Fázisváltó
A nagyfeszültségű háromfázisú váltakozóáramú vontatás sikerének kulcsa a Kandó Kálmán által megálmodott, és megvalósított fázisváltó volt.
A sorozatgyártás előtt készített prototípus a Józsefvárosban az Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Karának épületében van kiállítva.[1]
A fázisváltós vontatást Kandó a Ganz Villamossági Rt.-nél dolgozta ki, melynek telephelye ma Millenáris néven ismert.
Tartalomjegyzék |
Szükségessége [szerkesztés]
Európa első villamosított fővonalán az olasz Valtellina vonalon, amelyet a Ganz készített a vasúti vontatás igényeit figyelembe véve három fázisú 16 2/3 Hz-s táplálást alkalmaztak. A megoldás több problémát vetett fel:
- A vontatáshoz használt frekvencia eltért az országos villamos hálózat 50 Hz frekvenciájától, ezért vagy áramátalakító állomásokat, vagy külön távvezetékrendszert kellett építeni a vasúti igények kielégítéséhez.
- A három fázisú tápláláshoz szükséges két felsővezeték kiépítése és üzemeltetése drága.
Alternatív megoldásként több országban az egyenáramú vontatást vezették be. Ebben az esetben, ugyan elegendő volt egy felsővezeték, azonban a gazdaságos üzemeltetéshez annak a keresztmetszete viszonylag nagyra adódott, illetve sűrűn kellett áramátalakító állomásokat létesíteni, mivel a motorok kommutátorai miatt a feszültséget nem választhatták tetszőlegesen nagyra.
Kandó Kálmán és Verebélÿ László ismerte fel, hogy a vasúti villamos vontatást az ország egységes energiarendszerén belül kell megvalósítani. Az 50 Hz-es egyfázisú váltakozó feszültséget a mozdonyban háromfázisúvá alakítva táplálják a vontatómotorokat. Így a vasút külön villamos rendszert nem igényel, mindössze egyetlen munkavezetéket kell létesíteni.
Működése [szerkesztés]
A nagyméretű pólusváltós motor szükségessé tette a csatlórudak alkalmazását.
1915 és 1920 között Kandó Kálmán megalkotta a fázisváltós vontatási rendszert, ahol a táplálás az egységes 50 Hz frekvenciájú országos elektromos hálózatról történik. A használt viszonylag magas feszültség eredményeképpen vékony felsővezetékeken, és egymástól viszonylag nagy távolságokra telepített transzformátorállomásokon keresztül táplálhatóak meg a mozdonyok.
A mozdonyok tömege azonos teljesítmény mellett az egyenáramú táplálású mozdonyoknál jelentősen kisebbek, míg a 16 2/3 Hz táplálású mozdonyoknál alig nehezebbek.
A fázisváltó a felsővezetékből nyert egyfázisú táplálást alakítja át háromfázisú, vasúti vontatáshoz megfelelő frekvenciájú feszültséggé.
A rendszer féküzemben (regeneratív féküzem) lehetővé teszi az energia visszatáplálását az országos hálózatba.
Az első ilyen kísérleti mozdonyt 1923-ban helyezték üzembe.
Ennél a különleges berendezésnél Kandó egyfázisú transzformátort, egyfázisú szinkronmotort és többfázisú szinkron generátort egyesített egy több mint háromezer alkatrészt egyesítő villamos gépben. A működését a következő modell írja le: munkavezeték magasfeszültségű áramát átalakítva szinkron motort hajt. A szinkron motor háromfázisú generátort forgat, biztosítva a háromfázisú, kisfeszültségű áramot a hajtómotorok számára. A sebesség szabályozása külön aszinkron frekvencia-átalakító gépcsoporttal, vagy pólusváltós motorokkal történik. A forgóáramú vontatómotor csak egy - a fázissorrend által meghatározott - irányba indulhat el, valamint megfelelő segédberendezések alkalmazása esetén (vízindító) nagy az indítónyomatéka (az egyfázisú aszinkron vagy szinkron gép vontatásra alkalmatlan, mivel az állórészben nem alakul ki forgó mágneses mező). A vontatómotor átkapcsolható, 72, 36, 24, vagy 18 pólusú tekercseléssel rendelkezik, ezzel valósul meg a sebességváltás.
A Kandóféle fázisváltó lényege, hogy közös álló és forgórésszel valósította meg az egyfázisú szinkronmotort és a háromfázisú szinkrongenerátort, olymódon, hogy az állórészben mélyebb hornyokban az egyfázisú szinkronmotor, kevésbé mély hornyokban a generátor tekercselése kapott helyet.
A fázisváltó a maga korában a világ egyik legbonyolultabb villamos gépe volt.
Közös álló és forgórésszel szerkesztettek egy:
- Egyfázisú szinkronmotort
- Háromfázisú generátort
- A generátor állórészébe integráltak egy Scott-tranzformátort a segédüzemi feszültségek, illetve a fűtés biztosítására.
valamint a fázisváltóval közös tengelyre szereltek:
- Segédfázisos egyfázisú indítómotort (A szinkronmotor indításához és szinkronizálásához)
- Gerjesztőgép (A fázisváltó forgórészének gerjesztéséhez)
Az állórészt olajjal hűtötték, a forgórészt vízzel, amely a hűtésen kívül a szennyeződések, illetve a mostoha időjárási viszonyok elleni védelmet is szolgálta.
A vontatómotor [szerkesztés]
A vontatómotor tekercselt forgórészű csúszógyűrűs (indukciós) aszinkron motor. A lágy indítás feltételeit a forgórész csúszógyűihez csatlakoztatott, folyadék ellenállás teszi lehetővé. Ugyanezt az eszközt használják sebeségváltásnál; a mechanikus és az áramlökés csillapítása érdekében. Gyorsítás ás lassítás közben egy automatika biztosította, a vízellenállás szabályozásával, hogy a művelet egyenletes teljesítményfelvétel mellett történjék, ezzel csökkentették a mozdony mechanikai részét, illetve az országos villamoshálózatot terhelő tranziens jelenségeket. Egy másik automatika pedig a fázisváltó gerjesztését szabályozta, hogy a motorok minden üzemállapotban optimális feszültséggel legyenek megtáplálva.
A Kandó féle fázisváltós rendszernek köszönhetően a világon Magyarország az egyetlen, ahol a vasúti vontatásban a kezdetektől az 50 Hz-es rendszert használják[2]
Továbbfejlesztése [szerkesztés]
A V44 mozdonyban alkalmazott nagy méretű pólusváltós hajtómotorok nem tették lehetővé a csatlórudak elhagyását és a tengelyek közvetlen meghajtását. A megoldás a pólusváltós hajtómotorok helyett kisebb, nem pólusváltós gépek használata. Ez a megoldás lehetővé tette a korszerűbb forgóvázas kialakítást is (V44 és V55 Kandó-Ratkovszky rendszerű mozdonyok). A frekvencia átkapcsolását pedig egy a fázisváltóval egybeépített frekvenciaváltóval oldották meg. Ez a fejlesztés ugyan a mozdony tömegét valamelyest növelte, illetve a hatásfokát kismértékben rontotta, azonban az előnyei (kialakítható a forgóvázas kivitel, a végsebesség növelhető) ezt kompenzálták. A V44 kísérleti sorozatban a frekvencia átalakító még külön gépcsoportként volt kivitelezve, a V55 sorozatban már a fázisváltóval egybeépítették, ami kisebb tömeget eredményezett, a gépcsoport tömege 23 tonna lett.[3]
2012-ben árusítanak különböző teljesítményű forgó fázisváltókat, amelyek a háztartási egyfázisú hálózati feszültséget alakítja át 3 fázisúvá [4]
Nyugvó fázisváltók [szerkesztés]
A forgó villamos gépek több hátránnyal rendelkeznek a nyugvó gépekkel szemben. Ezek közül a lényegesebbek:
- Magasabb ár
- Magasabb tömeg
- Rosszabb hatásfok
- Nagyobb helyszükséglet
- Magasabb karbantartási igény
- Alacsonyabb MTBF (Kisebb megbízhatóság)
- A forgásból adódó zajosabb üzem
A nyugvó fázisváltók ezeket a hátrányokat kiküszöbölik.
A nyugvó fázisváltó alapja egy scott–transzformátor, amelynek a primer oldali tekercselései egyfázisú hálózatról kondenzátor, illetve induktivitáson keresztül vannak megtáplálva, a szekunder tekercselése szolgáltatja a három fázisú táplálást a motoroknak.[5]
Az 1960-as években azonban döntő fordulat következett be az erősáramú elektrotechnikában. Kifejlesztették a teljesítmény-félvezetőket, diódákat és tirisztorokat. Eleinte egyenirányításra használták, a mozdony váltakozóáramot kapott, kerekeit pedig a vontatásra jól bevált egyenáramú motorok hajtották. A félvezetőtechnika fejlődésével lehetővé vált, hogy ne csupán egyenáramot, hanem többfázisú, változtatható frekvenciájú váltakozóáramot is elő lehessen állítani ezek segítségével. Ez nem más, mint a forgógépes fázisváltó modern, elektronikus változata, amely szintén lehetővé teszi a megbízható, kefe nélküli aszinkron motorok alkalmazását, azonban annál hatásfoka magasabb, működése csendesebb, tömege alacsonyabb.
A forgógépes vasúti fázisváltó hungarikum maradt mivel ugyan a Francia vasút az 1950-es években tett vele egy kísérletet, azonban nem találták megfelelően gazdaságosnak, és a szinkron motorral hajtott Ward-Leonard rendszert vezették be, amely szintén az egységes országos elektromos hálózatot használta.
Az elektronikus vezérlésű mozdonyok azonban Kandó elgondolásának helyességét bizonyítják.
Periódusváltó [szerkesztés]
A V44 és V55 mozdonyokban a fázisváltóhoz periódusváltót is kapcsoltak. Ez lehetővé tette a forgóvázas mozdonyszerkezet kialakítását, mivel a nagyméretű pólusváltós motorok helyett kisebb motorok használatát tette lehetővé, amelyekkel a tengelyeket közvetlenül a csatlórudak elhagyásával lehetett hajtani.
Ez a megoldás azonban a hatásfokot rontotta, mivel a V40 sorozatban az energia útja:
felsővezeték->fázisváltó->hajtómotor
A periódusváltós mozdonyokban:
felsővezeték->fázisváltó->periódusváltó->hajtómotor
A V44 mozdonyokban [szerkesztés]
A periódusváltó egy külön gépcsoport volt, amely egy pólusátkapcsolós csúszógyűrűs aszinkron motorból állt, amelyet (a hozzá tartozó vízindítóval együtt) úgy méreteztek, hogy tartósan tudjon nagy szlippel üzemelni, és egy vele közös tengelyre szerelt csúszógyűrűs aszinkron géppel, amelynek alacsony sebességnél (alacsony motor fordulatszámnál) a forgórészét táplálták meg a fázisváltóról jövő feszültséggel, és az állórészére kapcsolták a hajtómotorokat, nagy sebességnél az állórésze kapja a megtáplálást és a forgórészről táplálták a hajtómotorokat.[6]
A V55 mozdonyokban [szerkesztés]
A tömeg csökkentése és a szerkezet egyszerűsítésének érdekében a V55 mozdonyokban a periódusváltót közös tengelyre építették a fázisváltóval. Mivel így a gép fordulatszáma fix lett (egy szinkronmotor határozta meg) a frekvenciák között a mező forgásirányának, illetve a póluspárok számának árkapcsolásával lehetett váltani.[7]
Forrás [szerkesztés]
- Sitkei Gyula: A magyar elektrotechnika nagy alakjai. (Energetikai Kiadó Kht. 2005)
- Az egyfázisú, 50 periódusú, fázisváltós vontatási rendszer újabb fejlődése (magyar nyelven)
- ↑ Kandó fázisváltója Józsefvárosban (magyar nyelven)
- ↑ Villamosvasutak (magyar nyelven)
- ↑ V55 sorozat (magyar nyelven)
- ↑ Rotary phase converter (Forgó fázisváltó) (angol nyelven)
- ↑ Magyar Királyi Szabadalmi Bíróság 103320 számú szabadalom: Nyugvó fázisváltó, egyfázisú váltóáramnak többfázisúvá, vagy megfordítva való átalakítására
- ↑ A V44 jelű Ganz-Kandó-Ratkovszky rendszerű villamos mozdony leírása (magyar nyelven)
- ↑ Hum Krisztina: A BoCo mozdony (magyar nyelven)
Lásd még [szerkesztés]
- Kandó Kálmán
- MÁV V40 sorozat
- MÁV V44 sorozat
- MÁV V55 sorozat
- Villamos vontatás
- Villamos gép
- Szinkron gép
- Aszinkron gép
