Un alternador Alexanderson es una máquina rotatoria , desarrollada por Ernst Alexanderson a principios de 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 señales de amplitud modulada (AM) por radio. Se utilizó a partir de 1910 aproximadamente en algunas estaciones de radiotelegrafía de onda larga de "superpotencias" para transmitir tráfico de mensajes transoceánicos mediante código Morse a estaciones similares en todo el mundo.
Aunque fue reemplazado a principios de la década de 1920 por el desarrollo de transmisores de tubo de vacío , el alternador Alexanderson continuó utilizándose hasta la Segunda Guerra Mundial . Está en la lista de hitos del IEEE como un logro clave en ingeniería eléctrica . [1]
Después de que se descubrieran las ondas de radio en 1887, la primera generación de transmisores de radio , los transmisores de chispa , producían cadenas de ondas amortiguadas , pulsos de ondas de radio que se extinguían rápidamente. En la década de 1890, se advirtió que las ondas amortiguadas tenían desventajas: su energía se distribuía en una amplia banda de frecuencia , por lo que los transmisores en 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), generaría ondas continuas en frecuencia de radio. [2] Comenzando con Elihu Thomson en 1889, [3] [4] [5] [6] una serie de investigadores construyeron alternadores de alta frecuencia, Nikola Tesla [7] [8] (1891, 15 kHz), Salomons y Pyke [8] (1891, 9 kHz), Parsons y Ewing (1892, 14 kHz), Siemens [8] (5 kHz), BG Lamme [8] (1902, 10 kHz), pero ninguno fue capaz de alcanzar las frecuencias requeridas para la transmisión de radio, por encima de los 20 kHz. [5]
En 1904, Reginald Fessenden contrató a General Electric para un alternador que generaba una frecuencia de 100.000 hercios [ cita requerida ] para radio de onda continua. El alternador fue diseñado por Ernst Alexanderson . El alternador Alexanderson se utilizó ampliamente para comunicaciones de radio de onda larga por parte de estaciones costeras, pero era demasiado grande y pesado para ser instalado 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 .
En 1911, Alexanderson recibió una patente por su dispositivo. El alternador Alexanderson siguió al transmisor de chispa rotatorio de Fessenden como el segundo transmisor de radio en ser modulado 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 fue un importante transmisor de radio de alta potencia y permitió la transmisión por radio de modulación de amplitud de la voz humana. El último alternador Alexanderson en funcionamiento se encuentra en el transmisor VLF de Grimeton, en Suecia, y estuvo en servicio regular hasta 1996. Sigue funcionando durante unos minutos el Día de Alexanderson , que es el último domingo de junio o el primer domingo de julio de cada año.
El estallido de la Primera Guerra Mundial obligó a las naciones europeas a abandonar temporalmente el desarrollo de redes internacionales de comunicaciones por radio, 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. El británico Marconi ofreció a General Electric 5000 dólares en negocios a cambio de los derechos exclusivos para usar el alternador, pero justo cuando el trato estaba a punto de concretarse, el presidente estadounidense Woodrow Wilson solicitó que GE rechazara la oferta, lo que habría dado a los británicos (que eran los líderes en cables de comunicaciones submarinos ) el dominio sobre las comunicaciones de radio mundiales. 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. [9]
Thorn L. Mayes identificó la producción de diez pares de alternadores Alexanderson de 200 KW, con un total de 20 transmisores, en el período hasta 1924: [10] [11]
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: [12]
Durante la Segunda Guerra Mundial, la Marina de los EE. UU. reconoció la necesidad de transmisiones confiables de onda larga distante (VLF) para la flota del Pacífico. Se construyó una nueva instalación en Haiku, en Hawái, 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 comunicaciones en el océano Pacífico. [14] Ambos alternadores Haiku se vendieron para su recuperación en 1969, posiblemente a la Compañía Kreger de California.
A finales de los años 1940, la Fuerza Aérea asumió el control de las instalaciones de Haiku y Marion, en Massachusetts. La Fuerza Aérea descubrió que las transmisiones de onda larga eran más fiables que las de onda corta para enviar información meteorológica a los investigadores del Ártico, así como a las bases de Groenlandia, Labrador e Islandia. Los dos transmisores de Marion se utilizaron hasta 1957. Uno se desmanteló en 1961 y el otro, según se informa, fue entregado a la Oficina de Normas de los Estados Unidos [15] y almacenado en un almacén del Instituto Smithsoniano. [16]
El alternador Alexanderson funciona de manera similar a un generador eléctrico de CA, pero genera una corriente de mayor frecuencia, en el rango de radiofrecuencia de muy baja frecuencia (VLF). El rotor no tiene bobinados 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 lleno de material no magnético, para darle al rotor una superficie lisa que reduzca la resistencia aerodinámica. El rotor gira a alta velocidad mediante un motor eléctrico a través de una caja de cambios con multiplicador de velocidad.
La máquina funciona por reluctancia 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 juego de bobinas se energiza con corriente continua y produce un campo magnético en el entrehierro del estator, que pasa axialmente (lateralmente) a través del rotor.
A medida que el rotor gira, alternativamente, una sección de hierro del disco se encuentra en el espacio entre cada par de polos del estator, lo que permite que un alto flujo magnético cruce el espacio, o bien hay una ranura no magnética en el espacio del estator, lo que permite que pase menos flujo magnético. De este modo, el flujo magnético a través del estator varía sinusoidalmente a un ritmo rápido. 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 antena. La modulación o manipulación telegráfica de la energía de radiofrecuencia se realizaba mediante un amplificador magnético , que también se utilizaba 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 ambas cosas. Los alternadores Alexanderson se utilizaron para producir ondas de radio en el rango de frecuencias muy bajas (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 alta potencia, la holgura entre el rotor y el estator debía mantenerse a 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 caros.
La frecuencia de salida del transmisor es proporcional a la velocidad del rotor. Para mantener la frecuencia constante, la velocidad del motor eléctrico que lo hace girar se controló con un bucle de retroalimentación. En un método, una muestra de la señal de salida se aplica a un circuito sintonizado de alto Q , cuya frecuencia de resonancia es ligeramente superior a 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 se vuelve demasiado alta, la impedancia presentada por el circuito LC aumenta y la amplitud de la señal de RF que pasa por el circuito LC disminuye. La señal de retroalimentación al motor disminuye y el motor disminuye su velocidad. De este modo, la frecuencia de salida del alternador se "bloquea" con la frecuencia de resonancia del circuito sintonizado.
Los equipos se construyeron para funcionar 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, 976 o 772 polos. Había tres cajas de cambios 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%, lo que proporcionaba velocidades de 864 a 720 RPM. Los transmisores instalados en Europa, que funcionaban con energía de 50 ciclos, tenían un rango de longitud de onda de 12.500 a 28.800 metros debido a la menor velocidad del motor de accionamiento.
Un gran alternador Alexanderson podría producir 500 kW de energía de radiofrecuencia de salida y estaría refrigerado por agua o aceite. Una de estas 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 los 21,7 kHz. Para obtener frecuencias más altas, se necesitaban 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 generaban ondas continuas . En contraste, los transmisores de chispas anteriores generaban una cadena de ondas amortiguadas . Estas eran eléctricamente "ruidosas"; la energía del transmisor se distribuía en un amplio rango de frecuencias, por lo que interferían con otras transmisiones y operaban de manera ineficiente. 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 dada podían comunicarse a distancias más largas. Además, las ondas continuas podían 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 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 prefería el alternador para la telegrafía de larga distancia.
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 especializado. Una lubricación eficiente y un enfriamiento con aceite o agua eran esenciales para la confiabilidad, lo cual 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 Marina Real cubren este tema con considerable detalle, principalmente como una explicación de por qué la Marina no utilizó esa tecnología en particular. Sin embargo, la Marina de los EE. UU. sí lo hizo.
Otros problemas importantes eran que cambiar la frecuencia de operación era un proceso largo y complicado y, a diferencia de un transmisor de chispa, la señal portadora no podía encenderse y apagarse a voluntad. Este último problema complicaba enormemente la "escucha continua" (es decir, detener la transmisión para escuchar alguna 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 las frecuencias de onda corta y más altas físicamente imposibles. [a]