Un alternador Alexanderson es una máquina rotativa 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 señales de amplitud modulada por radio. Se utilizó aproximadamente desde 1910 en algunas estaciones de radiotelegrafía de onda larga de "superpotencia" 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 IEEE Milestones como logro clave en ingeniería eléctrica . [1]
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 extinguían rápidamente hasta llegar a cero. En la década de 1890 se comprendió que las olas amortiguadas tenían desventajas; su energía estaba distribuida 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 a 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. [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 logró alcanzar las frecuencias requeridas. para transmisión de radio, por encima de 20 kHz. [5]
En 1904, Reginald Fessenden contrató a General Electric para un alternador que generaba una frecuencia de 100.000 hercios [ cita necesaria ] para radio de onda continua. El alternador fue diseñado por Ernst Alexanderson . El alternador Alexanderson se utilizaba ampliamente 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 rotatorio de chispas 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 era un importante transmisor de radio de alta potencia y permitía la transmisión de radio por modulación de amplitud de la voz humana. El último alternador Alexanderson que queda en funcionamiento 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. .
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 incrementó 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 5.000 dólares en negocios a cambio de 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 estaban el líder en cables de comunicaciones submarinos ) dominio sobre las comunicaciones por radio a nivel mundial. 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 la Radio Corporation of America (RCA), otorgando 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 Armada 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, Hawaii, donde se instalaron dos alternadores Alexanderson de 200 KW transferidos desde el continente. La Armada también operó un transmisor existente en Bolinas, California, nuevamente para comunicaciones con el océano Pacífico. [14] Ambos alternadores Haiku se vendieron para su recuperación en 1969, posiblemente a Kreger Company de 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 cuando enviaban información meteorológica a investigadores del Ártico, así como a bases en Groenlandia, Labrador e Islandia. Los dos transmisores Marion se utilizaron hasta 1957. Uno fue desguazado en 1961 y el otro, según se informa, fue entregado a la Oficina de Normas de EE. UU. [15] y almacenado en un almacén del Instituto Smithsonian. [dieciséis]
El alternador Alexanderson funciona de manera similar a un generador eléctrico de CA, pero genera corriente de mayor frecuencia, en el rango de radiofrecuencia 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 estrechas ranuras cortadas en su circunferencia para crear una serie de "dientes" estrechos que funcionan como polos magnéticos. El espacio entre los dientes se llena con material no magnético para darle al rotor una superficie lisa y disminuir la resistencia aerodinámica. El rotor es girado a alta velocidad por un motor eléctrico a través de una caja de cambios incrementadora de velocidad.
La máquina funciona mediante reluctancia variable (similar a la pastilla de una guitarra eléctrica ), cambiando el flujo magnético que une dos bobinas. La periferia del rotor está abrazada por un estator circular de hierro con sección en forma de C, dividido en polos estrechos, el mismo número que tiene el rotor, que llevan dos juegos de bobinas. Un conjunto 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 menos flujo magnético. flujo para pasar. Por tanto, el flujo magnético a través del estator varía de forma sinusoidal a una velocidad rápida. Estos cambios de flujo inducen un voltaje de radiofrecuencia en un segundo conjunto de bobinas del 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 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 por 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. Se utilizaron alternadores Alexanderson para producir ondas de radio en el rango de muy baja frecuencia (VLF), para comunicaciones inalámbricas transcontinentales. 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 sólo 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 giraba se controlaba mediante 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 el "faldón" 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 aumenta demasiado, la impedancia presentada por el circuito LC aumenta y la amplitud de la señal de RF que pasa a través del circuito LC disminuye. La señal de retroalimentación al motor cae y el motor se desacelera. Por lo tanto, la frecuencia de salida del alternador está "bloqueada" a la frecuencia resonante del circuito sintonizado.
Los aparatos fueron construidos para funcionar a 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. Estaban disponibles tres cajas de cambios con relaciones de 2.675, 2.973 y 3.324 y el motor impulsor 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 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 impulsor.
Un alternador Alexanderson grande 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 los 21,7 kHz. Para obtener frecuencias más altas, se requerían 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 generaba ondas continuas . Por el contrario, los primeros transmisores de chispas generaban una cadena de ondas amortiguadas . Estos eran eléctricamente "ruidosos"; la energía del transmisor se distribuía en un amplio rango de frecuencia, 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 determinada podían comunicarse a distancias más largas. Además, las ondas continuas podrían modularse con una señal de audio para transportar sonido. El alternador Alexanderson fue uno de los primeros transmisores que se utilizó 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 prefirió 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 requirió un mantenimiento continuo por parte de personal calificado. Una lubricación eficiente y una refrigeración por aceite o agua eran esenciales para una confiabilidad 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 utilizó esa tecnología en particular. Sin embargo, la Marina de los EE. UU. sí lo hizo.
Otros problemas importantes fueron que cambiar la frecuencia operativa 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. Este último problema complicó enormemente la "escucha" (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 aproximadamente 600 kHz en la banda de onda media inferior , siendo físicamente imposible la onda corta y las frecuencias más altas. [a]