Генератор переменного тока Alexanderson - это вращающаяся машина, изобретенная Эрнстом Александерсоном в 1904 году 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 «сверхдержавных» длинноволновых радиотелеграфных станциях для передачи трансокеанских сообщений с помощью кода Морзе на аналогичные станции по всему миру.
Хотя генератор переменного тока Alexanderson был устаревшим к началу 1920-х из-за разработки ламповых передатчиков, он продолжал использоваться до Второй мировой войны. Он включен в список этапов развития IEEE как ключевое достижение в электротехнике.
После открытия радиоволн в 1887 г., первое поколение радиопередатчиков, передатчиков с искровым разрядником, производили цепочки затухающих волн, импульсы радиоволн, которые быстро исчезали до нуля. К 1890-м годам стало ясно, что затухающие волны имеют недостатки; их энергия распределялась по широкой частоте ширине полосы, поэтому передатчики на разных частотах создавали помехи друг другу, и они не могли быть модулированы звуковым сигналом для передачи звука. Были предприняты попытки изобрести передатчики, которые будут генерировать непрерывные волны, синусоидальный переменный ток на одной частоте.
В лекции 1891 года Фредерик Томас Траутон указал, что если электрический генератор переменного тока работал с достаточно большой скоростью цикла (то есть, если он вращался быстро достаточно и был построен с достаточно большим количеством магнитных полюсов на его якоре) он будет 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 не смог достичь частот, необходимых для радиопередачи, выше 20 кГц.
Мотор-генератор Alexanderson 200 кВт установка была установлена на станции ВМС США в Нью-Брансуике, штат Нью-Джерси, 1920 г.В 1904 г. Реджинальд Фессенден заключил контракт с General Electric на генератор частота 100 000 Гц для непрерывного радио. Генератор был разработан Эрнстом Александерсоном. Генератор Alexanderson широко использовался береговыми станциями для длинноволновой радиосвязи, но был слишком большим и тяжелым, чтобы его можно было установить на большинстве кораблей. В 1906 году были поставлены первые генераторы мощностью 50 киловатт. Один был у Реджинальда Фессендена в Брант-Рок, Массачусетс, другой Джону Хейсу Хаммонду в Глостере, Массачусетс, а третий - в американцу Маркони. Компания в Нью-Брансуике, Нью-Джерси.
Александерсон получит патент в 1911 году на свое устройство. Генератор переменного тока Alexanderson последовал за вращающимся передатчиком с искровым разрядником Фессендена в качестве второго радиопередатчика, который должен быть модулирован для передачи человеческого голоса. До изобретения ламповых (клапанных) генераторов в 1913 году, таких как генератор Армстронга, генератор переменного тока Alexanderson был важным мощным радиоприемником. передатчик и разрешил амплитудную модуляцию радиопередачу человеческого голоса. Последний оставшийся работоспособный генератор Alexanderson находится на VLF-передатчике Grimeton в Швеции и находился в регулярной эксплуатации до 1996 года. Он продолжает работать в течение нескольких минут в Alexanderson Day, что либо последнее воскресенье июня или первое воскресенье июля каждого года.
Начало Первой мировой войны вынудило европейские страны временно отказаться от развития международных сетей радиосвязи, в то время как Соединенные Штаты увеличили усилия по развитию трансокеанского радио. К концу войны генератор Alexanderson работал, чтобы надежно обеспечивать трансокеанскую радиосвязь. Британский Маркони предложил General Electric 5000 долларов в обмен на исключительные права на использование генератора переменного тока, но как только сделка должна была состояться, американский президент Вудро Вильсон попросил GE отклонить это предложение, что дало бы британцам (которые были лидером в подводных кабелях ) господство над мировой радиосвязью. GE выполнила запрос и присоединилась к American Telephone and Telegraph (ATT), United Fruit Company, Western Electric Company и Westinghouse Electric и Manufacturing Company, чтобы сформировать Radio Corporation of America (RCA), впервые предоставив американским компаниям контроль над американским радио.
Thorn L Майес выявил производство десяти пар генераторов Alexanderson мощностью 200 кВт, всего 20 передатчиков, в период до 1924 г.:
No. | Местоположение | Вызов. знак | Длина волны (м) | Частота (кГц) | Установлено | Незанятый | Списанный | Примечания |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | Нью-Брансуик, Нью-Джерси, США | WII | 13,761 | 21,8 | 6/1918 | 1948 | 1953 | Заменен генератор переменного тока мощностью 50 кВт, установленный в феврале 1917 года |
2 | WRT | 13,274 | 22,6 | 2/1920 | 1948 | 1953 | ||
3 | Мэрион, Массачусетс, США | WQR | 13,423 | 22,3 | 4/1920 | 1932 | 1961 | Заменен искровой передатчик Marconi |
4 | WSO | 11628 | 25,8 | 7/1922 | 1932 | 1969 | В Хайку, Гавайи, в 1942 году | |
5 | Болинас, Калифорния, США | KET | 13,100 | 22,9 | 10/1920 | 1930 | 1946 | Заменен искровой передатчик Marconi |
6 | KET | 15,600 | 19,2 | 1921 | 1930 | 1969 | В Хайку, Гавайи, в 1942 году | |
7 | Radio Central, Рокки Пои nt, Нью-Йорк, США | WQK | 16,484 | 18,2 | 11/1921 | 1948 | 1951 | |
8 | WSS | 15,957 | 18,8 | 1921 | 1948 | В Мэрион, Массачусетс, 1949. Позже Смитсоновский институт. | ||
9 | Кахуку, Гавайи, США | KGI | 16,120 | 18,6 | 1920 | 1930 | 1938 | |
10 | КИЕ | 16,667 | 18,0 | 1921 | 1930 | 1938 | ||
11 | Такертон, Нью-Джерси, США | WCI | 16,304 | 18,4 | 3/1921 | 1948 | 1955 | Заменен генератор Goldschmidt |
12 | WGG | 13,575 | 22,1 | 1922 | 1948 | 1955 | ||
13 | Карнарвон, Уэльс, Великобритания | MUU | 14,111 | 21,2 | 4/1921 | 1939 | ||
14 | GLC | 9,592 | 31,3 | 1921 | 1939 | |||
15 | Варберг, Швеция | SAQ | 17,442 | 17,2 | 1924 | 1946 | 1960 | Первоначально 18.600 м, параллельное соединение |
16 | SAQ | 17,442 | 17,2 | 1924 | 1946 | В рабочем состоянии | Хранится в Грайметоне, Швеция. | |
17 | Варшава, Польша | AXO | 21,127 | 14.2 | 12/1923 | Захвачена немецкой армией 9/1939, который разрушил станции в 1945 г. | ||
18 | AXL | 18,293 | 16,4 | 1923 | ||||
19 | Пернамбуку, Ресифи, Бразилия | никогда | 1927 | доставлен в 1924 году, возвращен в Radio Central Rocky Point в 1926 году, потому что теперь доступны более эффективные ламповые передатчики | ||||
20 | никогда | 1927 |
Начиная с 1941 года, семь из двадцати оригинальных генераторов мощностью 200 кВт были приняты на вооружение ВМС и ВВС США:
No. | Местоположение | Вызов. Знак | Исходное. Местоположение | ВМФ. Операция | ВВС. Операция | слом |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | Хайку, Гавайи | Марион, Массачусетс (WSO) | 1942-1946 | 1947-1957 | 1969 | |
2 | Болинас, Калифорния (KET) | 1942-1946 | 1947-1957 | 1969 | ||
3 | Марион, Массачусетс | Мэрион, Массачусетс (WQR) | 1941-1948 | 1949-1957 | 1961 | |
4 | AFA2 | Radio Central (WSS) | 1949-1957 | Смитсоновский институт | ||
5 | Такертон, Нью-Джерси | Такертон, Нью-Джерси (WCI) | 1942-1948 | 1955 | ||
6 | Такертон, Нью-Джерси (WGG) | 1942-1948 | 1955 | |||
7 | Болинас, Калифорния | Болинас, Калифорния (KET) | 1942-1946 | 1946 |
Во время Второй мировой войны ВМС США осознали потребность в надежных дальних длинноволновых ( VLF) передачи на Тихоокеанский флот. Новый завод был построен 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.
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.
Генератор переменного тока Alexanderson работает аналогично электрическому генератору 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, которые образуют серию узких «зубцов», которые действуют как магнитные полюса. Пространство между зубьями заполнено немагнитным материалом, чтобы обеспечить гладкую поверхность ротора и уменьшить аэродинамическое сопротивление. Ротор вращается с высокой скоростью электродвигателем.
Устройство работает с переменным сопротивлением (аналогично звукоснимателю электрической гитары ), изменяя магнитный поток, соединяющий две катушки. Периферия ротора охвачена круглым железным статором с С-образным поперечным сечением, разделенным на узкие полюса, такое же количество полюсов, как у ротора, несущий два набора катушек. Один набор катушек питается постоянным током и создает магнитное поле в воздушном зазоре в статоре, которое проходит в осевом направлении (вбок) через ротор.
По мере вращения ротора поочередно либо железная часть диска находится в зазоре между каждой парой полюсов статора, позволяя сильному магнитному потоку пересекать зазор, либо немагнитная прорезь оказывается в зазоре. зазор статора, пропускающий меньший магнитный поток. Таким образом, магнитный поток через статор изменяется синусоидально с большой скоростью. Эти изменения магнитного потока индуцируют 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 с помощью магнитного усилителя, который также использовался для амплитудной модуляции и передачи голоса..
частота тока, генерируемого генератором переменного тока Alexanderson в герцах, является произведением количества полюсов ротора и числа 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 необходимо было сохранить всего 1 мм. Производство прецизионных машин, вращающихся с такой высокой скоростью, представляло много новых проблем, а передатчики Alexanderson были громоздкими и очень дорогими.
Выходная частота передатчика пропорциональна скорости вращения ротора. Чтобы поддерживать постоянную частоту, скорость вращения электродвигателя контролировалась с помощью контура обратной связи. В одном способе выборка 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 к двигателю 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%, давая 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.
Большой генератор переменного тока Alexanderson может вырабатывать 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, которые генерировали 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 сконцентрирована в узком диапазоне частот, поэтому при заданной выходной мощности они могли общаться на больших расстояниях. Кроме того, непрерывные волны могут быть модулированы аудиосигналом для передачи звука. Генератор Alexanderson был одним из первых передатчиков, которые использовались для передачи AM.
Генератор переменного тока Alexanderson генерировал «более чистые» непрерывные волны, чем дуговой преобразователь, несинусоидальный выходной сигнал которого генерировал значительные гармоники, поэтому генератор переменного тока был предпочтительнее для телеграфии на большие расстояния.
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 по беспроводной телеграфии» Королевского флота освещают это довольно подробно, главным образом как объяснение того, почему военно-морские силы не использовали 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 значительно 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 по количеству полюсов и скорости вращения машины генератор Alexanderson способен генерировать частоты передачи до примерно 600 кГц в нижнем средневолновом диапазоне с Коротковолновый и более высокие частоты физически невозможны.