Alternador Alexanderson - Alexanderson alternator

Alternador Alexanderson de 200 kW conservado en la estación de radiotelegrafía Grimeton , Suecia, el único ejemplo que queda de un transmisor Alexanderson.

Un alternador Alexanderson es una máquina giratoria inventada por Ernst Alexanderson en 1904 para la generación de corriente alterna de alta frecuencia para su uso como transmisor de radio . Fue uno de los primeros dispositivos capaces de generar las ondas de radio continuas necesarias para la transmisión de modulación de amplitud (sonido) por radio. Se utilizó desde aproximadamente 1910 en unas pocas estaciones de radiotelegrafía de onda larga de "superpotencias" para transmitir el tráfico de mensajes transoceánicos por código Morse a estaciones similares en todo el mundo.

Aunque obsoleto a principios de la década de 1920 debido al desarrollo de transmisores de tubo de vacío , el alternador Alexanderson continuó utilizándose hasta la Segunda Guerra Mundial . Está en la lista de hitos de IEEE como un logro clave en ingeniería eléctrica .

Historia

Desarrollos previos

Después del descubrimiento de las ondas de radio en 1887, la primera generación de transmisores de radio , los transmisores de chispa , produjeron cadenas de ondas amortiguadas , pulsos de ondas de radio que se extinguieron rápidamente a cero. En la década de 1890 se comprendió que las olas amortiguadas tenían desventajas; su energía se distribuía en un amplio ancho de banda de frecuencia, de modo que los transmisores de diferentes frecuencias interferían entre sí y no podían modularse con una señal de audio para transmitir sonido. Se hicieron esfuerzos para inventar transmisores que produjeran ondas continuas , una corriente alterna sinusoidal en una sola frecuencia.

En una conferencia de 1891, Frederick Thomas Trouton señaló que, si un alternador eléctrico funcionara a una velocidad de ciclo lo suficientemente grande (es decir, si girara lo suficientemente rápido y estuviera construido con un número suficientemente grande de polos magnéticos en su armadura) generar ondas continuas en radiofrecuencia. Comenzando con Elihu Thomson en 1889, una serie de investigadores construyó alternadores de alta frecuencia, Nikola Tesla (1891, 15 kHz), Salomons y Pyke (1891, 9 kHz), Parsons y Ewing (1892, 14 kHz), Siemens (5 kHz). ), BG Lamme (1902, 10 kHz), pero ninguno pudo alcanzar las frecuencias requeridas para la transmisión de radio, por encima de 20 kHz.

Conjunto de motor-alternador Alexanderson de 200 kW instalado en la estación de New Brunswick, Nueva Jersey de la Marina de los EE. UU., 1920.

Construcción

En 1904, Reginald Fessenden contrató a General Electric para un alternador que generaba una frecuencia de 100.000 hercios para radio de onda continua. El alternador fue diseñado por Ernst Alexanderson . El alternador Alexanderson se utilizaba mucho para las comunicaciones por radio de onda larga en las estaciones costeras, pero era demasiado grande y pesado para instalarlo en la mayoría de los barcos. En 1906 se entregaron los primeros alternadores de 50 kilovatios. Uno fue para Reginald Fessenden en Brant Rock, Massachusetts , otro para John Hays Hammond, Jr. en Gloucester, Massachusetts y otro para la American Marconi Company en New Brunswick, Nueva Jersey .

Alexanderson recibiría una patente en 1911 para su dispositivo. El alternador Alexanderson siguió al transmisor de chispa giratorio de Fessenden como el segundo transmisor de radio que se modula para transmitir la voz humana. Hasta la invención de los osciladores de tubo de vacío (válvula) en 1913, como el oscilador Armstrong , el alternador Alexanderson era un importante transmisor de radio de alta potencia y permitía la transmisión de radio de modulación de amplitud de la voz humana. El último alternador Alexanderson operable que queda se encuentra en el transmisor VLF Grimeton en Suecia y estuvo en servicio regular hasta 1996. Continúa funcionando durante unos minutos el Día de Alexanderson , que es el último domingo de junio o el primer domingo de julio de cada año. .

La Primera Guerra Mundial y la formación de RCA

El estallido de la Primera Guerra Mundial obligó a las naciones europeas a abandonar temporalmente el desarrollo de redes de comunicaciones por radio internacionales, mientras que Estados Unidos aumentó sus esfuerzos para desarrollar la radio transoceánica. Al final de la guerra, el alternador Alexanderson estaba funcionando para proporcionar de manera confiable un servicio de radio transoceánico. British Marconi ofreció a General Electric $ 5,000 en negocios a cambio de derechos exclusivos para usar el alternador, pero justo cuando el acuerdo estaba a punto de concretarse, el presidente estadounidense Woodrow Wilson solicitó que GE rechazara la oferta, lo que le habría dado a los británicos (que estaban a punto de concretarse). líder en cables submarinos ) dominio sobre las comunicaciones por radio en todo el mundo. GE cumplió con la solicitud y se unió a American Telephone and Telegraph (AT&T), United Fruit Company , Western Electric Company y Westinghouse Electric and Manufacturing Company para formar Radio Corporation of America (RCA), dando a las empresas estadounidenses el control de la radio estadounidense. por primera vez.

Estaciones

Thorn L.Mayes identificó la producción de diez pares de alternadores Alexanderson de 200 KW, totalizando 20 transmisores, en el período hasta 1924:

No. Localización Indicativo de
llamada
Longitud de onda (m) Frecuencia (kHz) Instalado Inactivo Desguazado Observaciones
1 New Brunswick , Nueva Jersey , EE. UU. WII 13,761 21,8 6/1918 1948 1953 Reemplazó un alternador de 50 KW instalado en febrero de 1917
2 WRT 13,274 22,6 2/1920 1948 1953
3 Marion , Massachusetts , Estados Unidos WQR 13,423 22,3 4/1920 1932 1961 Reemplazo de un transmisor de chispa temporizada Marconi
4 OSM 11,628 25,8 7/1922 1932 1969 A Haiku, Hawaii en 1942
5 Bolinas , California , Estados Unidos KET 13,100 22,9 10/1920 1930 1946 Reemplazo de un transmisor de chispa temporizada Marconi
6 KET 15,600 19,2 1921 1930 1969 A Haiku, Hawaii en 1942
7 Radio Central, Rocky Point , Nueva York , EE. UU. WQK 16,484 18,2 19/1121 1948 1951
8 WSS 15.957 18,8 1921 1948 A Marion, Massachusetts, 1949. Posteriormente, Smithsonian Institution .
9 Kahuku , Hawái , EE. UU. KGI 16,120 18,6 1920 1930 1938
10 KIE 16.667 18.0 1921 1930 1938
11 Tuckerton , Nueva Jersey, EE. UU. WCI 16.304 18,4 3/1921 1948 1955 Reemplazo de un alternador Goldschmidt
12 WGG 13,575 22,1 1922 1948 1955
13 Caernarvon, Gales, Reino Unido MUU 14,111 21,2 4/1921 1939
14 GLC 9.592 31,3 1921 1939
15 Varberg, Suecia SAQ 17.442 17.2 1924 1946 1960 Inicialmente 18.600 m, conexión en paralelo
dieciséis SAQ 17.442 17.2 1924 1946 Operacional Conservado en Grimeton, Suecia.
17 Varsovia, Polonia AXO 21,127 14,2 12/1923 Detenido por el ejército alemán el 9/1939, que destruyó las estaciones en 1945
18 AXL 18.293 16,4 1923
19 Pernambuco, Recife, Brasil Nunca 1927 Entregado en 1924, devuelto a Radio Central Rocky Point en 1926 porque ahora estaban disponibles transmisores de tubo de vacío más eficientes
20 Nunca 1927

Uso militar de EE. UU. Durante y después de la Segunda Guerra Mundial

A partir de 1941, la Marina y la Fuerza Aérea de los EE. UU. Pusieron en servicio siete de los veinte alternadores originales de 200 KW:

No. Localización Call
Sign

Ubicación original

Operación Marina

Operación de la Fuerza Aérea
Desguazado
1 Haiku, Hawái Marion, Massachusetts (OSM) 1942-1946 1947-1957 1969
2 Bolinas, California (KET) 1942-1946 1947-1957 1969
3 Marion, Massachusetts Marion, Massachusetts (WQR) 1941-1948 1949-1957 1961
4 AFA2 Radio Central (WSS) 1949-1957 Smithsonian
5 Tuckerton, Nueva Jersey Tuckerton, Nueva Jersey (WCI) 1942-1948 1955
6 Tuckerton, Nueva Jersey (WGG) 1942-1948 1955
7 Bolinas, California Bolinas, California (KET) 1942-1946 1946

Durante la Segunda Guerra Mundial, la Marina de los EE. UU. Reconoció la necesidad de transmisiones confiables de onda larga distante (VLF) a la flota del Pacífico. Se construyó una nueva instalación en Haiku en Hawai, donde se instalaron dos alternadores Alexanderson de 200 KW transferidos desde el continente. La Marina también operó un transmisor existente en Bolinas, California, nuevamente para la comunicación con el océano Pacífico. Ambos alternadores Haiku se vendieron para su rescate en 1969, posiblemente a Kreger Company of California.

A finales de la década de 1940, la Fuerza Aérea asumió el control de las instalaciones de Haiku y Marion, Massachusetts. La Fuerza Aérea descubrió que las transmisiones de onda larga eran más confiables que las de onda corta al enviar información meteorológica a los investigadores del Ártico, así como a bases en Groenlandia, Labrador e Islandia. Los dos transmisores Marion se utilizaron hasta 1957. Uno se desechó en 1961 y, según los informes, el otro se entregó a la Oficina de Normas de los Estados Unidos y se almacenó en un almacén de la Institución Smithsonian.

Diseño

Rotor de alternador de 200 kW
Primer plano del rotor anterior. Tiene 300 ranuras estrechas cortadas a través del rotor. Los "dientes" entre las ranuras son los polos magnéticos de la máquina.

El alternador Alexanderson funciona de manera similar a un generador eléctrico de CA, pero genera una corriente de frecuencia más alta, en el rango de frecuencia de radio de muy baja frecuencia (VLF). El rotor no tiene devanados conductores ni conexiones eléctricas; Consiste en un disco sólido de acero magnético de alta resistencia a la tracción, con ranuras estrechas cortadas en su circunferencia para crear una serie de "dientes" estrechos que funcionan como polos magnéticos. El espacio entre los dientes está relleno con material no magnético, para darle al rotor una superficie lisa para disminuir la resistencia aerodinámica. El rotor gira a alta velocidad mediante un motor eléctrico.

La máquina funciona por desgana variable (similar a una pastilla de guitarra eléctrica ), cambiando el flujo magnético que une dos bobinas. La periferia del rotor está abrazada por un estator de hierro circular con una sección transversal en forma de C, dividido en polos estrechos, el mismo número que tiene el rotor, que lleva dos juegos de bobinas. Un conjunto de bobinas se energiza con corriente continua y produce un campo magnético en el espacio de aire en el estator, que pasa axialmente (lateralmente) a través del rotor.

A medida que el rotor gira, alternativamente hay una sección de hierro del disco en el espacio entre cada par de polos del estator, lo que permite que un flujo magnético alto cruce el espacio, o bien, hay una ranura no magnética en el espacio del estator, lo que permite menos campos magnéticos. flujo para pasar. Por tanto, el flujo magnético a través del estator varía sinusoidalmente a una velocidad rápida. Estos cambios en el flujo inducen un voltaje de radiofrecuencia en un segundo conjunto de bobinas en el estator.

Las bobinas del colector de RF están todas interconectadas por un transformador de salida , cuyo devanado secundario está conectado al circuito de la antena. La modulación o codificación telegráfica de la energía de radiofrecuencia se realizó mediante un amplificador magnético , que también se utilizó para la modulación de amplitud y las transmisiones de voz.

La frecuencia de la corriente generada por un alternador Alexanderson en hercios es el producto del número de polos del rotor y las revoluciones por segundo. Por lo tanto, las frecuencias de radio más altas requieren más polos, una velocidad de rotación más alta o ambos. Los alternadores Alexanderson se utilizaron para producir ondas de radio en el rango de muy baja frecuencia (VLF), para la comunicación inalámbrica transcontinental. Un alternador típico con una frecuencia de salida de 100 kHz tenía 300 polos y giraba a 20.000 revoluciones por minuto (RPM) (333 revoluciones por segundo). Para producir una alta potencia, la holgura entre el rotor y el estator debía mantenerse en solo 1 mm. La fabricación de máquinas de precisión que giraban a velocidades tan altas presentaba muchos problemas nuevos, y los transmisores Alexanderson eran voluminosos y muy costosos.

Control de frecuencia

La frecuencia de salida del transmisor es proporcional a la velocidad del rotor. Para mantener la frecuencia constante, la velocidad del motor eléctrico girando se controló con un circuito de retroalimentación. En un método, se aplica una muestra de la señal de salida a un circuito sintonizado de alta Q , cuya frecuencia de resonancia está ligeramente por encima de la frecuencia de salida. La frecuencia del generador cae en la "falda" de la curva de impedancia del circuito LC, donde la impedancia aumenta rápidamente con la frecuencia. La salida del circuito LC se rectifica y el voltaje resultante se compara con un voltaje de referencia constante para producir una señal de retroalimentación para controlar la velocidad del motor. Si la frecuencia de salida es demasiado alta, la impedancia presentada por el circuito LC aumenta y la amplitud de la señal de RF que atraviesa el circuito LC disminuye. La señal de retroalimentación al motor cae y el motor se ralentiza. Por tanto, la frecuencia de salida del alternador está "bloqueada" a la frecuencia resonante del circuito sintonizado.

Los equipos se construyeron para operar en longitudes de onda de 10.500 a 24.000 metros (28,57 a 12,5 KHz). Esto se logró mediante tres variables de diseño. Los alternadores se construyeron con 1220 o 976 o 772 polos. Había tres cajas de engranajes disponibles con relaciones de 2.675-2.973 y 3.324 y el motor de accionamiento de 900 RPM funcionaba con deslizamientos del 4% al 20%, dando velocidades de 864 a 720 RPM. Los transmisores instalados en Europa, que funcionan con una potencia de 50 ciclos, tenían un rango de longitud de onda de 12, 500 a 28, 800 metros debido a la menor velocidad del motor impulsor.

Ventajas de rendimiento

Un gran alternador Alexanderson podría producir 500 kW de energía de radiofrecuencia de salida y estaría refrigerado por agua o aceite. Una de esas máquinas tenía 600 pares de polos en el devanado del estator y el rotor funcionaba a 2170 RPM, para una frecuencia de salida cercana a 21,7 kHz. Para obtener frecuencias más altas, se requirieron velocidades de rotor más altas, hasta 20.000 RPM.

Junto con el convertidor de arco inventado en 1903, el alternador Alexanderson fue uno de los primeros transmisores de radio que generó ondas continuas . Por el contrario, los primeros transmisores de chispas generaban una serie de ondas amortiguadas . Estos eran eléctricamente "ruidosos"; la energía del transmisor se distribuía en un amplio rango de frecuencias, por lo que interferían con otras transmisiones y funcionaban de forma ineficaz. Con un transmisor de onda continua, toda la energía se concentraba dentro de una banda de frecuencia estrecha , por lo que para una potencia de salida determinada podían comunicarse a distancias más largas. Además, las ondas continuas podrían modularse con una señal de audio para transportar el sonido. El alternador Alexanderson fue uno de los primeros transmisores que se utilizaron para la transmisión de AM .

El alternador Alexanderson producía ondas continuas "más puras" que el convertidor de arco, cuya salida no sinusoidal generaba armónicos significativos , por lo que se prefirió el alternador para la telegrafía de larga distancia.

Desventajas

Debido a la velocidad de rotación extremadamente alta en comparación con un alternador convencional, el alternador Alexanderson requería un mantenimiento continuo por parte de personal calificado. La lubricación eficiente y el enfriamiento por aceite o agua eran esenciales para la confiabilidad, lo que era difícil de lograr con los lubricantes disponibles en ese momento. De hecho, las primeras ediciones del "Manual del Almirantazgo de Telegrafía Inalámbrica" de la Royal Navy cubren esto con considerable detalle, principalmente como una explicación de por qué la Marina no usó esa tecnología en particular. Sin embargo, la Marina de los EE. UU. Lo hizo.

Otros problemas importantes fueron que cambiar la frecuencia de operación era un proceso largo y complicado y, a diferencia de un transmisor de chispa, la señal portadora no se podía encender y apagar a voluntad. El último problema complicó enormemente la "escucha completa" (es decir, detener la transmisión para escuchar cualquier respuesta). También existía el riesgo de que permitiera a los barcos enemigos detectar la presencia del barco.

Debido a los límites del número de polos y la velocidad de rotación de una máquina, el alternador Alexanderson es capaz de generar frecuencias de transmisión de hasta alrededor de 600 kHz en la banda de onda media inferior , siendo físicamente imposible la onda corta y las frecuencias más altas.

Ver también

Notas

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos