bélyegkép|jobbra|262px|Kandó fázisváltója 1933-ban beépítés előtt A nagyfeszültségű háromfázisú váltakozóáramú vontatás sikerének kulcsa a Kandó Kálmán által megtervezett és megvalósított fázisváltó volt. Amikor Kandó a rendszerének kidolgozásához hozzáfogott, a Ferraris–Arno-féle aszinkron fázisváltó már ismeretes volt,Frigyes Andor-Szita Iván-Tuschák Róbert-Schnell László: Elektrotechnika (Tankönyvkiadó, Budapest 1951) 753. oldal és a villamos vontatásban történő alkalmazására is történtek kísérletek. Ez a megoldás azonban alkalmatlannak bizonyult. A motorok merev összeköttetésben álltak a hálózattal, nagyfeszültségű munkavezeték esetén az átalakító elé transzformátort kellett beépíteni, és ezzel lehetett a feszültséget szabályozni. A transzformátor viszont rontja a hálózat teljesítménytényezőjét. Így Kandó ezt a megoldást elvetette, helyette egy teljesen új megoldást választva szinkron fázisváltót szerkesztett.
A sorozatgyártás előtt készített prototípus a Józsefvárosban az Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Karának épületében van kiállítva.
A fázisváltós vontatást Kandó a Ganz Villamossági Rt.-nél dolgozta ki, melynek telephelye ma Millenáris néven ismert.
Szükségessége
A villamos vontatás a gőzvontatást váltotta fel, mivel a gőzvontatás hatásfoka alacsony, amit tovább ront, hogy a tüzelőanyagot a felhasználás helyére kell szállítani. Európa első villamosított fővonalán az olasz Valtellina vonalon, amelyet a Ganz készített a vasúti vontatás igényeit figyelembe véve három fázisú , 16 2/3 Hz-es 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 kizárólag a vasút számára dolgozó erőművek gazdaságtalan üzeműek, mert a vontatás erősen változó teljesítményszükségletének megfelelően kell energiát termelnie. Napi átlagban nem nagy a teljesítménye, de igen nagy csúcsterheléseket is el kell viselnie. Gazdaságos energiatermelés viszont csak nagyteljesítményű, állandó terhelésű erőművekben valósítható meg. A háromfázisú tápláláshoz szükséges két felsővezeték kiépítése és üzemeltetése drága. A két felsővezeték egymástól való távolsága 3300 V-ra korlátozta a feszültséget. 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 (12–15 km-enként) 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, és mindössze egyetlen munkavezetéket kell létesíteni.
Működése bélyegkép|balra|180px|A Kandó-rendszerű fázisváltós mozdony gépeinek elvi kapcsolása: 1. Fázisváltó 2. Vontatómotor 3. Folyadékindító bélyegkép|jobbra|200px|Az első kísérleti fázisváltós Kandó mozdony (V50). Jól megfigyelhető a gőzmozdonyokhoz hasonló csatlórudas hajtás
bélyegkép|jobbra|200px|A V40-es Kandó mozdony bélyegkép|jobbra|200px|A V44 típusú Kandó-Ratkovszky rendszerű mozdony bélyegkép|jobbra|200px|A V55 típusú továbbfejlesztett Kandó-Ratkovszky rendszerű mozdony 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 szinkron motor gerjesztésének változtatásával a hálózati teljesítménytényező tetszés szerinti értékre állítható, a generátor gerjesztésének változtatása viszont a vontató motor kapocsfeszültségének változtatását teszi lehetővé.
A Kandó-féle fázisváltó lényege, hogy közös álló és forgórésszel valósította meg az egyfázisú szinkronmotort és a háromfázisú szinkrongenerátort. A légrés közelében a mélyebb hornyokban van a többfázisú, alacsony feszültségű tekercselés és e mögött a vastestbe ágyazva helyezkedik el a kerület kétharmadát beborító nagyfeszültségű, egyfázisú tekercselés, amelyet a 16 kV-os munkavezeték táplál. A sokszögkapcsolású többfázisú kétrétegű tekercselés 72 horonyban van elhelyezve. A motorok pólusszám átkapcsolásának igényének megfelelően 3, 4 és 6 fázisú áramot tud szolgáltatni. Feszültsége a terheléstől függően 800-1300 V között változik.
A fázisváltó a maga korában a világ egyik legbonyolultabb villamos gépe volt. bélyegkép|balra|200px|Az első sorozatgyártású fázisváltós mozdony. Középen a főmotor, jobbra a fázisváltó Közös álló és forgórésszel szerkesztettek egy egyfázisú szinkronmotort háromfázisú generátort, valamint a generátor állórészébe integráltak egy Scott-transzformátort, amely 70-110 V feszültséggel látja el a segédgépek (szivattyúk, kompresszorok) aszinkron hajtómotorjait, illetve a fűtés biztosítására. A fázisváltóval közös tengelyre szereltek egy segédfázisos egyfázisú indítómotort (a szinkronmotor indításához és szinkronizálásához) egy gerjesztőgépet (a fázisváltó forgórészének gerjesztéséhez)
Az állórész lemezelt vastestű és a furatában elhelyezett 8,5 mm falvastagságú bakelithenger választja el a forgórésztől. A szigetelés és a hűtés érdekében az állórész olajjal van kitöltve. A forgórész négypólusú, melyet külön gerjesztőgép lát el egyenárammal. A forgórész gerjesztése az azonos teljesítményű szinkron generátorokhoz viszonyítva igen magas. Egyrészt a 21 mm-es légrés nagy mágneses ellenállást képvisel, másrészt, mert mindkét állórésztekercsben folyó terhelő áram gerjesztését a forgórésznek kell kompenzálnia. A megnövekedett tekercsveszteségek és a csillapítórudazatban előálló melegveszteség miatt léghűtés helyett vízhűtést alkalmaznak. A vizet a tengely furatán keresztül vezetik be, és a centrifugális erő szorítja a hűtőcsövekbe. A felmelegedett vizet egy centrifugálszivattyú emeli az olajhűtő feletti vízhűtőbe. Az olaj és a vízhűtőben a légáramlást egy 10 LE-s szellőzőmotor tartja fenn.
A fázisváltót, mint minden egyfázisú szinkron gépet, külső motorral kell indítani. Az indítást egy a közös tengelyre szerelt kétfázisú, rövidrezárt forgórészű aszinkron motor végzi. A motor egyik fázisát indításkor a fázisváltó primer tekercsével sorbakapcsolják, a másik fázist az egyfázisú segédtekercselésről táplálják.Ily módon a két fázis árama között kb. 30°-os fáziseltolás lép fel és ez elegendő az indításhoz. A motor 3 perc alatt kb. 1000/perc fordulatra gyorsítja a forgórészt, amely azután a csillapító rudazat hatására 0,5–1 perc alatt magától eléri az 1500/perces szinkron fordulatot.
A vontatómotor
A vontatómotor tekercselt forgórészű csúszógyűrűs (indukciós) aszinkron motor. A lágy indítás feltételeit a forgórész csúszógyűrűihez csatlakoztatott, folyadék ellenállás teszi lehetővé. Ugyanezt az eszközt használják sebességváltásnál; a mechanikus és az áramlökés csillapítása érdekében. Gyorsítás és 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.
Továbbfejlesztése
A V40 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 egy tengelyre épített 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.
2012-ben árusítanak különböző teljesítményű forgó fázisváltókat, amelyek a háztartási egyfázisú hálózati feszültséget alakítja át 3 fázisúvá.
Nyugvó fázisváltók A forgó villamos gépeknek számos hátránya van a nyugvó gépekkel szemben. Ezek közül a lényegesebbek: magasabb ár nagyobb 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.Magyar Királyi Szabadalmi Bíróság 103320 számú szabadalom: Nyugvó fázisváltó, egyfázisú váltóáramnak többfázisúvá, vagy megfordítva való átalakítására
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.