Alternador Alexanderson - Alexanderson alternator
Um alternador Alexanderson é uma máquina rotativa inventada por Ernst Alexanderson em 1904 para a geração de corrente alternada de alta frequência para uso como um transmissor de rádio . Foi um dos primeiros dispositivos capazes de gerar as ondas de rádio contínuas necessárias para a transmissão da modulação de amplitude (som) pelo rádio. Foi usado por volta de 1910 em algumas estações de radiotelegrafia de ondas longas de "superpotência" para transmitir o tráfego de mensagens transoceânicas por código Morse para estações semelhantes em todo o mundo.
Embora obsoleto no início da década de 1920 devido ao desenvolvimento de transmissores de válvula a vácuo , o alternador Alexanderson continuou a ser usado até a Segunda Guerra Mundial . Ele está na lista de marcos do IEEE como uma conquista importante na engenharia elétrica .
História
Desenvolvimentos anteriores
Depois que as ondas de rádio foram descobertas em 1887, a primeira geração de transmissores de rádio , os transmissores de intervalo de centelha , produziu sequências de ondas amortecidas , pulsos de ondas de rádio que morreram até chegar a zero rapidamente. Na década de 1890, percebeu-se que as ondas amortecidas tinham desvantagens; sua energia era espalhada por uma ampla largura de banda de frequência, de modo que os transmissores em diferentes frequências interferiam uns nos outros e não podiam ser modulados com um sinal de áudio para transmitir o som. Esforços foram feitos para inventar transmissores que produzissem ondas contínuas , uma corrente alternada senoidal em uma única frequência.
Em uma palestra de 1891, Frederick Thomas Trouton apontou que, se um alternador elétrico funcionasse a uma velocidade de ciclo grande o suficiente (isto é, se ele girasse rápido o suficiente e fosse construído com um número grande o suficiente de pólos magnéticos em sua armadura), gerar ondas contínuas em radiofrequência. Começando com Elihu Thomson em 1889, uma série de pesquisadores construiu alternadores de alta frequência, Nikola Tesla (1891, 15 kHz), Salomons e Pyke (1891, 9 kHz), Parsons e Ewing (1892, 14 kHz.), Siemens (5 kHz) ), BG Lamme (1902, 10 kHz), mas nenhum conseguiu atingir as frequências necessárias para a transmissão de rádio, acima de 20 kHz.
Construção
Em 1904, Reginald Fessenden contratou a General Electric para um alternador que gerava uma frequência de 100.000 hertz para rádio de onda contínua. O alternador foi projetado por Ernst Alexanderson . O alternador Alexanderson era amplamente usado para comunicações de rádio de ondas longas por estações costeiras, mas era muito grande e pesado para ser instalado na maioria dos navios. Em 1906, os primeiros alternadores de 50 quilowatts foram entregues. Um foi para Reginald Fessenden em Brant Rock, Massachusetts , outro para John Hays Hammond, Jr. em Gloucester, Massachusetts e outro para a American Marconi Company em New Brunswick, New Jersey .
Alexanderson receberia uma patente em 1911 por seu dispositivo. O alternador Alexanderson seguiu o transmissor giratório de centelha de Fessenden como o segundo transmissor de rádio a ser modulado para transmitir a voz humana. Até a invenção dos osciladores de tubo de vácuo (válvula) em 1913, como o oscilador Armstrong , o alternador Alexanderson era um importante transmissor de rádio de alta potência e permitia a transmissão de rádio de modulação de amplitude da voz humana. O último alternador Alexanderson operável restante está no transmissor VLF Grimeton na Suécia e esteve em serviço regular até 1996. Ele continua a ser operado por alguns minutos no Alexanderson Day , que é o último domingo de junho ou o primeiro domingo de julho de cada ano .
Primeira Guerra Mundial e a formação da RCA
A eclosão da Primeira Guerra Mundial forçou as nações europeias a abandonar temporariamente o desenvolvimento de redes de comunicações de rádio internacionais, enquanto os Estados Unidos aumentaram os esforços para desenvolver o rádio transoceânico. No final da guerra, o alternador Alexanderson estava operando para fornecer serviço de rádio transoceânico de forma confiável. A britânica Marconi ofereceu US $ 5.000 em negócios à General Electric em troca de direitos exclusivos de uso do alternador, mas quando o negócio estava para ser concretizado, o presidente americano Woodrow Wilson solicitou que a GE recusasse a oferta, o que teria dado aos britânicos (que eram líder em cabos submarinos ) domínio das comunicações de rádio em todo o mundo. A GE atendeu ao pedido e se juntou à American Telephone and Telegraph (AT&T), a United Fruit Company , a Western Electric Company e a Westinghouse Electric and Manufacturing Company para formar a Radio Corporation of America (RCA), dando às empresas americanas o controle da rádio americana pela primeira vez.
Estações
Thorn L. Mayes identificou a produção de dez pares de alternadores Alexanderson 200 KW, totalizando 20 transmissores, no período até 1924:
Não. | Localização | Indicativo de chamada |
Comprimento de onda (m) | Frequência (kHz) | Instalado | Inativo | Sucateado | Observações |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | New Brunswick , New Jersey , EUA | WII | 13.761 | 21,8 | 6/1918 | 1948 | 1953 | Substituiu um alternador de 50 KW instalado em fevereiro de 1917 |
2 | WRT | 13.274 | 22,6 | 2/1920 | 1948 | 1953 | ||
3 | Marion , Massachusetts , EUA | WQR | 13.423 | 22,3 | 4/1920 | 1932 | 1961 | Substituiu um transmissor de faísca cronometrado Marconi |
4 | WSO | 11.628 | 25,8 | 7/1922 | 1932 | 1969 | Para Haiku, Havaí em 1942 | |
5 | Bolinas , Califórnia , EUA | KET | 13.100 | 22,9 | 10/1920 | 1930 | 1946 | Substituiu um transmissor de faísca cronometrado Marconi |
6 | KET | 15.600 | 19,2 | 1921 | 1930 | 1969 | Para Haiku, Havaí em 1942 | |
7 | Radio Central, Rocky Point , Nova York , EUA | WQK | 16.484 | 18,2 | 11/1921 | 1948 | 1951 | |
8 | WSS | 15.957 | 18,8 | 1921 | 1948 | Para Marion, Massachusetts, 1949. Posteriormente, Smithsonian Institution . | ||
9 | Kahuku , Havaí , EUA | KGI | 16.120 | 18,6 | 1920 | 1930 | 1938 | |
10 | KIE | 16.667 | 18,0 | 1921 | 1930 | 1938 | ||
11 | Tuckerton , Nova Jersey, EUA | WCI | 16.304 | 18,4 | 19/0321 | 1948 | 1955 | Substituiu um alternador Goldschmidt |
12 | WGG | 13.575 | 22,1 | 1922 | 1948 | 1955 | ||
13 | Caernarvon, País de Gales, Reino Unido | MUU | 14.111 | 21,2 | 4/1921 | 1939 | ||
14 | GLC | 9.592 | 31,3 | 1921 | 1939 | |||
15 | Varberg, Suécia | SAQ | 17.442 | 17,2 | 1924 | 1946 | 1960 | Inicialmente 18.600 m, conexão paralela |
16 | SAQ | 17.442 | 17,2 | 1924 | 1946 | Operacional | Preservado em Grimeton, Suécia. | |
17 | Varsóvia, Polónia | AXO | 21.127 | 14,2 | 12/1923 | Apreendido pelo exército alemão em 9/1939, que destruiu as estações em 1945 | ||
18 | AXL | 18.293 | 16,4 | 1923 | ||||
19 | Pernambuco, Recife, Brasil | nunca | 1927 | Entregue em 1924, retornou à Radio Central Rocky Point em 1926 porque transmissores de válvula a vácuo mais eficientes estavam agora disponíveis | ||||
20 | nunca | 1927 |
Uso militar dos EUA durante e após a Segunda Guerra Mundial
A partir de 1941, sete dos vinte alternadores originais de 200 KW foram colocados em serviço pela Marinha e Força Aérea dos EUA:
Não. | Localização | chamada Entrar |
Localização Original |
Operação da Marinha |
Operação da Força Aérea |
Sucateado |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | Haiku, Havaí | Marion, Massachusetts (WSO) | 1942-1946 | 1947-1957 | 1969 | |
2 | Bolinas, Califórnia (KET) | 1942-1946 | 1947-1957 | 1969 | ||
3 | Marion, Massachusetts | Marion, Massachusetts (WQR) | 1941-1948 | 1949-1957 | 1961 | |
4 | AFA2 | Rádio Central (WSS) | 1949-1957 | Smithsonian | ||
5 | Tuckerton, Nova Jersey | Tuckerton, Nova Jersey (WCI) | 1942-1948 | 1955 | ||
6 | Tuckerton, Nova Jersey (WGG) | 1942-1948 | 1955 | |||
7 | Bolinas, Califórnia | Bolinas, Califórnia (KET) | 1942-1946 | 1946 |
Durante a Segunda Guerra Mundial, a Marinha dos Estados Unidos reconheceu a necessidade de transmissões confiáveis de ondas longas (VLF) para a frota do Pacífico. Uma nova instalação foi construída em Haiku, no Havaí, onde dois alternadores Alexanderson de 200 KW transferidos do continente foram instalados. A Marinha também operou um transmissor existente em Bolinas, Califórnia, novamente para comunicação no oceano Pacífico. Ambos os alternadores Haiku foram vendidos para salvamento em 1969, possivelmente para a Kreger Company of California.
No final dos anos 1940, a Força Aérea assumiu o controle das instalações de Haiku e Marion, em Massachusetts. A Força Aérea descobriu que as transmissões de ondas longas eram mais confiáveis do que as ondas curtas ao enviar informações meteorológicas para pesquisadores do Ártico, bem como para bases na Groenlândia, Labrador e Islândia. Os dois transmissores Marion foram usados até 1957. Um foi descartado em 1961 e o outro foi entregue ao Bureau of Standards dos Estados Unidos e armazenado em um depósito do Smithsonian Institution.
Projeto
O alternador Alexanderson funciona de forma semelhante a um gerador elétrico CA, mas gera corrente de frequência mais alta, na faixa de frequência de rádio de frequência muito baixa (VLF). O rotor não possui enrolamentos condutores ou conexões elétricas; ele consiste em um disco sólido de aço magnético de alta resistência à tração, com ranhuras estreitas cortadas em sua circunferência para criar uma série de "dentes" estreitos que funcionam como pólos magnéticos. O espaço entre os dentes é preenchido com material não magnético, para dar ao rotor uma superfície lisa e diminuir o arrasto aerodinâmico. O rotor é girado em alta velocidade por um motor elétrico.
A máquina opera por relutância variável (semelhante a um captador de guitarra elétrica ), alterando o fluxo magnético que liga duas bobinas. A periferia do rotor é envolvida por um estator circular de ferro de seção transversal em C, dividido em polos estreitos, igual ao do rotor, contendo dois conjuntos de bobinas. Um conjunto de bobinas é energizado com corrente contínua e produz um campo magnético no entreferro do estator, que passa axialmente (lateralmente) pelo rotor.
Conforme o rotor gira, alternadamente ou uma seção de ferro do disco está na lacuna entre cada par de pólos do estator, permitindo que um alto fluxo magnético atravesse a lacuna, ou então uma fenda não magnética está na lacuna do estator, permitindo menos fluxo para passar. Assim, o fluxo magnético através do estator varia sinusoidalmente a uma taxa rápida. Essas mudanças no fluxo induzem uma tensão de radiofrequência em um segundo conjunto de bobinas no estator.
As bobinas coletoras de RF são todas interconectadas por um transformador de saída , cujo enrolamento secundário é conectado ao circuito da antena. A modulação ou chaveamento telegráfico da energia da radiofrequência era feita por um amplificador magnético , que também era usado para modulação de amplitude e transmissões de voz.
A frequência da corrente gerada por um alternador Alexanderson em hertz é o produto do número de pólos do rotor e as revoluções por segundo. As frequências de rádio mais altas requerem, portanto, mais pólos, uma velocidade de rotação mais alta ou ambos. Os alternadores Alexanderson foram usados para produzir ondas de rádio na faixa de frequência muito baixa (VLF), para comunicação sem fio transcontinental. Um alternador típico com uma frequência de saída de 100 kHz tinha 300 pólos e girava a 20.000 rotações por minuto (RPM) (333 rotações por segundo). Para produzir alta potência, a folga entre o rotor e o estator teve que ser mantida em apenas 1 mm. A fabricação de máquinas de precisão girando em velocidades tão altas apresentava muitos novos problemas, e os transmissores Alexanderson eram volumosos e muito caros.
Controle de freqüência
A frequência de saída do transmissor é proporcional à velocidade do rotor. Para manter a frequência constante, a velocidade do motor elétrico girando era controlada com um loop de feedback. Em um método, uma amostra do sinal de saída é aplicada a um circuito sintonizado de Q alto , cuja frequência de ressonância está ligeiramente acima da frequência de saída. A frequência do gerador cai na "saia" da curva de impedância do circuito LC, onde a impedância aumenta rapidamente com a frequência. A saída do circuito LC é retificada e a tensão resultante é comparada com uma tensão de referência constante para produzir um sinal de feedback para controlar a velocidade do motor. Se a frequência de saída ficar muito alta, a impedância apresentada pelo circuito LC aumenta e a amplitude do sinal de RF que passa pelo circuito LC diminui. O sinal de feedback para o motor cai e o motor fica mais lento. Assim, a frequência de saída do alternador é "travada" na frequência de ressonância do circuito sintonizado.
Os conjuntos foram construídos para operar em comprimentos de onda de 10.500 a 24.000 metros (28,57 a 12,5 KHz). Isso foi realizado por três variáveis de projeto. Os alternadores foram construídos com 1220 ou 976 ou 772 pólos. Três caixas de engrenagens estavam disponíveis com relações de 2,675-2,973 e 3,324 e o motor de acionamento de 900 RPM foi operado em deslizamentos de 4% a 20%, dando velocidades de 864 a 720 RPM. Os transmissores instalados na Europa, operando com potência de 50 ciclos, tinham uma faixa de comprimento de onda de 12, 500 a 28, 800 metros, devido à velocidade mais baixa do motor de acionamento.
Vantagens de desempenho
Um grande alternador Alexanderson poderia produzir 500 kW de energia de radiofrequência de saída e seria refrigerado a água ou óleo. Uma dessas máquinas tinha 600 pares de pólos no enrolamento do estator e o rotor era acionado a 2170 RPM, para uma frequência de saída próxima a 21,7 kHz. Para obter frequências mais altas, foram necessárias velocidades de rotor mais altas, de até 20.000 RPM.
Junto com o conversor de arco inventado em 1903, o alternador Alexanderson foi um dos primeiros transmissores de rádio a gerar ondas contínuas . Em contraste, os transmissores de intervalo de centelha anteriores geravam uma sequência de ondas amortecidas . Eram eletricamente "barulhentos"; a energia do transmissor era espalhada por uma ampla faixa de frequência, de modo que interferia em outras transmissões e operava de maneira ineficiente. Com um transmissor de onda contínua, toda a energia era concentrada em uma estreita faixa de frequência , de modo que, para uma determinada potência de saída, eles podiam se comunicar por distâncias mais longas. Além disso, as ondas contínuas podem ser moduladas com um sinal de áudio para transportar o som. O alternador Alexanderson foi um dos primeiros transmissores a ser usado para transmissão AM .
O alternador Alexanderson produzia ondas contínuas "mais puras" do que o conversor de arco, cuja saída não-sinusoidal gerava harmônicos significativos , então o alternador foi preferido para telegrafia de longa distância.
Desvantagens
Por causa da velocidade de rotação extremamente alta em comparação com um alternador convencional, o alternador Alexanderson exigia manutenção contínua por pessoal qualificado. A lubrificação eficiente e o resfriamento a óleo ou água eram essenciais para a confiabilidade, o que era difícil de conseguir com os lubrificantes disponíveis na época. Na verdade, as primeiras edições do "Admiralty Handbook of Wireless Telegraphy" da Royal Navy cobrem isso em detalhes consideráveis, principalmente como uma explicação de por que a marinha não usou aquela tecnologia em particular. No entanto, a Marinha dos EUA o fez.
Outros problemas importantes eram que mudar a frequência de operação era um processo demorado e complicado e, ao contrário de um transmissor de centelha, o sinal da portadora não podia ser ligado e desligado à vontade. O último problema complicou muito a "escuta" (isto é, interromper a transmissão para ouvir qualquer resposta). Havia também o risco de permitir que os navios inimigos detectassem a presença do navio.
Devido aos limites do número de pólos e da velocidade de rotação de uma máquina, o alternador Alexanderson é capaz de gerar frequências de transmissão de até cerca de 600 kHz na faixa de onda média inferior , sendo fisicamente impossíveis as ondas curtas e as altas frequências.
Veja também
Notas
Referências
Leitura adicional
- Antique Wireless Association - coluna editada por Frank Lotito
- David E. Fisher e Marshall J. Fisher, Tube, the Invention of Television Counterpoint, Washington DC USA, (1996) ISBN 1-887178-17-1
- Hammond, John Winthrop. Men and Volts, a história da General Electric . Filadélfia e Nova York: JB Lippincott (1941), pp. 349-352, 372.
- Anotações dos anais do Instituto da Marinha de 1952 dos arquivos de MG Abernathy.
- Carta para MG Abernathy de G. Warren Clark Capitão USNR (aposentado)
- Carta ao Sr. Mayes do Tenente Francis J. Kishima Comandante da Estação Omega USCG Havaí
- Marcos: Estação de transmissão de rádio Yosami, 1929
- EFW Alexanderson, Patente dos EUA 1.008.577 Alternador de alta frequência
- N. Tesla, Patente US 447.921
links externos
- "A maior estação sem fio do mundo" (Radio Central), The Book of Radio de Charles Taussig, páginas 312-327.
- "American Marconi Station, Marion, MA" por Henry Brown
- Alexanderson Alternators at Haiku Valley, Oahu por David Jessup
- "Kahuku Marconi Wireless Station, O'ahu, Hawaii" por Jonathan H, 20 de junho de 2007
- "Marion Mass. Alternators" (galeria de fotos) por David Jessup, 2012
- "Tuckerton Wireless 1912-1955" (galeria)
- Alternador Alexanderson "The Radio Station SAQ Grimeton" preservado no Patrimônio Mundial da UNESCO em Grimeton, Suécia