.
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.
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.
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.  15. ábra 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. 
16. ábra
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!
A villamosítás a villanyvilágítással
kezdődött, majd a legnagyobb fogyasztó az ipar és a közlekedés lett. Ez azonban nem
csökkenti a világítási hálózat jelentőségét, a városok és falvak
villamosításának hatását a kultúra terjesztésére. Eleinte a villanyvilágítás
nagyon költséges volt, a gazdagok kiváltsága. A magyar szakembereknek is fontos
szerepe volt abban, hogy rövidesen széles körben elterjedhetett. Edison izzólámpája
jól világított, de nagyon rossz volt a hatásfoka, rengeteg áramot fogyasztott. Az
izzólámpa fénykibocsátása az izzószál hőmérsékletétől függ, a hőmérséklet
növelésével a hatásfok rohamosan javul. Ha a szénszálas izzóra nagyobb
feszültséget kapcsolunk, vakító fehér fényt bocsát ki, de rövid idői alatt kiég.
Más izzószálat kellett keresni. A kutatók figyelme a magas olvadáspontú fémek felé
fordult. Ezek előállítása azonban nagyon nehéz. Előbb ozmiummal és tantállal
próbálkoztak, de a legjobbnak a volfram bizonyult (olvadáspontja 3400 oC).
Az első használható volfram
izzólámpát Budapesten az Egyesült Izzó laboratóriumában készítette a magyar Just
Sándor és horvát munkatársa, Franjo Hanaman 1905-ben. A sorozatgyártás 1909-ben
kezdődött. A volframizzó áramfogyasztása csupán 1/4-e volt a szénszálas Edison
lámpáénak. Ezzel a villanyvilágítás versenyképessé vált a gázlámpával szemben.
Az Egyesült Izzó világhírű gyár lett, hírnevét nem kis részben volfram izzóinak
köszönhette. Márkaneve is a volframból ered: a volfram angolul tungsten, németül
Wolfram, a kettő összevonásából lett a Tungsram elnevezés. A gyár létrehozta
Magyarország legkorszerűbb ipari kutatóintézetét, amelynek vezetője az 1930-as
években Bay Zoltán (1900-1992), a Műegyetem atomfizika professzora volt. Itt
fejlesztette ki Bródy Imre (1891-1944) a kriptongázzal töltött izzólámpát, amelynek
fénye még fehérebb, hatásfoka még jobb, mint a közönséges volfram lámpáé.
1943-ban már fénycsővet is gyártottak,
majd az 1950-es évektől közvilágítási célra higanygőz- és aranysárga fényű
nátriumlámpákat is. A szénrudas ívlámpák korszerű utódja a nap fényével azonos
színösszetételű xenon-ívlámpa. Ma már a volfram izzólámpa egyre inkább
háttérbe szorul, helyét átveszi a kellemes fényű kompakt fénycső. A kompakt
fénycső fogyasztása az Edison izzóénak csupán 1/20-ad része! Ne felejtsük el, hogy
aki takarékoskodik az árammal, nem csak a pénztárcáját kíméli. Az áram
előállítása - az erőmű fajtájától függően - kisebb-nagyobb mértékben, de
szennyezi, rombolja a természetet. Aki az energiával takarékoskodik, védi természetes
környezetünket.
Folytatás |
lap elejére
