Генератор Alexanderson - Alexanderson alternator

Генератор Alexanderson мощностью 200 кВт, сохранившийся на радиотелеграфной станции Grimeton , Швеция, единственный оставшийся образец передатчика Alexanderson.

Александерсон генератора переменного тока является вращающейся машиной изобретен Александерсон в 1904 для генерации высокочастотного переменного тока для использования в качестве радиопередатчика . Это было одно из первых устройств, способных генерировать непрерывные радиоволны, необходимые для передачи амплитудной модуляции (звука) по радио. Он использовался примерно с 1910 года на нескольких "сверхмощных" длинноволновых радиотелеграфных станциях для передачи трансокеанских сообщений с помощью кода Морзе на аналогичные станции по всему миру.

Хотя генератор переменного тока Alexanderson устарел к началу 1920-х годов из-за развития ламповых передатчиков, он продолжал использоваться до Второй мировой войны . Он включен в список этапов IEEE как ключевое достижение в области электротехники .

История

Предыдущие разработки

После открытия радиоволн в 1887 году первое поколение радиопередатчиков, передатчиков с искровым разрядником , производило цепочки затухающих волн , импульсы радиоволн, которые быстро затухали до нуля. К 1890-м годам стало ясно, что затухающие волны имеют недостатки; их энергия распределялась по широкой полосе частот, поэтому передатчики на разных частотах создавали помехи друг другу, и их нельзя было модулировать звуковым сигналом для передачи звука. Были предприняты попытки изобрести передатчики, которые производили бы непрерывные волны , синусоидальный переменный ток на одной частоте.

В лекции 1891 года Фредерик Томас Траутон указал, что, если бы электрический генератор переменного тока работал с достаточно большой циклической скоростью (то есть, если бы он вращался достаточно быстро и был построен с достаточно большим количеством магнитных полюсов на его якоре), он бы генерировать непрерывные волны на радиочастоте. Начиная с Элиху Томсона в 1889 году, ряд исследователей построили генераторы высокой частоты: Никола Тесла (1891, 15 кГц), Саломонс и Пайк (1891, 9 кГц), Парсонс и Юинг (1892, 14 кГц), Сименс (5 кГц). ), Б.Г. Ламме (1902, 10 кГц), но ни один из них не смог достичь частот, необходимых для радиопередачи, выше 20 кГц.

Электродвигатель-генератор Alexanderson мощностью 200 кВт, установленный на станции ВМС США в Нью-Брансуике, штат Нью-Джерси, 1920 год.

Строительство

В 1904 году Реджинальд Фессенден заключил контракт с General Electric на генератор переменного тока, который генерировал частоту 100000 герц для непрерывного радио. Генератор был разработан Эрнстом Александерсоном . Генератор Alexanderson широко использовался для длинноволновой радиосвязи на береговых станциях, но был слишком большим и тяжелым, чтобы его можно было установить на большинстве кораблей. В 1906 году были поставлены первые генераторы мощностью 50 киловатт. Одно предназначалось Реджинальду Фессендену в Брант-Рок, штат Массачусетс , другое - Джону Хейсу Хаммонду-младшему в Глостере, штат Массачусетс, а третье - американской компании Marconi в Нью-Брансуике, штат Нью-Джерси .

В 1911 году Александерсон получит патент на свое устройство. Генератор Alexanderson последовал за вращающимся передатчиком с искровым разрядником Фессендена в качестве второго радиопередатчика, который должен быть модулирован для передачи человеческого голоса. До изобретения вакуумной трубки (клапан) осцилляторов в 1913 году , таких как генератора Armstrong , генератор Александерсон был важным высокой мощности радио передатчика , и позволил амплитудной модуляции радиопередачи человеческого голоса. Последний оставшийся исправный генератор переменного тока Alexanderson находится в передатчике VLF Grimeton в Швеции и находился в регулярной эксплуатации до 1996 года. Он продолжает работать в течение нескольких минут в День Александерсона , который является либо последним воскресеньем июня, либо первым воскресеньем июля каждого года. .

Первая мировая война и формирование RCA

Начало Первой мировой войны вынудило европейские страны временно отказаться от развития международных сетей радиосвязи, в то время как Соединенные Штаты активизировали усилия по развитию трансокеанского радио. К концу войны генератор Alexanderson работал, чтобы надежно обеспечивать трансокеанскую радиосвязь. Британский Маркони предложил General Electric бизнесу 5000 долларов в обмен на эксклюзивные права на использование генератора переменного тока, но как только сделка должна была завершиться , американский президент Вудро Вильсон попросил GE отклонить предложение, что дало бы британцам (которые были лидер в области подводных кабелей ) доминирование над мировой радиосвязью. GE выполнила просьбу и присоединилась к American Telephone and Telegraph (AT&T), United Fruit Company , Western Electric Company и Westinghouse Electric and Manufacturing Company, чтобы сформировать Radio Corporation of America (RCA), передав американским компаниям контроль над американским радио. в первый раз.

Станции

Торн Л. Мэйс идентифицировал производство десяти пар генераторов Alexanderson мощностью 200 кВт, всего 20 передатчиков, в период до 1924 г .:

Нет. Место нахождения Вызов
знак
Длина волны (м) Частота (кГц) Установлены Холостой ход Слом Замечания
1 Нью-Брансуик , Нью-Джерси , США WII 13 761 21,8 6/1918 1948 г. 1953 г. Заменен генератор мощностью 50 кВт, установленный в феврале 1917 г.
2 WRT 13 274 22,6 2/1920 1948 г. 1953 г.
3 Марион , Массачусетс , США WQR 13 423 22,3 4/1920 1932 г. 1961 г. Заменен искровой передатчик Marconi с синхронизацией по времени.
4 WSO 11 628 25,8 7/1922 1932 г. 1969 г. В Хайку, Гавайи, 1942 год.
5 Болинас , Калифорния , США KET 13 100 22,9 10/1920 1930 г. 1946 г. Заменен искровой передатчик Marconi с синхронизацией по времени.
6 KET 15,600 19,2 1921 г. 1930 г. 1969 г. В Хайку, Гавайи, 1942 год.
7 Radio Central, Роки-Пойнт , Нью-Йорк , США WQK 16 484 18,2 11/1921 1948 г. 1951 г.
8 WSS 15 957 18,8 1921 г. 1948 г. В Мэрион, Массачусетс, 1949 г. Позднее Смитсоновский институт .
9 Кахуку , Гавайи , США KGI 16 120 18,6 1920 г. 1930 г. 1938 г.
10 КИЕ 16 667 18.0 1921 г. 1930 г. 1938 г.
11 Такертон , Нью-Джерси, США WCI 16 304 18,4 3/1921 1948 г. 1955 г. Заменен генератор Goldschmidt.
12 WGG 13 575 22,1 1922 г. 1948 г. 1955 г.
13 Карнарвон, Уэльс, Великобритания MUU 14 111 21,2 4/1921 1939 г.
14 GLC 9 592 31,3 1921 г. 1939 г.
15 Варберг, Швеция SAQ 17 442 17,2 1924 г. 1946 г. 1960 г. Первоначально 18,600 м, параллельное подключение
16 SAQ 17 442 17,2 1924 г. 1946 г. Оперативный Хранится в Грайметоне, Швеция.
17 Варшава, Польша AXO 21 127 14,2 12/1923 Захвачен немецкой армией 9/1939, разрушившей станции в 1945 году.
18 AXL 18 293 16,4 1923 г.
19 Пернамбуку, Ресифи, Бразилия никогда 1927 г. Поставляется в 1924 году, возвращено в Radio Central Rocky Point в 1926 году, поскольку теперь доступны более эффективные ламповые передатчики.
20 никогда 1927 г.

Военное использование США во время и после Второй мировой войны

Начиная с 1941 года, семь из двадцати оригинальных генераторов мощностью 200 кВт были приняты на вооружение ВМС и ВВС США:

Нет. Место нахождения Вызов
Вход
Исходное
местоположение
Военно-морская
операция

Операция ВВС
Слом
1 Хайку, Гавайи Марион, Массачусетс (WSO) 1942-1946 1947-1957 гг. 1969 г.
2 Болинас, Калифорния (KET) 1942-1946 1947-1957 гг. 1969 г.
3 Марион, Массачусетс Марион, Массачусетс (WQR) 1941-1948 гг. 1949–1957 1961 г.
4 AFA2 Радиоцентр (WSS) 1949–1957 Смитсоновский институт
5 Такертон, Нью-Джерси Такертон, Нью-Джерси (WCI) 1942-1948 гг. 1955 г.
6 Такертон, Нью-Джерси (WGG) 1942-1948 гг. 1955 г.
7 Болинас, Калифорния Болинас, Калифорния (KET) 1942-1946 1946 г.

Во время Второй мировой войны ВМС США осознали потребность в надежных передачах на дальние длинные волны (VLF) Тихоокеанскому флоту. Новое предприятие было построено в Хайку на Гавайях, где были установлены два генератора переменного тока Alexanderson мощностью 200 кВт, переданные с материка. ВМС также использовали существующий передатчик в Болинасе, Калифорния, снова для связи с Тихим океаном. Оба генератора Haiku были проданы на утилизацию в 1969 году, возможно, калифорнийской компании Kreger Company.

В конце 1940-х годов ВВС взяли под свой контроль объекты Хайку и Марион, штат Массачусетс. Военно-воздушные силы обнаружили, что длинноволновая передача более надежна, чем коротковолновая, при отправке информации о погоде исследователям Арктики, а также базам в Гренландии, Лабрадоре и Исландии. Два передатчика Marion использовались до 1957 года. Один был списан в 1961 году, а другой, как сообщается, был передан Бюро стандартов США и хранился на складе Смитсоновского института.

Дизайн

Ротор генератора 200 кВт
Крупный план вышеупомянутого ротора. Он имеет 300 узких прорезей в роторе. «Зубцы» между пазами - это магнитные полюса станка.

Генератор Alexanderson работает аналогично электрогенератору переменного тока, но генерирует ток более высокой частоты в радиодиапазоне очень низких частот (VLF). Ротор не имеет токопроводящих обмоток или электрических соединений; он состоит из сплошного диска из высокопрочной магнитной стали с узкими прорезями по его окружности для создания ряда узких «зубцов», которые функционируют как магнитные полюса. Пространство между зубьями заполнено немагнитным материалом, чтобы обеспечить гладкую поверхность ротора и уменьшить аэродинамическое сопротивление. Ротор вращается с высокой скоростью электродвигателем.

Машина работает с переменным сопротивлением (аналогично звукоснимателю электрогитары ), изменяя магнитный поток, соединяющий две катушки. Периферия ротора окружена круглым железным статором с С-образным поперечным сечением, разделенным на узкие полюса, такого же числа, как у ротора, с двумя наборами катушек. Один набор катушек питается постоянным током и создает магнитное поле в воздушном зазоре статора, которое проходит через ротор в осевом направлении (сбоку).

По мере вращения ротора поочередно либо железная секция диска находится в зазоре между каждой парой полюсов статора, позволяя сильному магнитному потоку пересекать зазор, либо немагнитная прорезь находится в зазоре статора, позволяя меньше магнитных полей. поток пройти. Таким образом, магнитный поток через статор синусоидально изменяется с большой скоростью. Эти изменения магнитного потока вызывают высокочастотное напряжение во втором наборе катушек на статоре.

Все коллекторные катушки ВЧ соединены между собой выходным трансформатором , вторичная обмотка которого подключена к антенной цепи. Модуляция или телеграфная манипуляция радиочастотной энергии осуществлялась магнитным усилителем , который также использовался для амплитудной модуляции и передачи голоса.

Частота тока , генерируемого генератор переменного ток Alexanderson в герцах является произведением числа полюсов ротора и оборотов в секунду. Таким образом, более высокие радиочастоты требуют большего количества полюсов, более высокой скорости вращения или того и другого. Генераторы Alexanderson использовались для генерации радиоволн в диапазоне очень низких частот (VLF) для трансконтинентальной беспроводной связи. Типичный генератор переменного тока с выходной частотой 100 кГц имел 300 полюсов и вращался со скоростью 20 000 оборотов в минуту (об / мин) (333 оборота в секунду). Для получения высокой мощности зазор между ротором и статором должен был составлять всего 1 мм. Производство прецизионных машин, вращающихся с такими высокими скоростями, представляло много новых проблем, а передатчики Alexanderson были громоздкими и очень дорогими.

Частотный контроль

Выходная частота передатчика пропорциональна скорости вращения ротора. Чтобы поддерживать постоянную частоту, скорость вращения электродвигателя контролировалась с помощью контура обратной связи. В одном методе образец выходного сигнала подается на высокодобротный настроенный контур , резонансная частота которого немного выше выходной частоты. Частота генератора попадает на «юбку» кривой импеданса LC-цепи, где импеданс быстро увеличивается с частотой. Выходной сигнал LC-цепи выпрямляется, и результирующее напряжение сравнивается с постоянным опорным напряжением для получения сигнала обратной связи для управления скоростью двигателя. Если выходная частота становится слишком высокой, импеданс LC-цепи увеличивается, а амплитуда радиочастотного сигнала, проходящего через LC-цепь, падает. Сигнал обратной связи на двигатель падает, и двигатель замедляется. Таким образом, выходная частота генератора переменного тока «привязана» к резонансной частоте настроенного контура.

Установки были созданы для работы на длинах волн от 10 500 до 24 000 метров (от 28,57 до 12,5 кГц). Это было достигнуто за счет трех проектных переменных. Генераторы были построены на 1220, 976 или 772 полюса. Были доступны три коробки передач с передаточными числами 2,675–2,973 и 3,324, а приводной двигатель со скоростью 900 об / мин работал с проскальзыванием от 4% до 20%, что давало скорости от 864 до 720 об / мин. Установленные в Европе передатчики, работающие на 50-тактной мощности, имели диапазон длин волн от 12 500 до 28 800 метров из-за более низкой скорости приводного двигателя.

Преимущества производительности

Большой генератор Alexanderson мог бы производить 500 кВт выходной радиочастотной энергии и иметь водяное или масляное охлаждение. Одна такая машина имела 600 пар полюсов в обмотке статора, а ротор вращался со скоростью 2170 об / мин при выходной частоте около 21,7 кГц. Для получения более высоких частот требовались более высокие скорости вращения ротора, до 20 000 об / мин.

Наряду с дуговым преобразователем, изобретенным в 1903 году, генератор переменного тока Alexanderson был одним из первых радиопередатчиков, генерирующих непрерывные волны . Напротив, более ранние передатчики с искровым разрядником генерировали цепочку затухающих волн . Они были электрически «шумными»; энергия передатчика была распределена по широкому диапазону частот, поэтому они мешали другим передачам и работали неэффективно. В передатчике непрерывного излучения вся энергия была сосредоточена в узком частотном диапазоне , поэтому при заданной выходной мощности они могли передавать данные на большие расстояния. Кроме того, непрерывные волны могут быть модулированы с звуковым сигналом для переноса звука. Генератор Alexanderson был одним из первых передатчиков, которые использовались для передачи AM .

Генератор Alexanderson генерировал более «чистые» непрерывные волны, чем дуговый преобразователь, несинусоидальный выходной сигнал которого генерировал значительные гармоники , поэтому генератор переменного тока был предпочтительнее для телеграфии на большие расстояния.

Недостатки

Из-за чрезвычайно высокой скорости вращения по сравнению с обычным генератором переменного тока генератор Alexanderson требовал постоянного обслуживания квалифицированным персоналом. Эффективная смазка и охлаждение маслом или водой были важны для надежности, чего было трудно достичь с помощью смазочных материалов, доступных в то время. Фактически, ранние издания "Адмиралтейского справочника беспроводной телеграфии" Королевского флота освещают это довольно подробно, главным образом как объяснение того, почему военно-морской флот не использовал эту конкретную технологию. Однако ВМС США это сделали.

Другие серьезные проблемы заключались в том, что изменение рабочей частоты было длительным и сложным процессом, и в отличие от искрового передатчика несущий сигнал нельзя было включать и выключать по желанию. Последняя проблема сильно усложнила "прослушивание" (то есть остановку передачи для прослушивания любого ответа). Также существовал риск того, что это позволит вражеским судам обнаружить присутствие корабля.

Из-за ограничений количества полюсов и скорости вращения машины генератор Alexanderson способен генерировать частоты передачи до около 600 кГц в нижнем диапазоне средних волн , при этом короткие волны и более высокие частоты физически невозможны.

Смотрите также

Примечания

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки