Az egyenáram és a váltakozóáram versenye, Kandó Kálmán motorjai és mozdonyai

1885-ben az elektrotechnika legnevesebb személyiségei, többek között Edison és Siemens az egyenáram mellett foglaltak állást, a váltakozóáramot csupán rövidéletű divatnak tartották.
Miért idegenkedtek az elektrotechnikusok az egyenáramtól? Ennek részben szemléleti, részben valós technikai okai voltak. A szemléleti ok egyrészt a megszokás, másrészt az egyenáramú áramkörök működésének könnyebb megértése és könnyebb számítása volt. Ami a megszokást illeti: addig szinte kizárólag egyenáramot használtak. Megszokták, hogy az áramforrásnak pozitív és negatív pólusa van, hogy az áram megszakítás nélkül folyik a vezetékben és az Ohm-törvény segítségével egyszerűen kiszámítható. Az Ohm-törvény használata nem igényelt felsőfokú matematikai ismereteket, a számításokhoz elegendő volt a négy alapművelet. Amikor az egyenáram világa végre szépen rendezett és áttekinthető volt, megjelent a váltakozóáram és rombadöntött mindent.
A zűrzavar már az első lépésnél, a váltakozófeszültség meghatározásánál elkezdődött. A váltakozófeszültség értéke pillanatról pillanatra változik, másodpercenként százszor nulla, ötvenszer pozitív, ötvenszer negatív csúcsértéket ér el, a szélső értékek között pedig folyamatos az átmenet. Mármost akkor mennyi a feszültség? Hogyan lehet meghatározni azt a váltakozófeszültséget, amelynél a 110 V egyenfeszültségre készített izzólámpa ugyanúgy világít, mintha egyenáram folyna az izzószálban? Új fogalmat kellett bevezetni, ez a váltakozófeszültség effektív értéke. Meghatározásánál abból indultak ki, hogy adott egyenfeszültség és ugyanekkora effektív feszültségű váltakozófeszültség azonos ellenálláson (ugyanabban az izzólámpában) ugyanakkora hőt fejlesszen. Az elektrotechnikusok hozzászoktak az effektív feszültséghez és áramhoz. Ma már senki sem gondol arra, hogy a hálózat 220 V-os feszültsége csak egyfajta (négyzetes) középérték. A feszültség valójában állandóan változik 0 és ± 311 V csúcsérték között, mégis állandónak tekintjük. Ezzel a közelítéssel az áramkörök működése áttekinthetővé válik.
A bonyolultabb számításokat már a Műegyetemen tanították. Zipernowsky Károly 1893-ban megvált a Ganztól, megszervezte az Elektrotechnika Tanszéket s az elektrotechnika első professzora lett. Az oktatás a legújabb tudományos eredmények alapján folyt.
A váltakozóáram ellentáborának voltak igazi műszaki ellenérvei is. Először is: hiányoztak a váltakozóáramú készülékek. Természetesen hiányoztak, hiszen 80 éven keresztül minden készüléket egyenáramra terveztek. A legnagyobb gondot a könnyen indítható, jól szabályozható villanymotor hiánya okozta. Azt is a váltakozóáram hátrányának tartották, hogy nem tárolható. Az egyenáramot akkumulátorokban tárolni lehet. Ez növelte a villanyvilágítás üzembiztonságát, hiszen ha elromlott az áramfejlesztő, az akkumulátorok még órákon át biztosítani tudták az áramszolgáltatást.
A váltakozóáram hívei ezt a kérdést nem az energia tárolásával, hanem az erőművek összekapcsolásával oldották meg. A váltakozóáram nagy távolságra továbbítható, ez lehetővé teszi, hogy az erőművek szükség esetén kisegítsék egymást. Eleinte csak néhány erőművet kapcsoltak össze, majd századunk közepén felépültek az országos hálózatok, kiterjedt távvezetékrendszerrel. Ma már kontinens méretű hálózatok vannak. Európában 4 hálózat működik: egy Angliában, egy a skandináv országokban, egy kelet-európai és egy nyugat-európai. A nyugat-európai, amelynek hazánk is tagja, Magyarországtól Portugáliáig terjed.
A két rendszer harca nem csupán műszaki, hanem gazdasági verseny is volt. A régebbi cégek (Edison, Siemens) az 1880-as években egy sor nagyvárost villamosítottak egyenárammal, érthető, hogy körömszakadtáig ragaszkodtak saját rendszerükhöz, hadállásaikat szabadalmaikkal alaposan körülbástyázták. Az “újak” (Ganz, Ferranti, Westinghouse) ezen a falon igyekeztek rést ütni a váltakozóáramú megoldással. Gyakran a városatyák politikai harcává fajult az egyen- vagy váltakozóáram melletti döntés. Jellemző Budapest villamosításának esete. 1893-ban kezdődött a közcélú áramszolgáltatás - egyidejűleg egyen- és váltakozóárammal. A Belvárost egy osztrák-magyar tőkeérdekeltségú vállalat egyenárammal, a többi városrészt a Ganz váltakozóárammal látta el. A VII.-VIII. kerület egyes részein még az 1950-es években is egyenáram volt az ott lakók nem kis bosszúságára, hiszen nem lehetett korszerű rádiót, TV-t, mosógépet működtetni.

13. ábra Gőzgéppel hajtott váltakozóáramú Ganz generátor
A magyarok a váltakozóáram élharcosai lettek. A Ganz gyár egymás után építette a váltakozóáramú erőműveket, távvezetékeket és transzformátoros hálózatokat. 1886-ban Rómában épített 2700 LE-s erőművet, majd többek között Bécs, Milánó, Nápoly, Velence, Firenze, Szentpétervár, Stockholm, Melbourne részére szállított berendezéseket - hogy csak a legismertebbeket említsük. Németországban a Helios cég megvásárolta a Ganztól a gyártási jogot, s váltakozóáramú hálózatot épített Kölnben. Ez volt Németországban az első váltakozóáramú rendszer! A Ganz az ezredik transzformátort 1889-ben, a tízezrediket 1899-ben gyártotta. Kifejlesztette a szükséges váltakozóáramú készülékeket is, ezek közül a legnevezetesebb Bláthy találmánya 1889-ből, az indukciós (Ferraris-tárcsás) fogyasztásmérő (“villanyóra”). Ma a világon minden mechanikus fogyasztásmérő Bláthy-rendszerű, csak legújabban kezdi átvenni helyét az elektronikus számláló.
14. ábra A Bláthy-féle indukciós fogyasztásmérő első típusa

A váltakozóáram terjedését azonban egyre jobban gátolta a jó motor hiánya. 1885 körül, amikor a villamos áramot szinte kizárólag világításra használták, ez még nem okozott gondot, de néhány év múlva egyre több műhely, gyár szerette volna gépeit villanymotorral hajtani. A Ganz gyártott ugyan egyfázisú szinkronmotort és kommutátoros motort, de ezek bonyolultabbak és drágábbak voltak az egyenáramúnál, üzemi tulajdonságaik is kedvezőtlenebbek voltak. Az elektrotechnika új, egyszerű, megbízható, olcsó villanymotorra várt. A döntő fordulatot és ezzel a váltakozóáram teljes győzelmét a többfázisú rendszer és az indukciós (aszinkron) motor hozta meg. A többfázisú rendszer feltalálói - egymástól függetlenül - Galileo Ferraris és Nikola Tesla. A magyarok Ferraris révén ismerkedtek meg a többfázisú rendszerrel (1885). A dolog érdekessége, hogy Tesla éppen Budapesten ismerte fel a több fázis alapgondolatát 1882-ben, de akkoriban más kérdésekkel foglalkozott (a budapesti telefonvállalat mérnöke volt), utána Párizsba utazott, majd az Egyesült Államokban telepedett le, magyarországi kapcsolatai megszakadtak. A háromfázisú erőátvitel és az aszinkron motor ipari léptékű főpróbája és bemutatása az 1891-es Frankfurti Nemzetközi Elektrotechnikai Kiállításon volt. A lauffeni vízesés energiájával hajtott generátor áramát 175 km hosszú, 15 000 V-os távvezeték továbbította a kiállításra, ahol egy 100 lóerős aszinkron motort és 1000 izzólámpát táplált. Különösen a motor aratott nagy sikert egyszerű szerkezetével és megbízhatóságával. Az úgynevezett rövidrezárt forgórészű aszinkron motorban nincs kommutátor, nincsenek benne karbantartást igénylő szénkefék, forgórészében nincs a hagyományos értelemben vett tekercselés, csupán egy fémkalicka. Azóta is ez a legolcsóbb és legmegbízhatóbb villanymotor. Bláthy, aki eleinte fenntartással fogadta a háromfázisú rendszert, hamar felismerte, hogy ez a jövő útja. 1894-ben megbízta a fiatal Kandó Kálmánt (1869-1931), hogy szervezze meg a háromfázisú aszinkron motorok gyártását. 1895-ben már a szerkesztési osztáíly vezetője lett, s tervei alapján megkezdődött az aszinkron gépek gyártása, amelyek kitűnő tulajdonságú, szinte elpusztíthatatlan motorok voltak. Kandó továbblépett az általános célú motorok tervezésénél. Felismerte, hogy az aszinkron motor kiválóan alkalmas vasúti vontatási célra. 1896-ban 800 m hosszú próbapályát építtetett, amelyen egy kis próbakocsival vontatási kísérleteket végzett. Merész kezdményezés volt, hiszen az egyenáramú városi villamosok és helyiérdekű vasutak sikerük csúcsán voltak, váltakozóáramú vontatásnak még a gondolata is szentségtörtésnek számított.
fig16.jpg (15236 bytes)

A rövid távú városi vonalakon kétségtelen volt az egyenáram előnye, máig egyenáram táplálja a villamosokat, a földalattit, a HÉV-et. Időközben azonban egyre gyakrabban felvetődött a vasútvonalak villamosítása is. Itt megint előkerült az egyenáram alapproblémája: a nagy távolságú erőátvitel. Nyilvánvaló, hogy a nagyvasúti vontatásnál többszáz kilométer hosszú vonalakat kell árammal ellátni. Ez csakis váltakozóárammal lehetséges. Ha a mozdonyt egyenáramú motor hajtja, néhány kilométerenként áramátalakítókat (váltakozóáramú motorral hajtott egyenáramú generátorokat) kell elhelyezni, ami nagyon költséges és rossz hatásfokú. Kandó ezért szakított az egyenárammal és elhatározta, hogy háromfázisú motorral épít mozdonyt. Erre rövidesen alkalom kínálkozott. 1897-ben az olasz kormány felszólította a két északolaszországi vasúttársaságot, hogy tegyen lépéseket az Alpokban lévő vízerő hasznosítása érdekében, azaz vontassa szerelvényeit vízerőművekben előállított villamosenergiával. Ajánlatokat kértek Európa legnevesebb villamossági gyáraitól, de egyedül a Ganz vállalkozott a feladatra. 1898-ban megkötötték a szerződést a 114 km hosszú Val Tellina vasút villamosítására. Ez a vonal a Comoi tó mellett, majd nehéz hegyi szakaszon a Tellina-völgyben halad. 1902-ben megindult a forgalom.
fig15.jpg (14535 bytes) Kandó Val Tellina mozdony

Kandó a háromfázisú áramot közvetlenül a mozdonyba vezette. Ehhez 3 vezeték szükséges. Egyik a sín volt, a pálya fölé pedig két munkavezetéket szerelt. A vasútvonal mentén 22 000 V-os távvezeték szálltotta az energiát, ezt transzformátorok csökkentették a felsővezetékek 3000 V-os feszültségére. A berendezés kitűnően bevált, a villanymozdony könnyebben megbirkózott a meredek és kanyargós hegyi pályával, mint a gőzmozdony. A siker hatására több mint 1000 kilométer vasútvonalat villamosítottak Kandó rendszerrel. Egyes szakaszai még 1970-ben is eredeti állapotban üzemeltek. Kandó rendszerrel épült a Simplon alagút villamos vasútja is. 1906-ban Olaszországban gyár épült a Kandó-mozdonyok gyártására, vezetésére Kandó Kálmánt kérték fel. 1915-ig több mint 200 mozdony készült a gyárban, ekkor azonban Olaszország hadat üzent az Osztrák-Magyar Monarchiának, ezért Kandó kénytelen volt hazatérni. Kapcsolata megszűnt a gyárral, amely változatlanul folytatta a mozdonyok gyártását.
Időközben a nagy külföldi vállalatok is elkezdték a vasútvillamosítást, de Kandóétól eltérő megoldással. Két nagy rendszer terjedt el. Egyik egyenáramú, vállalva az áramátalakító állomások és a nagy vezetékveszteség költségét. A gazdaságosságot a feszültség növelésével javították, de ennek felső határt szab az egyenáramú motor kommutátora. A lehetséges legnagyobb egyenáramú felsővezeték-feszültség 3000 V. A német fejlesztők az egyfázisú váltakozóáramú rendszert választották. Ennél egy felsővezeték van, amelynek feszültsége akár 15 000 - 20 000 V is lehet, a mozdonyban azután a motornak megfelelő kisebb feszültségre transzformálható. A problémát a kommutátoros, kefés egyfázisú motor okozza. Kisebb kefés motor minden további nélkül táplálható a szokásos 50 Hz-es hálózati árammal, ilyenek például a porszívók, hajszárítók, kézi fúrógépek motorjai. A többszáz kW-os mozdonymotorok keféinek szikrázása viszont 50 Hz-es áramnál megengedhetetlenül erős. A kefeszikrázás a frekvencia csökkentésével korlátozható, ezért az egyfázisú rendszernél a szokásos 50 Hz helyett annak 1/3-át, 16 2/3 Hz-et használnak. Ez viszont azt jelenti, hogy a vasútnak külön hálózat, külön erőmű vagy áramátalakító állomás kell.
Kandó azt a célt tűzte ki, hogy a vasúthoz ugyanazt a váltakozóáramot használja, mint a többi fogyasztó. Felismerte, hogy egy kis ország nem engedheti meg magának azt a fényűzést, hogy két erőmű- és hálózatrendszert építsen. Olyan mozdonyt tervezett, amely a szokásos 50 Hz-es feszültséggel táplálható, és egyfázisú, nagyfeszültségű (16 000 V) felsővezetéke van. Hajtógépnek az olasz mozdonyoknál jól bevált többfázisú aszinkron motort választotta (ennél nincs kommutátor, így elmarad a kefeszikrázás problémája), ehhez azonban az egyfázisú tápfeszültséget a mozdonyban többfázisúvá kellett átalakítani. Erre a célra egy különleges forgógépes áramátalakítót tervezett, az úgynevezett fázisváltót. A fázisváltó egyúttal azt is lehetővé tette, hogy a motorok és a tápvezeték kihasználását minden üzemállapotban a legkedvezőbbre szabályozzák.
Az első kísérleti mozdony építése röviddel az első világháború után megkezdődött, első próbamenetére 1923-ban a Budapest-Alag közötti pályaszakaszon került sor. A próbamenetek tapasztalatai alapján módosított mozdony 1928-ban kiváló eredményeket ért el, amelyek alapján a MÁV vezetése és a kereskedelmi miniszter úgy határozott, hogy a Budapest-Hegyeshalom vonalat Kandó-féle fázisváltós rendszerrel villamosítja. A beruházásnak szerves része volt a Tatabányán (Bánhidán) épített hőerőmű és távvezetéke, amely nemcsak a vasútnak, hanem a Budapesti Elektromos Műveknek és a fővárosi villamosoknak is szállított villamosenergiát. Tervezője Kandó munkatársa, Verebél˙ László műegyetemi professzor volt. Kandó sajnos nem érhette meg nagy műve elkészülését, 1931-ben meghalt. A munkát Bláthy fejezte be, a forgalom 1932-ben indult meg.
Fázisváltós Kandó mozdony
Bár a Kandó-mozdonyok kitűnően beváltak, alkalmazásuk Magyarország határain belül maradt. Akkorra külföldön már sok vasútvonalat villamosítottak egyenárammal vagy 16 2/3 Hz-es váltakozóárammal Mivel már megtörtént a költséges beruházás, ragaszkodtak a meglévő rendszerhez. Úgy látszott, hogy az 50 Hz-es hálózati áram vasúti alkalmazása magyar különlegesség marad. Az 1960-as években azonban döntő fordulat következett be az erősáramú elektrotechnikában. Kifejlesztették a teljesítmény-félvezetőket, a többszáz vagy akár többezer amper egyenirányítására és szabályozására alkalmas diódákat és tirisztorokat. Eleinte egyenirányításra használták, a mozdony váltakozóáramot kapott, kerekeit pedig a vontatásra jól bevált egyenáramú motorok hajtották. Ilyenek a MÁV V43 és V63 sorozatú mozdonyai. A félvezetőtechnika fejlődésével lehetővé vált, hogy ne csupán egyenáramot, hanem többfázisú, változtatható frekvenciájú váltakozóáramot is elő lehessen állítani a mozdonyban. Ez nem más, mint a forgógépes fázisváltó modern, elektronikus változata, amely szintén lehetővé teszi a megbízható, kefe nélküli aszinkron motorok alkalmazását. Visszatér Kandó elgondolása, bár csak kevesen tudják, hogy ő már 70 évvel ezelőtt ilyen mozdonyokat épített. Mi, magyarok ne feledkezzünk meg róla!