A | B | C | D | E | F | G | H | CH | I | J | K | L | M | N | O | P | Q | R | S | T | U | V | W | X | Y | Z | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9
Elsősorban Kandó Kálmán fejlesztői munkássága, számos szabadalma eredményeképpen 1932-ben valósággá vált a hegyeshalmi vonalon Budapest - Komárom között a 16000 V-os 50 Hz-es felsővezetéki táplálású üzemszerű villamos vontatás beindítása és később a szilícium-egyenirányítós mozdonyok alkalmazása.
Előzmények
1957-hez köthető a szilícium egyenirányítós villamosmozdonynak a megszületése, amelynek révén az ipari frekvenciájú vontatási rendszer előnyei nyilvánvalók, kiaknázhatók, és vitathatatlanok lettek.
Amikor 1932. szeptember 12-én Keleti pályaudvar és Komárom között a MÁV felvette a villamos vontatási üzemet, valószínűleg a magyar szakemberek sem gondolták, hogy a Kandó Kálmán felismerésére, az általa megfogalmazott vitathatatlan műszaki-gazdasági előnyökre alapozottan (később Hegyeshalomig) villamosított vonal több mint másfél évtizedig a világ egyetlen üzemszerűen működő 50 Hz-es villamos vontatású vonala lesz. Ennek oka pedig az volt, hogy – eltérően az egyenáramú és a csökkentett frekvenciájú rendszertől – az 50 Hz-es rendszer nem rendelkezett kikristályosodott megoldású mozdonnyal. Kandó egyik zseniális műve, fázisváltós, aszinkronmotoros mozdonya – amely lehetővé tette az 50 Hz-es vontatás megszületését és üzemszerű működését. Ez a XX. század 20-as, talán még 30-as éveinek elején is az elektrotechnika egyik csúcsteljesítménye volt - rudazatos hajtásával, futókerékpárjaival. A négy gazdaságos sebességfokozatával a 30-as évek második felében már elavultnak számított, és nem volt versenyképes a másik két rendszer kiforrott - bár korántsem egyértelműen kedvező műszaki jellemzőkkel rendelkező – mozdonyaival.
A Ganz Villamossági Gyárban két ütemben, a 30-as, majd a 40-es évek végén komoly fejlesztőmunka folyt az 50 Hz-es aszinkronmotoros mozdony fejlesztése érdekében, melynek végső eredménye a MÁV V55 sorozatú, egyes hajtású fázis-frekvenciaátalakítós mozdonya lett.
A fejlesztés Ratkovszky Ferenc, majd Mándi Andor és Sztrókay Pál nevéhez köthető. Az aszinkronmotoros mozdonyok a másik két vontatási rendszer által használt soros karakterisztikájú motorokkal vontató mozdonyaihoz képest vontatási tulajdonságaikat tekintve hátrányosak, továbbá azoknál lényegesen bonyolultabbak voltak, és ez, a táplálási rendszer előnyei ellenére is, gátjává vált az 50 Hz-es rendszer széles körű elterjedésének.
Az 50 Hz-es vontatás történetének új fejezete akkor kezdődött, amikor francia villamos vontatási szakemberek szakítva a korszerűtlen egyenáramú vontatás koncepciójával – talán indíttatva a háború után átmenetileg Franciaországhoz került höllenthali pályán lefolytatott korábbi 50 Hz-es kísérlettől, talán a hagyományos francia-német vetélkedéstől inspirálva, 1947 táján elkezdtek érdeklődni az 50 Hz-es vontatás iránt. Azért, hogy az SNCF tervezett nagyszabású villamosításához megalapozott elméleti ismeretek és gyakorlati tapasztalatok birtokában legyenek, kísérletsorozatba kezdtek, amelynek a nagy jelentősége abban állt, hogy előítéletek nélkül kipróbálták az 50 Hz-es rendszer mind a négy típusú (fázis-frekvenciaátalakítós indukciós motorú, egyfázisú kommutátoros motorú, Ward Leonard-rendszerű, higanygőz-egyenirányítós) mozdonyát, illetve Annecy-ben 1951 októberében, Lille-ben pedig 1955 májusában műszaki konferencián elemezték a felmerült kérdéseket, vonták le a következtetéseket. A francia kísérletek fontos negatív irányú megállapítása volt, hogy az indukciós motorú villamos mozdony forgógépes átalakítókkal nem fejleszthető a vasutak által az 50-es évek korszerű villamos mozdonyával szemben felállított vontatási paraméterek szintjére.
Két vonatkozásban látszott hátrányosnak az indukciós motor (többfázisú aszinkronmotor) mint vasúti vontatómotor:
- A vasúti vontatás szempontjából kedvezőtlen fordulatszám-nyomaték jelleggörbéje a vonóerő (az 50-es évek gyorsan növekvő vonatterhelései miatt elsőrendű követelménnyé előlépő indító vonóerő) vonatkozásában tette versenyképtelenné a soros karakterisztikájú motorral szemben,
- A fordulatszám szabályozás nehézkessége kötött sebességfokozatok alkalmazásában, veszteséges indításban, ezek kiküszöbölése esetén pedig fokozott szerkezeti bonyolultságban, kedvezőtlen fajlagos tömegben jelentkezett.
A kedvezőtlen fordulatszám-nyomaték jelleggörbéje illusztrálására alkalmas volt a MÁV kísérletsorozata, melynek során a 62 tonna „tapadó súlyú” és a kerékkarimán 450 LE teljesítményű MÁV M44 mozdonnyal 8 ezrelékes emelkedésben 1570 tonnás vonat probléma nélkül megindítható volt, míg ugyanezen a pályarészen a 3200 LE-s 92 tonna, „tapadó súlyú” V55 sor. mozdonnyal 1300 tonnánál nagyobb vonatterhelést egyszer sem sikerült megindítani.
Másrészt a vasutak a kötött sebességfokozatokkal szemben ragaszkodtak a gőzvontatásnál megszokott és bevált tetszés szerinti sebességet lehetővé tevő műszaki megoldásokhoz, még azon az áron is, hogy a sebesség nagyobb vonatterhelés esetén emelkedésekben átmenetileg csökken.
A francia kísérletek pozitív tartalmú, a jövőre vonatkozó helyesnek bizonyuló megállapítása az volt, hogy az 50 Hz-es felsővezetékről soros gerjesztésű, egyenáramú vontatómotort kell táplálni, azaz az egyenirányítós mozdonyoké a jövő. Az egyenirányítós mozdony akkor higanygőz-egyenirányítós mozdonyt jelentett, mert a Ward-Leonard rendszerű mozdony, „forgógépes-egyenirányítójának” nagy tömege miatt kedvezőtlenül kis fajlagos teljesítményű, és így nagy teljesítményű mozdony e típusban nem építhető. A higanygőz-egyenirányító nagy „érdeme” az ipari periódusú felsővezeték és a technika akkori állása szerint a legkedvezőbb fordulatszám-nyomaték görbével rendelkező soros gerjesztésű egyenáramú – illetve az ahhoz nagyon közel álló hullámos áramú motor – összekapcsolásának, és ezzel a váltakozó- és az egyenáramú motoros mozdonyok előnyeit egyesítő nagy teljesítményű 50 Hz-es villamos mozdonynak a megteremthetősége volt.
Bár a higanygőz-egyenirányítós mozdony lehetővé tette az 50 Hz-es vontatási rendszer továbbfejlődését, és e mozdonytípusra alapozva indult meg a francia és a szovjet vasút nagyarányú villamosítása, volt néhány, a vasútüzemben súlyosnak mondható hátránya.
Minthogy jó hatásfokú, üzembiztos higanygőz-egyenirányítót csak viszonylag nagy feszültségre lehet gazdaságosan készíteni, a mozdonyok motorjait is nagy feszültségre kellett tervezni, ami kedvezőtlenül befolyásolta a motor szerkezeti kialakítását, hűtését, ezen keresztül a fajlagos mutatóit, és a beépíthető tengelyenkénti teljesítményt. Ezen kívül a kényes higanygőz-egyenirányítókhoz szükséges fűtő-hűtő berendezés, a visszagyújtás üzembiztonságra nézve veszélyes jelensége, új megoldás keresésére ösztönözték a szakembereket.
Félvezető-áramirányító az 50 Hz-es mozdonyon
A félvezető egyenirányító berendezés is – amely az atomfizika gyakorlati eredményének tekinthető - 50 Hz-es mozdonyon jelent meg. Ez természetes, hiszen az 50 Hz-es rendszer kereste a „mozdonyát”. Az angol vasutak 1500 V-os egyenárammal villamosított London körüli hálózatának egyik szakaszán éjszakánként 6,6 KV-os 50 Hz-es váltakozó áramú táplálással (nagyobb feszültség a szigetelésre tekintettel nem volt alkalmazható) kísérletek folytak germánium-egyenirányítós vontatójárművekkel.[1] A DB-nél egy tolatómozdonyban, 1957-ben a higanygőz-egyenirányítót szilícium-egyenirányítóra cserélték, az ASEA svéd mozdonygyár pedig szintén szilícium-egyenirányítós kísérleti mozdonyt épített.[2] Az SNCF pedig két germánium- és két szilícium-egyenirányítós motorkocsit rendelt.
A germánium-egyenirányító nem tudta a higanygőz-egyenirányító terjedését megállítani, így az 50-es évek végéig a higanygőz-egyenirányítós mozdonyok uralták a piacot. 1958 után azonban megjelentek a sorozatgyártású szilícium-egyenirányítós villamos mozdonyok, és ezzel megszületett az 50 Hz-es vontatási rendszer vezető mozdonytípusa. Ez akkoriban a másik két vontatási rendszer mozdonyainál jobb, és a továbbfejlesztés lehetőségét amazokénál jobban magában hordozó, tehát valóban korszerű villamos mozdony lett.
A szilícium-egyenirányító révén, amely közel ideális közvetítő tagnak bizonyult az 50 Hz-es 25 kV-os felsővezeték és a soros karakterisztikájú hullámos áramú vontatómotor között, e mozdonytípus hozta meg az egyfázisú 50 Hz-es villamos vontatási rendszer régóta várt, átütő győzelmét. E vontatási rendszer fölényének prezentálásában az SNCF szerepe volt a meghatározó. Mindez persze nem maradt hatás nélkül Magyarországon sem, egészen új irányt adva a magyar villamos mozdonygyártásnak, és a MÁV villamos mozdony beszerzési elképzeléseinek.
Míg a forgó átalakító gépcsoport fajlagos tömege kb. 12 kg/kW, a higanygőz-egyenirányítóé kb. 1 kg/kW, a szilícium-egyenirányítónál szellőző berendezéssel együtt ez az érték kb. 0,1 kg/kW.
A félvezetős áramirányító berendezések előnyei a higanygőz-egyenirányítóval összehasonlítva:
- érzéketlenek az előforduló környezeti hőmérsékletekkel szemben,
- kicsi a hűtőteljesítmény szükségletük,
- azonnali üzemkészséget biztosítanak,
- nincsenek kopásnak, elhasználódásnak kitett alkatrészeik,
- könnyen adaptálhatok az optimális motoradatokhoz,
- a visszagyújtás lehetőségének a hiánya.
Ez utóbbi körülmény – a főtranszformátor rövidzárási feszültségének viszonylag kis értékre választhatóságának útján - lehetőséget teremt a mozdony teljesítménytényezőjének javítására, és egyúttal a mozdony hatásfokának jelentős növelésére. S, hogy miért a szilícium és miért nem a germánium alapú félvezetők nyertek alkalmazást a vasúti villamos vontatójárművekben? Kisebb a germánium záró feszültsége. Továbbá a szilícium p-n rétegében 140 °C, a germániuméban 60 °C engedhető meg. Germánium-egyenirányítós mozdonynál könnyen előfordulhatott, hogy egy erősebb igénybevétel utáni hosszabb, napon tartózkodást követő, az egyenirányító-szekrények átszellőztetése nélküli nagyterheléssel történő indításkor, az egyenirányító tönkrement. A szilícium nagyobb ionizációs feszültsége és nagyobb fajlagos ellenállása miatt (ez utóbbi következtében a szilíciumdióda a germániummal ellentétben, vezetőirányban melegszik, és záró irányban hűl) nagyobb a terhelhetősége.
A teljesítmény félvezető-technika alkalmazása lehetővé tette a tengelyenkénti teljesítmény lényeges növelését, nagymértékben növekedett a tapadás-kihasználás lehetősége, tágult a vontatómotorok szabályozási tartománya. Közben persze a relés szabályozásokat, vezérléseket a diszkrét elemekből álló áramkörök váltották fel E tényezők együttesen kiváló vontatási tulajdonságú szilíciumdióda egyenirányítós fokozatkapcsolós villamos mozdonyok létrehozását tették lehetővé hullámos áramú motorokkal. A további gyors fejlődés elvezetett a vezérelt egyenirányítókat felhasználó, integrált áramkörös szabályozású-vezérlésű (központi elektronika) 140–160 km/h sebességű tirisztoros mozdonyokig.
Érdemes megjegyezni, hogy a német rendszerű 16 2/3 Hz-es, „csökkentett frekvenciájú vontatási rendszer” is átvette az eredetileg az 50 Hz-es rendszerhez kifejlesztett egyenirányítós megoldást diódás és tirisztoros mozdony formájában. Továbbá a félvezető áramirányítók alkalmazása révén vált lehetővé korszerű, többáramrendszerű villamos mozdonyok megépítése, amelynek jelentőségét a mai Európában nem lehet eléggé hangsúlyozni. A félvezetőtechnika adott nagy lökést a modern villamos motorvonatok kifejlesztésének is. Végül a 70-es, 80-as évek fordulójára a változtatható frekvenciájú háromfázisú inverter lehetővé tette a rövidre zárt forgórészű aszinkronmotor vontatómotorkénti alkalmazását mikroprocesszoros irányítástechnikával, amely minden eddiginél jobb vontatási tulajdonságokkal, visszatápláló fékezéssel rendelkező villamos mozdony megszületését jelentette. Ma tehát a nagyvasúti villamos vontatás legkorszerűbb megoldása nemzetközileg is elfogadottan, az ipari frekvenciájú felsővezeték alatti indukciósmotoros vontatás.
Jegyzetek
Irodalom
- Tóth Kálmán: A magyar vasút problémái a jövendő vasútvillamosítások során - Elektrotechnika 1958/1-2 sz.
- Dr. Jékelfalussy Gábor: A korszerű villamos mozdony Műszaki Könyvkiadó Bp. 1965.
- Ambrózy József: A szilícium egyenirányító jelentősége a vasúti vontatásban. - Elektrotechnika 1967/3
- Téby Lajos: A félvezető-technika átalakító szerepe a villamos járművek tervezésében - Ganz Villamossági Közlemények 17. sz.
Források
- Kadosa András szakíró: Ötvenéves a szilícium-egyenirányítós villamos mozdony (magyar nyelven) (html), 2008. 1. (Hozzáférés: 2009. február 19.)
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.
Analóg multiméterek túlterhelés elleni védelme
Egyenáram
Egyenáram mérése
Egyenirányítós lengőtekercses műszer
Elektromágnes (fizika)
Elektromos feszültség
Elektromos térerősség
Fáziseltolódás
Fázismutató
Fajlagos ellenállás
Feszültséggenerátor
Feszültségváltó
Forgó mágneses tér
Háromfázisú hálózat
Hőelektromosság
Hatásos ellenállás
A lap szövege Creative Commons Nevezd meg! – Így add tovább! 3.0 licenc alatt van; egyes esetekben más módon is felhasználható. Részletekért lásd a felhasználási feltételeket.