알렉산더슨 교류발전기

Alexanderson alternator
알렉산더슨 송신기의 유일한 예인 스웨덴 그리톤 방사형그래피역에 보존된 200kW 알렉산더슨 교류발전기.

알렉산더슨 교류 발전기는 에른스트 알렉산더슨이 1904년 고주파 교류 발전을 위해 발명한 회전 기계로, 전파 송신기로 사용된다. 그것은 진폭 변조(음향)의 무선 전송에 필요한 연속 전파를 발생시킬 수 있는 최초의 장치 중 하나였다. 1910년경부터 모스 코드에 의한 트랜소션 메시지 트래픽을 전 세계의 유사한 방송국으로 전송하기 위해 몇 개의 "슈퍼파워" 롱웨이브 방사선의 방송국에서 사용되었다.

진공관 송신기의 개발로 1920년대 초까지 구식이 되었지만, 알렉산더슨 교류 발전기는 제2차 세계 대전까지 계속 사용되었다. 전기공학에서 핵심 성과로 IEEE 마일스톤 목록에 올라 있다.[1]

역사

선행개발

1887년 전파가 발견된 후, 1세대 전파 송신기스파크 송신기는 습한 파동의 끈, 즉 전파의 펄스를 생성하여 0까지 빠르게 소멸하였다. 1890년대에 이르러 축축한 파동에 단점이 있다는 것을 알게 되었다; 그들의 에너지는 넓은 주파수 대역폭에 걸쳐 확산되어 서로 다른 주파수의 송신기가 서로 간섭을 하고, 그들은 소리를 전달하기 위한 오디오 신호로 변조될 수 없었다. 단일 주파수에서 정현상 교류인 연속파를 생성하는 송신기를 개발하기 위한 노력이 이루어졌다.

1891년 강연에서 프레드릭 토머스 트라톤은 전기 교류 발전기가 충분한 사이클 속도로 작동한다면(즉, 충분히 빠르게 회전하고 전기자에 충분한 수의 자기 극을 가지고 건설되었다면) 무선 주파수에서 연속적인 파동을 발생시킬 것이라고 지적했다.[2] 엘리 후 톰슨과 1889,[3][4][5][6]에 시작된 연구원들 일련의 것이었지만 아무것도, 20이상의 주파수 라디오 전송에 필요한 만질 수 있고주파 alternators, 니콜라 Tesla[7][8](1891년, 15kHz), Salomons과 Pyke[8](1891년, 9kHz), 파슨즈, 유잉(1892년, 14kHz이다.), Siemens[8](5kHz), B.G.Lamme[8](1902년, 10kHz)을 지었다. kHz.[5]

1920년 NJ역 뉴브런즈윅에 설치된 알렉산더슨 200kW 모터 대체기 세트.

건설

1904년에 Reginald Fessenden은 연속파 라디오를 위해 10만 헤르츠의[citation needed] 주파수를 생성하는 교류 발전기를 위해 General Electric과 계약했다. 교류 발전기는 에른스트 알렉산더슨이 설계했다. 알렉산더슨 교류 발전기는 해안국의 장파 무선 통신에 광범위하게 사용되었지만, 너무 크고 무거워서 대부분의 배에는 설치되지 못했다. 1906년에 최초의 50 킬로와트 교류 발전기가 배달되었다. 하나는 매사추세츠주 브란트록의 레지날드 페센덴, 다른 하나는 매사추세츠주 글로스터의 존 헤이스 해먼드 주니어, 그리고 다른 하나는 뉴저지주 뉴브런즈윅에 있는 아메리칸 마르코니 컴퍼니였다.

알렉산더슨은 1911년에 그의 장치로 특허를 받을 것이다. 알렉산더슨 교류 발전기는 페센덴의 회전식 스파크 갭 송신기를 따라 인간의 목소리를 전달하기 위해 변조되는 두 번째 무선 송신기로서 그 뒤를 따랐다. 암스트롱 오실레이터와 같은 1913년 진공관(밸브) 오실레이터가 발명되기 전까지 알렉산더슨 교류 발전기는 중요한 고출력 무선 송신기였으며, 인간 음성의 진폭 변조 무선 전송을 허용했다. 마지막으로 작동 가능한 알렉산더슨 교류발전기는 스웨덴의 VLF 송신기 그리메톤에 있으며 1996년까지 정기적으로 사용 중이었다. 매년 6월의 마지막 일요일이나 7월의 첫 일요일인 알렉산더슨 데이에 몇 분 동안 계속 운영된다.

제1차 세계 대전과 RCA 형성

제1차 세계대전의 발발은 유럽 국가들이 국제 무선 통신망의 개발을 일시적으로 포기하도록 강요했고, 미국은 대양수 라디오를 개발하려는 노력을 증가시켰다. 전쟁이 끝날 무렵 알렉산더슨 교류 발전기는 신뢰할 수 있는 대양성 무선 서비스를 제공하기 위해 작동하고 있었다. 영국 마르코니는 교류발전기 독점 사용권을 대가로 제너럴 일렉트릭(GE)에 5000달러(약 5200만원)의 사업을 제안했지만 협상이 막 진행되려는 시점에 우드로 윌슨 미국 대통령이 GE의 제안을 거절할 것을 요청해 영국이 (잠수함 케이블 선두주자인) 전 세계 무선통신에 대한 지배권을 갖게 했을 것이다.무통신의 GE는 이 요청을 받아들여 아메리칸 전화텔레그래프(AT&T), 유나이티드 프루트 컴퍼니, 웨스턴 전기 및 제조 컴퍼니 등과 함께 미국 라디오 컴퍼니(RCA)를 결성, 미국 기업 최초로 미국 라디오에 대한 통제권을 부여했다.[9]

스테이션

손 L. 메이스는 1924년까지의 기간 동안 총 20개의 송신기인 200KW 알렉산더슨 교류 발전기 10쌍의 생산을 확인했다.[10][11]

아니요. 위치 부르다
서명하다
파장(m) 주파수(kHz) 설치된. 아이들드 폐기된 언급
1 미국 뉴저지뉴브런즈윅 WI 13,761 21.8 6/1918 1948 1953 1917년 2월에 설치된 50KW 교류발전기 교체
2 WRT 13,274 22.6 2/1920 1948 1953
3 미국 매사추세츠마리온 WQR 13,423 22.3 4/1920 1932 1961 마르코니 타이밍 스파크 송신기 교체
4 WSO 11,628 25.8 7/1922 1932 1969 1942년 하와이 하이쿠로
5 미국 캘리포니아볼리나스 케트 13,100 22.9 10/1920 1930 1946 마르코니 타이밍 스파크 송신기 교체
6 케트 15,600 19.2 1921 1930 1969 1942년 하와이 하이쿠로
7 미국 뉴욕 록키 포인트 라디오 센트럴 WQK 16,484 18.2 11/1921 1948 1951
8 WSS 15,957 18.8 1921 1948 1949년 매사추세츠의 마리온으로. 후기 스미스소니언 협회.
9 미국 하와이 카후쿠 KGI 16,120 18.6 1920 1930 1938
10 KIE 16,667 18.0 1921 1930 1938
11 미국 뉴저지 주 터커턴 WCI 16,304 18.4 3/1921 1948 1955 골드슈미트 교류발전기 교체
12 WGG 13,575 22.1 1922 1948 1955
13 영국 웨일스 카에나본 무우 14,111 21.2 4/1921 1939
14 GLC 9,592 31.3 1921 1939
15 스웨덴 바르베르크 SAQ 17,442 17.2 1924 1946 1960 초기 18.600m, 병렬 연결
16 SAQ 17,442 17.2 1924 1946 운영 스웨덴 그리메톤에 보존되어 있다.
17 폴란드 바르샤바 악소 21,127 14.2 12/1923 1945년 역을 파괴한 독일군 9/1939에 의해 붙잡혔다.
18 액슬 18,293 16.4 1923
19 브라질 레시페의 페르남부코 결코 하지 않다 1927 1924년 인도, 1926년 라디오 센트럴 록키 포인트로 복귀한 이유는 보다 효율적인 진공관 송신기가 현재 사용 가능했기 때문이다.
20 결코 하지 않다 1927

제2차 세계 대전 중 및 이후의 미군 사용

1941년부터는 미 해군과 공군에 의해 20개의 200KW 교류 발전기 중 7개가 가동되었다.[12]

아니요. 위치 부르다
서명
오리지
위치
네이비
작전
공군
작전
폐기된
1 하와이 하이쿠 매사추세츠 주 마리온(WSO) 1942-1946 1947-1957 1969
2 볼리나스, 캘리포니아(KET) 1942-1946 1947-1957 1969
3 매사추세츠 주 마리온 매사추세츠 주 마리온(WQR) 1941-1948 1949-1957 1961
4 AFA2[13] 라디오 중앙(WSS) 1949-1957 스미스소니언
5 뉴저지 주 터커턴 터커튼, 뉴저지 주(WCI) 1942-1948 1955
6 터커튼, 뉴저지 주(WGG) 1942-1948 1955
7 캘리포니아 볼리나스 볼리나스, 캘리포니아(KET) 1942-1946 1946

제2차 세계 대전 동안 미 해군은 태평양 함대에 신뢰할 수 있는 원거리 장파(VLF) 전송의 필요성을 인식했다. 하와이 하이쿠에 새로운 시설이 건설되어 본토에서 이송된 200KW 알렉산더슨 교류발전기 2대가 설치되었다. 해군은 또 태평양 통신을 위해 캘리포니아 볼리나스에서 기존 송신기를 다시 운용했다.[14] 두 하이쿠 교류 발전기는 1969년에 캘리포니아의 크레거 컴퍼니에 매각되었다.

1940년대 후반 공군은 메사추세츠 하이쿠와 마리온의 시설을 장악했다. 공군은 그린란드, 래브라도, 아이슬란드 기지뿐 아니라 북극 연구자들에게 기상 정보를 보낼 때 장파 송신이 단파보다 더 신뢰할 수 있다는 사실을 알아냈다. 두 대의 마리온 송신기는 1957년까지 사용되었다. 한 대는 1961년 폐기됐고 다른 한 대는 미국[15] 표준국에 넘겨져 스미스소니언 연구소 창고에 보관된 것으로 알려졌다.[16]

디자인

200kW 교류발전기의 로터
위 로터의 클로즈업. 로터를 통해 절단된 300개의 좁은 슬롯이 있다. 슬롯 사이의 "테스"는 기계의 자기 극이다.

알렉산더슨 교류 발전기는 AC 전기 발전기와 유사하게 작동하지만 매우 낮은 주파수(VLF) 무선 주파수 범위에서 더 높은 주파수 전류를 발생시킨다. 로터는 전도성 권선이나 전기 연결부가 없으며, 높은 인장강도 자기강으로 된 솔리드 디스크로 구성되며, 둘레에 좁은 슬롯이 잘려 자기극으로 기능하는 일련의 좁은 "티"를 만든다. 톱니 사이의 공간은 자성이 없는 물질로 채워져 있어 로터가 매끄러운 표면을 만들어 공기역학적 드래그를 감소시킨다. 로터는 전기 모터에 의해 고속으로 회전한다.

이 기계는 가변 저항(전기 기타 픽업과 유사)에 의해 작동하며 두 코일을 연결하는 자속을 변화시킨다. 로터의 주변부는 C자 모양의 단면을 가진 원형 철 스테이터에 의해 두 세트의 코일을 운반하는 로터가 가진 것과 같은 숫자의 좁은 극으로 나뉜다. 코일 한 세트는 직류로 통전되어 스테이터의 공극에 자기장을 생성하며, 이 자기장은 로터를 통해 축방향(측면)으로 통과한다.

로터가 회전할 때 디스크의 철제 부분이 각 스테이터 폴 쌍 사이의 틈새에 있어 높은 자속이 그 틈을 통과할 수 있고 그렇지 않으면 비자기성 슬롯이 스테이터 틈새에 있어 자속이 덜 통과할 수 있다. 따라서 스테이터를 통과하는 자속은 빠른 속도로 정맥동적으로 변화한다. 이러한 플럭스의 변화는 스테이터의 두 번째 코일 세트의 무선 주파수 전압을 유도한다.

RF 수집기 코일은 모두 출력 변압기에 의해 상호 연결되며, 출력 변압기는 2차 권선이 안테나 회로에 연결되어 있다. 무선 주파수 에너지의 변조 또는 전신 키잉자기 증폭기에 의해 이루어졌으며, 진폭 변조 및 음성 전송에도 사용되었다.

헤르츠 단위로 알렉산더슨 교류 발전기가 생성하는 전류의 주파수는 로터 폴 수와 초당 회전수의 산물이다. 따라서 높은 무선 주파수는 더 많은 극, 더 높은 회전 속도 또는 둘 모두를 필요로 한다. 알렉산더슨 교류 발전기는 대륙 간 무선 통신을 위해 매우 낮은 주파수(VLF) 범위에서 전파를 생산하는데 사용되었다. 출력 주파수가 100kHz인 일반적인 교류 발전기는 300개의 극을 가지며 분당 2만 회전(RPM)으로 회전한다(초당 333회전). 높은 전력을 생산하기 위해서는 로터와 스테이터 사이의 간격이 1mm로 유지되어야 했다. 그렇게 빠른 속도로 회전하는 정밀 기계 제조는 많은 새로운 문제를 야기시켰고, 알렉산더슨 송신기는 부피가 크고 매우 비쌌다.

주파수 제어

송신기의 출력 주파수는 로터의 속도에 비례한다. 주파수를 일정하게 유지하기 위해 전기 모터가 회전하는 속도를 피드백 루프로 제어했다. 한 가지 방법으로, 공진 주파수가 출력 주파수보다 약간 높은 고Q 튜닝 회로에 출력 신호의 샘플을 적용한다. 발전기의 주파수는 LC 회로 임피던스 곡선의 "스커트"에 해당하는데, 여기서 주파수와 함께 임피던스가 급격히 증가한다. LC 회로의 출력은 정류되며, 결과 전압을 일정한 기준 전압과 비교하여 모터 속도를 제어하는 피드백 신호를 생성한다. 출력 주파수가 너무 높아지면 LC 회로에 의해 제시된 임피던스가 증가하고, LC 회로를 통과하는 RF 신호의 진폭이 감소한다. 모터에 대한 피드백 신호가 떨어지고 모터 속도가 느려진다. 따라서 교류 발전기 출력 주파수는 튜닝된 회로 공명 주파수에 "잠금"된다.

1만500~2만4000m(28.57~12.5KHz)의 파장에서 작동하도록 제작됐다. 이것은 세 가지 설계 변수에 의해 달성되었다. 교류 발전기는 1220개 또는 976개 또는 772개의 극으로 건설되었다. 기어박스 3개를 2.675-2.973과 3.324의비율로 사용할 4%있었고 900RPM 구동모터를 수 ~20%의 미끄러짐으로 작동해 864~720RPM의 속도를 냈으며, 50사이클 전력으로 작동하는 유럽에 설치된 송신기는 구동모터의 속도가 낮아 12,500~28, 800m의 파장범위를 갖췄다.

성능 이점

대형 알렉산더슨 교류 발전기는 500 kW의 출력 무선 주파수 에너지를 생산할 수 있으며 수냉식 또는 오일 냉각식이다. 그러한 기계 중 하나는 스테이터 권선에 600극 쌍이 있었고, 로터는 21.7kHz에 가까운 출력 주파수를 위해 2170rpm으로 구동되었다. 더 높은 주파수를 얻기 위해서는 최대 20,000 RPM의 더 높은 로터 속도가 필요했다.

1903년에 발명된 아크 컨버터와 함께 알렉산더슨 교류 발전기는 연속파를 발생시킨 최초의 무선 송신기 중 하나이다. 이와는 대조적으로, 이전의 스파크 갭 송신기는 일련의 축축한 파동을 발생시켰다. 이것들은 전기적으로 "소음"이었고, 송신기의 에너지가 넓은 주파수 범위에 걸쳐 퍼져 있어서 다른 전송을 방해하고 비효율적으로 작동했다. 연속파 송신기로, 모든 에너지는 좁은 주파수 대역 안에 집중되었기 때문에 주어진 출력 전력의 경우 더 먼 거리에서 통신할 수 있었다. 또한, 연속 파장은 소리를 전달하기 위해 오디오 신호로 변조될 수 있다. 알렉산더슨 교류 발전기는 AM 전송에 사용된 최초의 송신기 중 하나이다.

알렉산더슨 교류 발전기는 아크 컨버터보다 "순수" 연속파를 생성했는데, 비무소형 출력이 상당한 고조파를 생성했기 때문에 장거리 전보를 위해 교류 발전기를 선호했다.

단점들

기존 교류발전기에 비해 회전속도가 매우 높기 때문에 알렉산더슨 교류발전기는 숙련된 인력에 의한 지속적인 유지보수가 필요했다. 당시 사용 가능한 윤활유로는 달성하기 어려웠던 신뢰성에 대해 효율적인 윤활유와 오일 또는 수냉이 필수적이었다. 사실, 영국 해군의 "무선전신의 충성편람" 초판에서는 이것을 상당히 상세하게 다루고 있는데, 주로 왜 해군이 그 특정 기술을 사용하지 않았는지에 대한 설명으로 다루고 있다. 하지만 미 해군은 그랬다.

또 다른 주요 문제점은 작동 주파수를 변경하는 과정이 길고 복잡하며, 스파크 송신기와 달리 반송파 신호는 마음대로 켜고 끌 수 없다는 것이었다. 후자의 문제는 "수신하는 것"(즉, 어떤 대답을 듣기 위해 송신을 중지하는 것)을 크게 복잡하게 만들었다. 적 함정이 선체의 존재를 탐지할 수 있도록 할 위험성도 있었다.

알렉산더슨 교류발전기는 극의 수와 기계의 회전속도의 한계 때문에 저중파 대역에서 약 600kHz의 전송 주파수를 발생시킬 수 있으며 단파 및 고주파는 물리적으로 불가능하다.[a]

참고 항목

메모들

  1. ^ 오늘날에는 더 높은 주파수에서 작동하는 알렉산더슨 교류발전기(예를 들어, 30만 RPM에서 회전하는 1만극 회전자를 가진 알렉산더슨 교류발전기는 VHF 대역의 낮은 부분까지 50 MHz의 전송 주파수를 생성한다)를 제작하는 것이 기술적으로 가능하지만, 라를 허용하는 데 필요한 기술의 발전은 필요했다.치명적인 고장을 겪지 않고 필요한 엄청나게 빠른 속도로 회전해야 하는 rge 로터는 알렉산더슨 교류 발전기가 쓸모 없게 된 지 오래 후에야 발생했다.

참조

  1. ^ "Milestones:Alexanderson Radio Alternator, 1904". IEEE Global History Network. IEEE. Retrieved 29 July 2011.
  2. ^ 1892년 1월 22일자 302면, The Electrician(런던) 프레더릭 트라우턴의 "전기 에너지의 방사선"
  3. ^ "Prof. Thomson's new alternating generator". The Electrical Engineer. Electrical Engineer Co. 11 (154): 437. April 15, 1891. Retrieved April 18, 2015.
  4. ^ Thomson, Elihu (September 12, 1890). "letter". The Electrician. London. 25: 529–530. Retrieved April 18, 2015.
  5. ^ a b Aitken, Hugh G.J. (2014). The Continuous Wave: Technology and American Radio, 1900-1932. Princeton Univ. Press. p. 53. ISBN 978-1400854608.
  6. ^ Fessenden, R. A. (1908). "Wireless Telephony". Annual Report of the Smithsonian Institution. Government Printing Office: 172. Retrieved April 18, 2015.
  7. ^ 미국 특허 44만7921, 니콜라 테슬라 "대체 전류 발전기" (1891년 3월 10일)
  8. ^ a b c d Fleming, John Ambrose (1910). The principles of electric wave telegraphy and telephony, 2nd Ed. London: Longmans, Green and Co. pp. 5–10.
  9. ^ Harbord, J.G. (1929). "The Commercial Uses of Radio". The Annals of the American Academy. 142: 57–63. doi:10.1177/0002716229142001S09. S2CID 144710174.
  10. ^ 「200KW 알렉산더슨 교류 발전기 송신기」(표), 쏜 L의 미국 무선 통신. 메이스, New England Wireless and Steam Museum, Inc., 182페이지. 1928년 12월 5일 "긴 파동 관측소 목록 RCA에서 온 호출 문자와 파동 길이(m)"를 포함한다. "주파수" 컬럼이 추가되었으며, 계산의 조도 속도로 30만 미터/초를 사용한다.
  11. ^ 손 L. 메이스. "알렉산더슨 200-kW 교류 발전기 송신기" "포트 오브 콜" 제4권 1975. 부록 D.
  12. ^ "200 Kilowatt 알렉산더슨 송신기 2차 세계 대전 중과 후에 미국에서 사용됨" (표), 메이스 (1989), 183페이지.
  13. ^ 제리 프로크(jproc.ca)의 알렉산더슨 교류발전기.
  14. ^ 메이스(1989년), 176-177페이지.
  15. ^ 메이스 (1989), 176페이지.
  16. ^ 메이스(1989년)는 "USCG 스테이션 하와이 사령관"의 1976년 7월 15일 서신을 인용하여 180페이지에 이른다.

추가 읽기

외부 링크