Генератор Alexanderson - Alexanderson alternator

Генератор Alexanderson мощностью 200 кВт сохранен на Радиотелеграфная станция Grimeton, Швеция, единственный оставшийся образец передатчика Alexanderson.

An Генератор Alexanderson это вращающаяся машина изобретен Эрнст Александерсон в 1904 году для генерации высокочастотных переменный ток для использования в качестве радиопередатчик. Это было одно из первых устройств, способных генерировать непрерывные радиоволны необходим для передачи амплитудная модуляция (звук) по радио. Его использовали примерно с 1910 года в нескольких «сверхдержавах». длинноволновый радиотелеграфия станций для передачи трансокеанского трафика сообщений азбука Морзе на аналогичные станции по всему миру.

Несмотря на то, что к началу 1920-х гг. Из-за развития вакуумная труба передатчики, генератор переменного тока Alexanderson продолжал использоваться до Вторая Мировая Война. Это на список этапов развития IEEE как ключевое достижение в электротехника.[1]

История

Предыдущие разработки

После радиоволны были открыты в 1887 г., первое поколение радиопередатчики, то датчики искрового разрядника, произвел струны затухающие волны, импульсы радиоволн, которые быстро погасли до нуля. К 1890-м годам стало понятно, что затухающие волны имеют недостатки; их энергия распространилась по широкому частота пропускная способность поэтому передатчики на разных частотах мешали друг другу, и они не могли быть модулированный со звуковым сигналом для передачи звука. Были предприняты попытки изобрести передатчики, которые производили бы непрерывные волны, синусоидальный переменный ток на одной частоте.

В лекции 1891 г. Фредерик Томас Траутон указал, что если электрический генератор были запущены с достаточно большой скоростью цикла (то есть, если он вращался достаточно быстро и был построен с достаточно большим количеством магнитных полюсов на его якоре), он генерировал непрерывные волны на радиочастоте.[2] Начиная с Элиу Томсон в 1889 г.,[3][4][5][6] ряд исследователей построили генераторы высокой частоты, Никола Тесла[7][8] (1891, 15 кГц), Саломонс и Пайк[8] (1891, 9 кГц), Парсонс и Юинг (1892, 14 кГц.), Сименс[8] (5 кГц), Б.Г. Ламме[8] (1902, 10 кГц), но никто не смог достичь частот, необходимых для радиопередачи, выше 20 кГц.[5]

Мотор-генераторная установка Alexanderson мощностью 200 кВт, установленная на станции ВМС США в Нью-Брансуике, штат Нью-Джерси, 1920 год.

строительство

В 1904 г. Реджинальд Фессенден заключил договор с General Electric для генератора переменного тока, который генерировал частоту 100000 герц[нужна цитата ] для непрерывного радио. Генератор был разработан Эрнст Александерсон. Генератор Alexanderson широко использовался для длинноволновых радиосвязь береговыми станциями, но был слишком большим и тяжелым для установки на большинстве кораблей. В 1906 году были поставлены первые генераторы мощностью 50 киловатт. Один был Реджинальду Фессендену в Брант-Рок, Массачусетс другой Джон Хейс Хэммонд-младший в Глостер, Массачусетс и еще один Американская компания Маркони в Нью-Брансуик, Нью-Джерси.

В 1911 году Александерсон получит патент на свое устройство. Генератор Alexanderson последовал за вращающимся передатчиком с искровым разрядником Fessenden как второй радиопередатчик, который должен был быть модулированный нести человеческий голос. До изобретения вакуумная труба (клапан) генераторы в 1913 г., например Генератор Армстронга, генератор Alexanderson был важным высокомощным радио передатчик, и разрешено амплитудная модуляция радиопередача человеческого голоса. Последний оставшийся исправный генератор Alexanderson находится на VLF передатчик Grimeton в Швеции и находился в регулярной эксплуатации до 1996 года. Он продолжает работать в течение нескольких минут на День Александерсона, которое является либо последним воскресеньем июня, либо первым воскресеньем июля каждого года.

Первая мировая война и формирование RCA

Вспышка Первая Мировая Война вынудили 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 предложенный General Electric 5000 долларов в обмен на эксклюзивные права на использование генератора переменного тока, но как раз когда сделка должна была состояться, американский президент Вудро Вильсон просил GE отклонить предложение, которое дало бы британцам (которые были лидером в подводные кабели ) доминирование над мировой радиосвязью. GE выполнила запрос и присоединилась к Американский телефон и телеграф (AT&T), United Fruit Company, то Western Electric Company и Электрическая и производственная компания Westinghouse сформировать Радиокорпорация Америки (RCA), впервые предоставив американским компаниям контроль над американским радио.[9]

Станции

Торн Л. Мэйс определил производство десяти пар генераторов Alexanderson мощностью 200 кВт, всего 20 передатчиков, в период до 1924 г .:[10]

Нет.РасположениеВызов
знак		Длина волны (м)Частота (кГц)УстановленХолостой ходСломЗамечания
1Нью-Брансуик, Нью-Джерси, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИWII13,76121.86/191819481953Заменен генератор мощностью 50 кВт, установленный в феврале 1917 г.
2WRT13,27422.62/192019481953
3Марион, Массачусетс, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИWQR13,42322.34/192019321961Заменен синхронизированный искровой передатчик Marconi.
4WSO11,62825.87/192219321969В Хайку, Гавайи, 1942 год.
5Болинас, Калифорния, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИKET13,10022.910/192019301946Заменен синхронизированный искровой передатчик Marconi.
6KET15,60019.2192119301969В Хайку, Гавайи, 1942 год.
7Радио Централ, Роки-Пойнт, Нью-Йорк, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИWQK16,48418.211/192119481951
8WSS15,95718.819211948В Мэрион, Массачусетс, 1949 г. Позже Смитсоновский институт.
9Кахуку, Гавайи, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИKGI16,12018.6192019301938
10KIE16,66718.0192119301938
11Такертон, Нью-Джерси, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИWCI16,30418.43/192119481955Заменен Генератор Goldschmidt
12WGG13,57522.1192219481955
13Карнарвон, Уэльс, ВеликобританияMUU14,11121.24/19211939
14GLC9,59231.319211939
15Варберг, ШвецияSAQ17,44217.2192419461960Первоначально 18,600 м, параллельное подключение
16SAQ17,44217.219241946ОперативныйХранится в Грайметоне, Швеция.
17Варшава, ПольшаAXO21,12714.212/1923Захвачен немецкой армией 9/1939, разрушившей станции в 1945 году.
18AXL18,29316.41923
19Пернамбуку, Ресифи, Бразилияникогда1927Поставлен в 1924 году, возвращен в Radio Central Rocky Point в 1926 году, поскольку теперь доступны более эффективные передатчики на электронных лампах
20никогда1927

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:[11]

Нет.РасположениеВызов
Знак		Оригинал
Расположение		Флот
Операция		Воздушные силы
Операция		Слом
1Хайку, ГавайиМарион, Массачусетс (WSO)1942-19461947-19571969
2Болинас, Калифорния (KET)1942-19461947-19571969
3Марион, МассачусетсМэрион, Массачусетс (WQR)1941-19481949-19571961
4AFA2[12]Радиоцентр (WSS)1949-1957Смитсоновский институт
5Такертон, Нью-ДжерсиТакертон, Нью-Джерси (WCI)1942-19481955
6Такертон, Нью-Джерси (WGG)1942-19481955
7Болинас, КалифорнияБолинас, Калифорния (KET)1942-19461946

Во время Второй мировой войны военно-морской флот США осознал необходимость надежной передачи сигналов на длинных волнах (ОНЧ) Тихоокеанскому флоту. 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.[13] 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.[14] и хранится на складе Смитсоновского института.[15]

дизайн

Ротор генератора 200 кВт
Крупный план вышеуказанного 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 от переменной нежелание (аналогично электрическому звукосниматель для гитары ), изменив магнитный поток соединение двух катушек. 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 комплект катушек находится под напряжением. постоянный ток и создает магнитное поле в воздушном зазоре в статоре, которое проходит через ротор в осевом направлении (сбоку).

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

Коллекторные катушки RF все соединены выходом трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к антенной цепи. Модуляция или телеграфный ключ радиочастотной энергии было сделано магнитный усилитель, который также использовался для амплитудная модуляция и голосовые передачи.

В частота тока, генерируемого генератором Alexanderson в герц это произведение 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 очень низкая частота (VLF) диапазон 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.

Контроль частоты

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 настроенная схема, чья резонансная частота немного выше выходной частоты. Частота генератора попадает на «юбку» кривой импеданса LC-цепи, где импеданс быстро увеличивается с частотой. Выходной сигнал LC-цепи выпрямляется, а 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.

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.

Вместе с преобразователь дуги изобретенный в 1903 году генератор переменного тока Alexanderson был одним из первых радиопередатчиков, которые генерировали непрерывные волны. Напротив, более ранние датчики искрового разрядника сгенерировал строку затухающие волны. 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 диапазон частот, поэтому при заданной выходной мощности они могли общаться на больших расстояниях. Кроме того, непрерывные волны могут быть модулированный с звуковой сигнал нести звук. Генератор Alexanderson был одним из первых передатчиков, которые использовались для AM коробка передач.

Генератор Alexanderson генерировал более "чистые" непрерывные волны, чем дуговый преобразователь, несинусоидальный выходной сигнал которого генерировал значительные гармоники, поэтому генератор был предпочтительным для междугороднего телеграфирования.

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 Королевский флот "Адмиралтейский справочник беспроводной телеграфии" довольно подробно описывает это, главным образом как объяснение того, почему военно-морские силы не использовали эту конкретную технологию. Однако ВМС США это сделали.

Другими серьезными проблемами были то, 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 около 600 кГц в нижних частотах. Средняя волна группа, с Коротковолновый и более высокие частоты физически невозможны.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ "Вехи: генератор переменного тока Alexanderson, 1904 год". Сеть глобальной истории IEEE. IEEE. Получено 29 июля 2011.
  2. ^ «Излучение электрической энергии» Фредерик Траутон, Электрик (Лондон), 22 января 1892 г., стр.302.
  3. ^ «Новый генератор переменного тока профессора Томсона». Инженер-электрик. Инженер-электрик Co. 11 (154): 437. 15 апреля 1891 г.. Получено 18 апреля, 2015.
  4. ^ Томсон, Элиу (12 сентября 1890 г.). "письмо". Электрик. Лондон. 25: 529–530. Получено 18 апреля, 2015.
  5. ^ а б Эйткен, Хью Г.Дж. (2014). Непрерывная волна: технологии и американское радио, 1900-1932 гг.. Princeton Univ. Нажмите. п. 53. ISBN  1400854601.
  6. ^ Фессенден, Р. А. (1908). «Беспроводная телефония». Годовой отчет Смитсоновского института. Государственная типография: 172. Получено 18 апреля, 2015.
  7. ^ Патент США 447921 , Никола Тесла "Генератор переменного электрического тока"(10 марта 1891 г.)
  8. ^ а б c d Флеминг, Джон Эмброуз (1910). Принципы электрической телеграфии и телефонии, 2-е изд.. Лондон: Longmans, Green and Co., стр. 5–10.
  9. ^ Харборд, Дж. (1929). "Коммерческое использование радио". Летопись Американской академии. Дои:10.1177 / 0002716229142001S09.
  10. ^ "Генератор-преобразователи Alexanderson мощностью 200 кВт" (таблица), Беспроводная связь в США Торн Л. Мэйс, The New England Wireless and Steam Museum, Inc., 1989, стр. 182. Включает примечание «Позывные и длины волн в метрах из списка станций длинноволновой связи RCA, 5 декабря 1928 года». Был добавлен столбец «Частота», в котором для расчетов использовалась скорость света 300 000 метров в секунду.
  11. ^ «Передатчики Alexanderson мощностью 200 киловатт, использованные в США во время и после Второй мировой войны» (таблица), Mayes (1989), стр. 183.
  12. ^ "Генератор Александерсона" Автор: Джерри Прок (jproc.ca)
  13. ^ Mayes (1989), страницы 176-177.
  14. ^ Mayes (1989), стр. 176.
  15. ^ Mayes (1989), цитируя корреспонденцию от 15 июля 1976 г. «Командир станции USCG на Гавайях», стр. 180.

дальнейшее чтение

внешние ссылки