Кальман Кандо де Эгерфармос и Штрегова ( egerfarmosi és sztregovai Kandó Kálmán ; 10 июля 1869 — 13 января 1931) — венгерский инженер , изобретатель фазового преобразователя и пионер в разработке электрической железнодорожной тяги переменного тока. [1] [2] [3] [4]
Кальман Кандо родился 8 июля 1869 года в Пеште в старинной венгерской дворянской семье. [5] Его отцом был Геза Кандо (1840-1906), а матерью — Ирма Гулачи (1845-1933). Он начал обучение в гимназии в Будапештской лютеранской средней школе на улице Сютё. Родители перевели его из переполненной школы в меньшую школу, практическую гимназию, основанную Мором Карманом. Он был зачислен в Будапештский технический университет . В 1892 году он получил диплом инженера-механика. Он закончил обучение с отличной квалификацией. Кандо служил добровольцем в австро-венгерском флоте до 1893 года. Он женился на Илоне Марии Петронелле Пош (1880-1913) в Терезвароше 2 февраля 1899 года. [6] Их первый ребенок, также названный Кальманом, родился зимой 1899 года, а их дочь Илона Сара родилась в 1901 году. 9 июля 1913 года его жена умерла от почечной недостаточности в Рожньо . Его сын Кальман стал военным офицером. 18 октября 1922 года его сын Кальман покончил жизнь самоубийством с помощью табельного пистолета (при невыясненных обстоятельствах) в военной казарме. Его дочь Илона Мария вышла замуж 7 июля 1923 года, а его внук, Джордж (также инженер), родился 5 июня 1924 года.
После службы в армии он отправился во Францию осенью 1893 года и работал в компании Fives-Lille в качестве младшего инженера, где он проектировал и разрабатывал первые асинхронные двигатели для локомотивов. Для производства асинхронных двигателей он разработал совершенно новую процедуру проектирования и расчета, которая позволила производить экономичные тяговые двигатели переменного тока для компании Fives Lille. Кандо спроектировал более подходящие трехфазные асинхронные электродвигатели вместо менее эффективных синхронных электродвигателей более ранних конструкций локомотивов. В течение года Кандо был назначен главным инженером по разработке электродвигателей во французской фирме. [7] Андраш Мехварт (в то время управляющий директор Ganz and Co.) попросил его вернуться в Венгрию в 1894 году и пригласил его работать в электротехнический отдел завода Ganz.
В 1894 году Кальман Кандо разработал высоковольтные трехфазные двигатели переменного тока и генераторы для электровозов ; он известен как отец электропоезда . Его работа по электрификации железных дорог была выполнена на электромонтажных работах Ганца в Будапеште . Ранние разработки Кандо 1894 года были впервые применены в коротком трехфазном трамвае переменного тока в Эвиан-ле-Бен ( Франция ), который был построен между 1896 и 1898 годами. Он приводился в движение асинхронной тяговой системой мощностью 37 л. с. [8] [9] [10] [11] [12]
В 1907 году он переехал со своей семьей в Вадо-Лигуре в Италии и устроился на работу в Società Italiana Westinghouse . [13] Позже он вернулся в Будапешт, чтобы работать на фабрике Ganz , где стал управляющим директором.
В 1897 году Кандо спроектировал электрическую систему и двигатели для итальянских железных дорог, электрическая тяговая система имела большие преимущества и значение на очень крутых железнодорожных путях в горных районах Италии. Под его руководством фабрика Ганца начала работу над трехфазной тягой для железных дорог. На основе их проекта итальянская Ferrovia della Valtellina была электрифицирована в 1902 году и стала первой в Европе электрифицированной магистральной железной дорогой.
Для линии Вальтеллина трехфазное питание подавалось на 3000 вольт (позже увеличено до 3600 вольт) по двум воздушным линиям, в то время как ходовые рельсы снабжали третью фазу. На перекрестках две воздушные линии должны были пересекаться, и это не позволяло использовать очень высокие напряжения.
Трехфазная двухпроводная система использовалась на нескольких железных дорогах Северной Италии и стала известна как «итальянская система». Сейчас мало железных дорог используют эту систему.
В 1907 году итальянское правительство приняло решение об электрификации еще одной железнодорожной линии протяженностью 2000 км с ограничением, что электрооборудование и подвижной состав могут быть произведены только в Италии. Компания Westinghouse Company выкупила патенты Кандо и заплатила лицензионный сбор за электродвигатели завода Ganz. Компания Westinghouse Company также построила завод по производству локомотивов в Вадо-Лигуре и назначила Кандо руководителем нового завода. Кандо принял приглашение и переехал в Вадо в Италии со своими несколькими венгерскими коллегами. Под его руководством в Италии были разработаны два типа локомотивов: электровозы cinquanta [ нужно разъяснение ] мощностью 1500 кВт и trenta [ нужно разъяснение ] мощностью 2100 кВт , всего было выпущено около 700 единиц. 540 из них все еще находились в эксплуатации в 1945 году, последняя трехфазная линия работала до 1976 года. В знак признания заслуг Кандо был награжден орденом Commendatore dell'Ordine della Corona d'Italia (Командор ордена Короны Италии), но в 1915 году ему пришлось бежать через Швейцарию, поскольку Италия вступила в Первую мировую войну на стороне Антанты и объявила войну Австро-Венгерской монархии.
На окружных и столичных железных дорогах использование паровозов привело к задымлению станций и вагонов, что было непопулярно среди пассажиров, и к началу двадцатого века электрификация рассматривалась как путь вперед. [14] Был объявлен тендер на электрическую систему, и крупнейшие европейские и американские компании подали заявки на победу в тендере. Однако, когда эксперты железных дорог сравнили проекты Ganz Works с предложениями других крупных европейских и американских конкурентов, они пришли к выводу, что технология Ganz Works была дешевле и надежнее, и описали ее технологию как «революцию в электрической железнодорожной тяге». [15] В 1901 году объединенный комитет метрополии и округа рекомендовал трехфазную систему переменного тока Ganz с воздушными проводами. Первоначально это было единогласно принято обеими сторонами, [16] пока округ не нашел инвестора, американца Чарльза Йеркса , для финансирования модернизации. Йеркс собрал 1 миллион фунтов стерлингов (1901 фунт стерлингов с поправкой на инфляцию составляет 137 миллионов фунтов стерлингов) и вскоре получил контроль над окружной железной дорогой. [17] Однако Йеркс отдавал предпочтение классической системе постоянного тока, аналогичной той, что использовалась на железной дороге City & South London Railway и Central London Railway. Metropolitan Railway протестовала против изменения плана, но после арбитража в Совете по торговле система постоянного тока была принята. [18]
Во время Первой мировой войны, между 1916 и 1917 годами, Кандо был лейтенантом, заканчивающим военную службу в Министерстве обороны в Вене. Он разработал революционную систему фазоизменяющейся электрической тяги, при которой локомотивы питались стандартным 50-периодным однофазным переменным током, используемым в национальной системе энергоснабжения. Он был первым, кто осознал, что система электропоездов может быть успешной только в том случае, если она может использовать электроэнергию из общественных сетей. В 1918 году [19] Кандо изобрел и разработал роторный фазовый преобразователь , позволяющий электровозам использовать трехфазные двигатели, при этом питание осуществлялось через один воздушный провод, несущий простую промышленную частоту (50 Гц) однофазного переменного тока высоковольтных национальных сетей. [20]
Чтобы избежать проблем, связанных с использованием двух воздушных проводов, Кандо разработал модифицированную систему для использования в Венгрии. Поскольку в 1930-х годах силовые полупроводники еще не были изобретены, системы локомотивов Кандо V40 опирались на электромеханику и электрохимию.
Однофазное питание подавалось при 16 000 вольт и 50 Гц по одной воздушной линии и преобразовывалось в трехфазное на локомотиве роторным фазовым преобразователем . [21] Приводные двигатели, изготовленные Metropolitan-Vickers , имели очень большой диаметр 3 метра и включали четыре набора по 24 магнитных полюса каждый, которые могли быть добавлены к тяговому усилию по желанию, обеспечивая высокоэффективные постоянные скорости 25, 50, 75 и 100 км/ч по рельсам (или 17/34/51/68 км/ч для варианта двигателя тяжелого грузового поезда V60, который имел шесть пар меньших ведущих колес).
Он создал электрическую машину, называемую синхронным фазовым преобразователем, которая представляла собой однофазный синхронный двигатель и трехфазный синхронный генератор с общим статором и ротором.
Он имел две независимые обмотки:
Компания MÁV решила электрифицировать 190-километровую магистраль Будапешт-Хедьешхалом с помощью новой «системы Кандо». Система питалась от трехфазной линии электропередачи 110 кВ от электростанции Банхида, которая была введена в эксплуатацию в 1930 году, через однофазную воздушную линию 16 кВ 50 Гц, преобразованную на четырех трансформаторных станциях. Из четырех участков линии два подключены к одной фазе, а два других нагружены на другую фазу. Это означает, что железная дорога, несмотря на однофазное питание, по-прежнему обеспечивает примерно симметричную нагрузку для электростанции. Трансформаторные подстанции были простыми, дешевыми и с превосходной эффективностью. Расстояние между подстанциями было больше, чем в любой другой системе (35-40 км). В экспериментальном порядке подстанция в Торбаде была отключена, а питание было взято на себя подстанцией в Банхида. Тем не менее, бесперебойное обслуживание могло поддерживаться на расстоянии 74 км от фидера. Линия, на которой была применена его система изменения фаз, была электрифицирована до Комарома и открыта для движения в 1932 году. [22]
Самой большой проблемой было создание локомотива, способного работать от 50-тактного источника питания. Первый прототип локомотива был построен в 1913 году и подвергся модификациям на основе опыта эксплуатации. Испытания проводились на опытной линии Будапешт-Алаг. Эти эксперименты привели к разработке фазосдвигающего локомотива серии V40, также известного как локомотив Кандо. Он имел выходную мощность 2500 лошадиных сил. Однофазный ток напряжением 16 кВ, взятый с воздушной линии, напрямую подавался на первичную обмотку фазосдвигающего устройства через пантограф и главный выключатель. Фазовращающее устройство было инновационным решением, опередившим свое время. Это была чрезвычайно сложная электрическая машина. Его первичная обмотка находилась в статоре. Эта обмотка вместе с ротором, возбуждаемым постоянным током, функционировала как однофазный синхронный двигатель. Ротор, расположенный в пазах сердечников статора, индуцировал 3, 4 или 6-фазное напряжение в соответствии с последовательностью переключения. Таким образом, вторичная обмотка образует с ротором многофазный генератор. Таким образом, фазовращатель объединяет однофазный синхронный двигатель и многофазный генератор в одной машине. Примечательна система водяного охлаждения, интегрированная в обмотки ротора. Единственный двигатель локомотива, многофазный асинхронный двигатель, получал напряжение около 1000 В от фазовращателя. Фазовращатель обеспечивал постоянный 50-периодный ток, поэтому изменение скорости и вращения достигалось переключением числа полюсов двигателя. Непрерывный переход между синхронными скоростями, возникающий в результате переключения полюсов, обеспечивался сопротивлением воды.
Главным преимуществом этой компоновки был коэффициент мощности около 1,00 в оборудовании, подключенном к контактной сети , что соответствовало строгим правилам распределения нагрузки электростанций. Неприемлемо низкий коэффициент мощности электродвигателей довоенной конструкции (иногда до 0,65) не ощущался за пределами локомотивов Кандо, поскольку машины фазового преобразователя обеспечивали изоляцию.
Промежуточные скорости поддерживались путем подключения к линии регулируемого резистора на основе воды и селитры , что снижало эффективность локомотива. Расписания электрифицированных линий должны были позволять использовать постоянную скорость с полной эффективностью большую часть времени, но на практике необходимость делить путь с поездами, тянущимися паровозами MÁV Class 424, означала, что часто приходилось использовать водоемкий и расточительный «редукторный резистор».
Тяговая сила передавалась на колеса локомотива с помощью традиционной системы толкателей, разработанной для обеспечения производства и обслуживания преимущественно паровых Венгерских железных дорог (MÁV) того времени. Так называемая схема треугольника Кандо [23] передавала мощность от электродвигателя к толкателям таким образом, что на шасси не оказывалось никаких косых сил, что делало V40 менее вредным для рельсового пути по сравнению с паровыми двигателями. На практике система толкателей V40 была слишком точной для обслуживания, основанного на привычках паровой эпохи, и требовала более частого ухода.
Более чем через десять лет после смерти Кандо компания Ganz построила два новых прототипа с приводом от вала, которые позволяли развивать скорость тяги 125 км/ч. Электровозы V44 [24] оказались слишком тяжелыми для общего использования из-за нагрузки на рельсы в 22 метрические тонны на ось. Оба транспортных средства в конечном итоге были уничтожены в результате бомбардировок ВВС США в 1944 году, пройдя в общей сложности всего 16 000 километров.
После Второй мировой войны последняя серия электровозов с фазовращателем была построена новым коммунистическим правительством Венгрии. Из-за ограничений Холодной войны инновационный тип V55 [25] , который использовал двигатели, установленные на тележке, должен был быть построен полностью из отечественных компонентов и страдал от проблем с надежностью в их системе двойного преобразования фазовращателя / преобразователя частоты. (Тяговые двигатели локомотивов V40 и V60 до Второй мировой войны были изготовлены в Великобритании компанией Metropolitan-Vickers в рамках программы экономической помощи, организованной лордом Ротермиром .)
В настоящее время сохранилось по одному экземпляру V40 [26] , V55 [27] и локомотива V60 [28] . Они хранятся в Будапештском железнодорожном историческом парке, но требуют реставрации после десятилетий статической экспозиции на открытом воздухе. Если финансирование позволит, отремонтированный V40 может вернуться на открытые пути для «ностальгической службы», с полупроводниковым входным устройством, добавленным к его системе для понижающего преобразования переменного тока с 25 до 16 кВ.
В 1926 году Кандо спроектировал 1,5 кВ DC 2BB2 400 (фр. 2BB2 400) для линии Париж-Орлеан, которые были самыми мощными локомотивами постоянного тока в Европе в то время. Завод Ганц из Будапешта , Венгрия, поставил эти два локомотива по проекту Кальмана Кандо. [29]
Спустя 8 лет после смерти Кандо, инженерное бюро завода Ганц выиграло несколько британских тендеров, которые в основном основывались на новейших технологиях Кандо. Британским фирмам было поручено реализовать эти планы. Были планы использовать двухпроводную трехфазную систему на железной дороге Портмадок, Бедгелерт и Саут-Сноудон в Уэльсе и на метрополитенской железной дороге в Лондоне, но ни один из этих планов не был реализован из-за начала Второй мировой войны.
Кальман Кандо умер от неожиданной сердечной недостаточности в Будапеште 13 января 1931 года. Постоянно растущее напряжение на работе, череда семейных трагедий, хлопоты, связанные с делом всей его жизни, а также иностранный банковский кредит, повлиявший на внедрение системы фазового перехода, — все это в совокупности усугубило внезапную смерть Кандо.
Он не дожил до окончательного ввода в эксплуатацию своей системы, воплощения своего шедевра — локомотива, который он спроектировал. 17 августа 1932 года инженеры испытали первый локомотив с переключением фаз V40 001. После его смерти разработка электровоза продолжилась по намеченному им пути под руководством Ференца Ратковского и Андора Манди.
Многие современные электропоезда работают по тому же принципу трехфазного переменного тока высокого напряжения, который был введен локомотивами Kandó V40, но роторный преобразователь заменен полупроводниковыми приборами. Трехфазные электродвигатели обеспечивают высокое тяговое усилие даже на больших скоростях, а сложность поддержания произвольных скоростей при полной эффективности устраняется за счет использования полупроводников IGBT и использования цифрового управления.
Число патентов Кальмана Кандо, выданных между 1895 и 1929 годами, составляет 69. Более 50 патентов были куплены компаниями по производству локомотивов и подвижного состава в таких странах, как Великобритания, США, Германия, Франция и Италия. Патенты сгруппированы вокруг тем электрических железнодорожных двигателей, многофазных двигателей переменного тока, автоматических железнодорожных коммутационных устройств, воздушных линий, фазовых преобразователей, методов безопасности на железной дороге и станций передачи электроэнергии.
В Мишкольце площадь перед железнодорожной станцией Тисай , где также стоит его статуя, носит его имя, как и профессиональное среднее учебное заведение. В Будапеште факультет электротехники имени Кандо Кальмана (ранее независимый технический колледж, теперь часть Университета Обуды ) также носит его имя. Малая планета 126245 Кандокальман была названа в его честь.
Эвиан-ле-Бен кандо.
