Alternateur Alexanderson - Alexanderson alternator

Alternateur Alexanderson de 200 kW conservé à la station de radiotélégraphie de Grimeton , en Suède, le seul exemple restant d'un émetteur Alexanderson.

Un alternateur Alexanderson est une machine tournante inventée par Ernst Alexanderson en 1904 pour la génération de courant alternatif haute fréquence à utiliser comme émetteur radio . C'était l'un des premiers appareils capables de générer les ondes radio continues nécessaires à la transmission de la modulation d'amplitude (son) par radio. Il a été utilisé à partir de 1910 environ dans quelques stations de radiotélégraphie à ondes longues "superpuissances" pour transmettre le trafic de messages transocéaniques par code Morse à des stations similaires partout dans le monde.

Bien qu'obsolète au début des années 1920 en raison du développement des émetteurs à tube à vide , l'alternateur Alexanderson a continué à être utilisé jusqu'à la Seconde Guerre mondiale . Il figure sur la liste des jalons IEEE en tant que réalisation clé en génie électrique .

Histoire

Développements antérieurs

Après la découverte des ondes radio en 1887, la première génération d' émetteurs radio , les émetteurs à éclateur , produisait des chaînes d' ondes amorties , des impulsions d'ondes radio qui s'éteignaient rapidement à zéro. Dans les années 1890, on s'est rendu compte que les vagues amorties présentaient des inconvénients; leur énergie était répartie sur une large bande de fréquence, de sorte que les émetteurs sur différentes fréquences interféraient les uns avec les autres, et ils ne pouvaient pas être modulés avec un signal audio pour transmettre le son. Des efforts ont été faits pour inventer des émetteurs qui produiraient des ondes continues , un courant alternatif sinusoïdal à une fréquence unique.

Dans une conférence de 1891, Frederick Thomas Trouton a souligné que, si un alternateur électrique fonctionnait à une vitesse de cycle suffisamment élevée (c'est-à-dire s'il tournait suffisamment vite et était construit avec un nombre suffisamment grand de pôles magnétiques sur son armature), il générer des ondes continues à fréquence radio. À partir d' Elihu Thomson en 1889, une série de chercheurs ont construit des alternateurs haute fréquence, Nikola Tesla (1891, 15 kHz), Salomons et Pyke (1891, 9 kHz), Parsons et Ewing (1892, 14 kHz.), Siemens (5 kHz ), BG Lamme (1902, 10 kHz), mais aucun n'a pu atteindre les fréquences requises pour la transmission radio, au-dessus de 20 kHz.

Ensemble moteur-alternateur Alexanderson de 200 kW installé à la station de l'US Navy à New Brunswick, NJ, 1920.

Construction

En 1904, Reginald Fessenden a passé un contrat avec General Electric pour un alternateur qui a généré une fréquence de 100 000 hertz pour la radio à ondes continues. L'alternateur a été conçu par Ernst Alexanderson . L'alternateur Alexanderson a été largement utilisé pour les communications radio à ondes longues par les stations côtières, mais était trop grand et trop lourd pour être installé sur la plupart des navires. En 1906, les premiers alternateurs de 50 kilowatts sont livrés. L'un était à Reginald Fessenden à Brant Rock, Massachusetts , un autre à John Hays Hammond, Jr. à Gloucester, Massachusetts et un autre à l' American Marconi Company au Nouveau-Brunswick, New Jersey .

Alexanderson recevrait un brevet en 1911 pour son appareil. L'alternateur d'Alexanderson a suivi l'émetteur à éclateur rotatif de Fessenden en tant que deuxième émetteur radio à moduler pour transmettre la voix humaine. Jusqu'à l'invention des oscillateurs à tube à vide (valve) en 1913, tels que l' oscillateur Armstrong , l'alternateur Alexanderson était un important émetteur radio haute puissance et permettait la transmission radio à modulation d'amplitude de la voix humaine. Le dernier alternateur d'Alexanderson utilisable se trouve à l' émetteur VLF Grimeton en Suède et a été en service régulier jusqu'en 1996. Il continue à fonctionner pendant quelques minutes le jour d'Alexanderson , qui est soit le dernier dimanche de juin, soit le premier dimanche de juillet de chaque année. .

La Première Guerre mondiale et la formation de RCA

Le déclenchement de la Première Guerre mondiale a forcé les nations européennes à abandonner temporairement le développement de réseaux de communications radio internationaux, tandis que les États-Unis ont accru leurs efforts pour développer la radio transocéanique. À la fin de la guerre, l'alternateur Alexanderson fonctionnait pour fournir de manière fiable un service radio transocéanique. Le Britannique Marconi a offert 5 000 $ à General Electric en échange de droits exclusifs d'utilisation de l'alternateur, mais juste au moment où l'accord était sur le point d'être conclu, le président américain Woodrow Wilson a demandé à GE de décliner l'offre, ce qui aurait donné aux Britanniques (qui étaient le leader des câbles sous-marins ) domination sur les communications radio mondiales. GE a accédé à la demande et s'est associé à American Telephone and Telegraph (AT&T), United Fruit Company , Western Electric Company et Westinghouse Electric and Manufacturing Company pour former la Radio Corporation of America (RCA), donnant aux entreprises américaines le contrôle de la radio américaine. pour la première fois.

Gares

Thorn L. Mayes a identifié la production de dix paires d'alternateurs 200 KW Alexanderson, totalisant 20 émetteurs, dans la période allant jusqu'en 1924 :

Non. Emplacement appel
signe
Longueur d'onde (m) Fréquence (kHz) installée Au ralenti Mis au rebut Remarques
1 Nouveau-Brunswick , New Jersey , États-Unis WII 13 761 21,8 6/1918 1948 1953 Remplacement d'un alternateur de 50 KW installé en février 1917
2 WRT 13 274 22,6 2/1920 1948 1953
3 Marion , Massachusetts , États-Unis WQR 13 423 22.3 4/1920 1932 1961 Remplacement d'un émetteur d'étincelle temporisé Marconi
4 WSO 11,628 25,8 7/1922 1932 1969 À Haiku, Hawaï en 1942
5 Bolinas , Californie , États-Unis KET 13.100 22,9 10/1920 1930 1946 Remplacement d'un émetteur d'étincelle temporisé Marconi
6 KET 15 600 19.2 1921 1930 1969 À Haiku, Hawaï en 1942
7 Radio Central, Rocky Point , New York , États-Unis WQK 16 484 18.2 11/1921 1948 1951
8 WSS 15 957 18,8 1921 1948 À Marion, Massachusetts 1949. Plus tard Smithsonian Institution .
9 Kahuku , Hawaï , États-Unis KGI 16 120 18.6 1920 1930 1938
dix KIE 16 667 18,0 1921 1930 1938
11 Tuckerton , New Jersey, États-Unis WCI 16 304 18,4 3/1921 1948 1955 Remplacement d'un alternateur Goldschmidt
12 WGG 13 575 22.1 1922 1948 1955
13 Caernarvon, Pays de Galles, Royaume-Uni MUU 14 111 21.2 4/1921 1939
14 GLC 9,592 31,3 1921 1939
15 Varberg, Suède SAQ 17 442 17.2 1924 1946 1960 Initialement 18.600 m, connexion parallèle
16 SAQ 17 442 17.2 1924 1946 Opérationnel Conservé à Grimeton, Suède.
17 Warsaw, Pologne AXO 21 127 14.2 12/1923 Saisie par l'armée allemande 9/1939, qui a détruit les gares en 1945
18 AXL 18 293 16.4 1923
19 Pernambouc, Recife, Brésil jamais 1927 Livré en 1924, retourné à Radio Central Rocky Point en 1926 car des émetteurs à tube à vide plus efficaces étaient désormais disponibles
20 jamais 1927

Utilisation militaire américaine pendant et après la Seconde Guerre mondiale

À partir de 1941, sept des vingt alternateurs d'origine de 200 KW ont été mis en service par l'US Navy et l'Air Force :

Non. Emplacement appel
Connexion

Emplacement d' origine

Opération de la Marine

Opération de l'Armée de l'Air
Mis au rebut
1 Haïku, Hawaï Marion, Massachusetts (WSO) 1942-1946 1947-1957 1969
2 Bolinas, Californie (KET) 1942-1946 1947-1957 1969
3 Marion, Massachusetts Marion, Massachusetts (WQR) 1941-1948 1949-1957 1961
4 AFA2 Radio centrale (WSS) 1949-1957 Smithsonian
5 Tuckerton, New Jersey Tuckerton, New Jersey (WCI) 1942-1948 1955
6 Tuckerton, New Jersey (WGG) 1942-1948 1955
7 Bolinas, Californie Bolinas, Californie (KET) 1942-1946 1946

Au cours de la Seconde Guerre mondiale, la marine américaine a reconnu le besoin de transmissions à ondes longues distantes fiables (VLF) vers la flotte du Pacifique. Une nouvelle installation a été construite à Haiku à Hawaï, où deux alternateurs 200 KW Alexanderson transférés du continent ont été installés. La Marine a également exploité un émetteur existant à Bolinas, en Californie, à nouveau pour la communication avec l'océan Pacifique. Les deux alternateurs Haiku ont été vendus pour être récupérés en 1969, peut-être à Kreger Company of California.

À la fin des années 1940, l'Air Force a pris le contrôle des installations de Haiku et de Marion, dans le Massachusetts. L'Air Force a découvert que les transmissions en ondes longues étaient plus fiables que les ondes courtes lors de l'envoi d'informations météorologiques aux chercheurs de l'Arctique ainsi qu'aux bases du Groenland, du Labrador et de l'Islande. Les deux émetteurs Marion ont été utilisés jusqu'en 1957. L'un a été mis au rebut en 1961 et l'autre aurait été remis au US Bureau of Standards et stocké dans un entrepôt de la Smithsonian Institution.

Concevoir

Rotor d'alternateur 200 kW
Gros plan du rotor ci-dessus. Il a 300 fentes étroites coupées à travers le rotor. Les "dents" entre les fentes sont les pôles magnétiques de la machine.

L'alternateur Alexanderson fonctionne de la même manière qu'un générateur électrique CA, mais génère un courant de fréquence plus élevée, dans la gamme de fréquences radio à très basse fréquence (VLF). Le rotor n'a pas d'enroulements conducteurs ou de connexions électriques ; il se compose d'un disque solide en acier magnétique à haute résistance à la traction, avec des fentes étroites découpées dans sa circonférence pour créer une série de « dents » étroites qui fonctionnent comme des pôles magnétiques. L'espace entre les dents est rempli de matériau non magnétique, pour donner au rotor une surface lisse pour diminuer la traînée aérodynamique. Le rotor est entraîné à grande vitesse par un moteur électrique.

La machine fonctionne par réluctance variable (semblable à un micro de guitare électrique ), modifiant le flux magnétique reliant deux bobines. La périphérie du rotor est entourée d'un stator circulaire en fer de section transversale en forme de C, divisé en pôles étroits, du même nombre que le rotor, portant deux jeux de bobines. Un ensemble de bobines est alimenté en courant continu et produit un champ magnétique dans l'entrefer du stator, qui passe axialement (latéralement) à travers le rotor.

Au fur et à mesure que le rotor tourne, soit une section de fer du disque se trouve dans l'entrefer entre chaque paire de pôles du stator, permettant à un flux magnétique élevé de traverser l'entrefer, soit une fente non magnétique se trouve dans l'entrefer du stator, permettant moins de magnétisme flux à passer. Ainsi, le flux magnétique à travers le stator varie de manière sinusoïdale à une vitesse rapide. Ces changements de flux induisent une tension radiofréquence dans un deuxième ensemble de bobines sur le stator.

Les bobines du collecteur RF sont toutes interconnectées par un transformateur de sortie , dont l'enroulement secondaire est connecté au circuit d'antenne. La modulation ou la saisie télégraphique de l'énergie radiofréquence était effectuée par un amplificateur magnétique , qui était également utilisé pour la modulation d'amplitude et les transmissions vocales.

La fréquence du courant généré par un alternateur Alexanderson en hertz est le produit du nombre de pôles du rotor et des tours par seconde. Des fréquences radio plus élevées nécessitent donc plus de pôles, une vitesse de rotation plus élevée, ou les deux. Les alternateurs Alexanderson ont été utilisés pour produire des ondes radio dans la gamme des très basses fréquences (VLF), pour la communication sans fil transcontinentale. Un alternateur typique avec une fréquence de sortie de 100 kHz avait 300 pôles et tournait à 20 000 tours par minute (RPM) (333 tours par seconde). Pour produire une puissance élevée, le jeu entre le rotor et le stator devait être maintenu à seulement 1 mm. La fabrication de machines de précision tournant à des vitesses aussi élevées a présenté de nombreux nouveaux problèmes, et les émetteurs Alexanderson étaient encombrants et très coûteux.

Contrôle de fréquence

La fréquence de sortie de l'émetteur est proportionnelle à la vitesse du rotor. Pour maintenir la fréquence constante, la vitesse du moteur électrique le faisant tourner était contrôlée par une boucle de rétroaction. Dans un procédé, un échantillon du signal de sortie est appliqué à un circuit accordé à Q élevé , dont la fréquence de résonance est légèrement supérieure à la fréquence de sortie. La fréquence du générateur tombe sur la "jupe" de la courbe d'impédance du circuit LC, où l'impédance augmente rapidement avec la fréquence. La sortie du circuit LC est redressée et la tension résultante est comparée à une tension de référence constante pour produire un signal de retour pour contrôler la vitesse du moteur. Si la fréquence de sortie devient trop élevée, l'impédance présentée par le circuit LC augmente et l'amplitude du signal RF traversant le circuit LC diminue. Le signal de retour vers le moteur chute et le moteur ralentit. Ainsi, la fréquence de sortie de l'alternateur est "verrouillée" sur la fréquence de résonance du circuit accordé.

Les ensembles ont été construits pour fonctionner à des longueurs d'onde de 10 500 à 24 000 mètres (28,57 à 12,5 KHz). Cela a été accompli par trois variables de conception. Les alternateurs ont été construits avec 1220 ou 976 ou 772 pôles. Trois boîtes de vitesses étaient disponibles avec des rapports de 2,675 à 2,973 et 3,324 et le moteur d'entraînement à 900 tr/min fonctionnait à des glissements de 4 % à 20 %, donnant des vitesses de 864 à 720 tr/min. Les émetteurs installés en Europe, fonctionnant sur une puissance de 50 cycles, avaient une gamme de longueurs d'onde de 12 500 à 28 800 mètres en raison de la vitesse inférieure du moteur d'entraînement.

Avantages en termes de performances

Un gros alternateur Alexanderson pourrait produire 500 kW d'énergie radiofréquence et serait refroidi à l'eau ou à l'huile. Une de ces machines avait 600 paires de pôles dans l'enroulement du stator et le rotor était entraîné à 2170 tr/min, pour une fréquence de sortie proche de 21,7 kHz. Pour obtenir des fréquences plus élevées, des vitesses de rotor plus élevées étaient nécessaires, jusqu'à 20 000 tr/min.

Avec le convertisseur à arc inventé en 1903, l'alternateur Alexanderson a été l'un des premiers émetteurs radio à générer des ondes continues . En revanche, les premiers émetteurs à éclateur généraient une chaîne d' ondes amorties . Ceux-ci étaient électriquement « bruyants » ; l'énergie de l'émetteur était répartie sur une large gamme de fréquences, de sorte qu'ils interféraient avec d'autres transmissions et fonctionnaient de manière inefficace. Avec un émetteur à ondes continues, toute l'énergie était concentrée dans une bande de fréquence étroite , de sorte que pour une puissance de sortie donnée, ils pouvaient communiquer sur de plus longues distances. De plus, les ondes continues pourraient être modulées avec un signal audio pour transporter le son. L'alternateur Alexanderson a été l'un des premiers émetteurs à être utilisé pour la transmission AM .

L'alternateur d'Alexanderson produisait des ondes continues « plus pures » que le convertisseur à arc, dont la sortie non sinusoïdale générait des harmoniques importantes , de sorte que l'alternateur était préféré pour la télégraphie longue distance.

Désavantages

En raison de la vitesse de rotation extrêmement élevée par rapport à un alternateur conventionnel, l'alternateur Alexanderson nécessitait une maintenance continue par du personnel qualifié. Une lubrification efficace et un refroidissement à l'huile ou à l'eau étaient essentiels pour une fiabilité difficile à atteindre avec les lubrifiants disponibles à l'époque. En fait, les premières éditions du "Admiralty Handbook of Wireless Telegraphy" de la Royal Navy couvrent cela de manière très détaillée, principalement pour expliquer pourquoi la marine n'a pas utilisé cette technologie particulière. Cependant, la marine américaine l'a fait.

D'autres problèmes majeurs étaient que le changement de fréquence de fonctionnement était un processus long et compliqué, et contrairement à un émetteur à étincelles, le signal porteur ne pouvait pas être activé et désactivé à volonté. Ce dernier problème a grandement compliqué "l'écoute" (c'est-à-dire l'arrêt de la transmission pour écouter une réponse). Il y avait aussi le risque que cela permette aux navires ennemis de détecter la présence du navire.

En raison des limites du nombre de pôles et de la vitesse de rotation d'une machine, l'alternateur Alexanderson est capable de générer des fréquences de transmission jusqu'à environ 600 kHz dans la bande inférieure des ondes moyennes , les ondes courtes et les fréquences supérieures étant physiquement impossibles.

Voir également

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

Liens externes