdettől fogva 50 Hz-es egyfázisú rendszerben jött létre a vasutak villamosítása és más országokkal ellentétben nálunk nincs szükség változtatásra. Az első hazai egyenirányítós mozdonyok a félvezető-technika fejletlensége miatt még külföldi tervek alapján készültek, bár végül több mint 300 került belőlük a hazai vasútvonalakra. A nagyobb teljesítményű tirisztoros mozdonyok ill. a korszerű aszinkronmotoros hajtással készült motorvonatok viszont már magyar mérnökök alkotásai.

A villamosvasutakról tudományos jellegű összefoglalás alig van. A két kötetre tervezett Verebélÿ László–Sztrókay Pál Villamos vasutak című tankönyvnek csak az I. kötete jelent meg, amely a vasúti járművek általános kérdéseit, a motorokat, a szabályozást, a villamos mozdonyokon használt rudazatos és fogaskerekes hajtóműveket tárgyalja. A vasúti rendszerekkel és a ténylegesen magvalósított villamosvasutakkal foglalkozó második kötet nem készült el. Habár elsősorban történeti jellegű, de számos technikai kérdést is tárgyal Verebélÿ László–Klein Ferenc A Kandó-féle fázisváltós villamosítási rendszer és annak alkalmazása a MÁV vonalain című, 1934-ben megjelent könyv. A Kandó-rendszert és a fázisváltót ebből lehet megismerni. A vasutak villamosítását később a villamos hajtások egyik különleges témájaként kezelték, ezért ilyen témájú könyv nem jelent meg. A nagyvasúti villamosításról összefoglaló történeti mű sincs, ezért csak a Magyar Elektrotechnikai Egyesület alapításának 100 éves jubileumára 2000-ben megjelenő Horváth Tibor–Jeszenszky Sándor A magyar elektrotechnika története című könyvre lehet utalni, amely többek között a villamosvasutakkal is foglalkozik.

A városi és helyiérdekű vasutakról történeti összefoglaló munkák jelentek meg főleg jubileum alkalmával. Átfogó képet nyújt a Budapesti Közlekedési Vállalat által 1987-ben kiadott, A főváros tömegközlekedésének másfél évszázada című, képeket is bőségesen tartalmazó három kötet.