Генератор Гольдшмидта

Генератор переменного тока Goldschmidt мощностью 100 кВт в Эйлвезе, Германия. Электродвигатель постоянного тока мощностью 250 л. с. (справа) вращал ротор диаметром 3 фута и весом 5 тонн (в центре) со скоростью 4000 об/мин. Ротор имел 360 полюсов, а основная частота генератора составляла 24 кГц. Сложные схемы «отражателя» (конденсаторные батареи напротив стен) заставляли машину вырабатывать переменный ток с частотой, в четыре раза превышающей эту частоту, 96 кГц. Передатчик использовался для трансатлантического радиотелеграфного обмена, обмениваясь сообщениями азбуки Морзе с аналогичной станцией Goldschmidt в Такертоне, штат Нью-Джерси, США. Во время Первой мировой войны это был главный канал связи Германии с внешним миром, и он использовался для дипломатических переговоров между Вудро Вильсоном и кайзером Вильгельмом II, приведших к перемирию .

Около 1920 года на станции Эйлвезе машину Гольдшмидта заменили на более мощную (200 кВт) машину, показанную выше. Ротор имел 400 полюсов и вырабатывал основную частоту 12,5 кГц, которая умножалась на 4, давая выходную частоту 50 кГц.

Генератор переменного тока Гольдшмидта или рефлекторный генератор переменного тока , изобретенный в 1908 году немецким инженером Рудольфом Гольдшмидтом , ^[1] представлял собой вращающуюся машину , которая генерировала переменный ток радиочастоты и использовалась в качестве радиопередатчика . ^[2] Радиогенераторы переменного тока, такие как Goldschmidt, были одними из первых радиопередатчиков непрерывной волны . Как и похожий генератор Александерсона , он недолго использовался во время Первой мировой войны на нескольких длинноволновых радиостанциях высокой мощности для передачи трансокеанского радиотелеграфного трафика, до 1920-х годов, когда он устарел из-за передатчиков на электронных лампах .

Описание

Хотя устройство было радиопередатчиком, оно напоминало электрический генератор , используемый для производства электроэнергии на электростанции. Как и другие генераторы, оно состояло из ротора диаметром в несколько футов, обмотанного катушками провода, которые вращались внутри неподвижной рамы, называемой статором , которая имела свои собственные катушки. ^[3] Взаимодействие между магнитными полями ротора и статора производило радиочастотные токи в обмотках статора, которые подавались на антенну .

Радиочастотный генератор переменного тока отличался от обычного электрического генератора тем, что для выработки переменного тока достаточно высокой частоты для создания радиоволн ( радиочастотный ток) он вращался гораздо быстрее и имел гораздо больше магнитных «полюсов» на роторе и статоре, ^[3] обычно от 300 до 600. Генератор переменного тока Гольдшмидта приводился в действие мощным электродвигателем постоянного тока, прикрепленным к валу, через зубчатую передачу , которая увеличивала скорость двигателя до нескольких тысяч об/мин. Преимущество конструкции Гольдшмидта состояло в том, что за счет использования внешних «рефлекторных» конденсаторных батарей, которые заставляли выходную частоту быть кратной ( гармонической ) скорости вращения генератора переменного тока, это позволяло поддерживать скорость вращения ниже, упрощая механическую конструкцию. ^[3] Передатчики Гольдшмидта работали на длинноволновых ( НЧ и ОНЧ ) частотах примерно от 20 до 100 кГц.

Машины Гольдшмидта использовались с 1910 по 1930 год в качестве передатчиков на нескольких центральных «сверхмощных» длинноволновых радиостанциях, которые использовались не для вещания, а для беспроводной телеграфии , для передачи телеграфных сообщений с помощью кода Морзе на аналогичные станции в других странах по всему миру. Только передатчики с генераторами переменного тока, такие как Гольдшмидт и Александерсон, могли производить большую мощность (от 50 до 200 кВт), необходимую для надежной связи на трансокеанских расстояниях. Гольдшмидт был менее широко используемой конструкцией, в основном используемой на европейских станциях. Сами станции напоминали коммунальную электростанцию ​​с большими электродвигателями, вращающими гудящие генераторы переменного тока, которые были подключены через огромные нагрузочные катушки к огромным проволочным антенным системам, простирающимся на мили и подвешенным на стальных башнях.

История

Генератор переменного тока Goldschmidt мощностью 12,5 кВт, установленный в 1910 году на беспроводной станции в Эберсвальде, Германия. Он имел выходную мощность 12,5 кВт при частоте 30 кГц или от 8 до 10 кВт при 60 кГц. Он состоит из электродвигателя постоянного тока (слева), приводящего в движение генератор переменного тока (справа) через редуктор (в центре) , который увеличивает скорость вращения.

Радиогенераторы

Около 1900 года стало ясно, что существующая технология генерации радиоволн , передатчик с искровым разрядником , неадекватна, поскольку генерирует затухающие волны . Были предприняты попытки разработать передатчик, который генерировал бы синусоидальные непрерывные волны , поскольку их можно было бы принимать на большем расстоянии, а также модулировать для передачи аудио (звука) в дополнение к коду Морзе . В 1891 году Фредерик Траутон указал, что если бы генератор переменного тока ( альтернатор ), который вырабатывает переменный ток , мог быть построен так, чтобы работать достаточно быстро, с достаточным количеством магнитных полюсов на его якоре , он бы вырабатывал переменный ток в диапазоне радиочастот . Если - число пар полюсов, а - скорость вращения в оборотах в секунду, то частота в герцах тока, вырабатываемого генератором, равна ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle U}$ ${\displaystyle f}$

${\displaystyle f=PU\,}$

Ряд исследователей, начиная с Элиху Томсона и Николы Теслы, пытались построить радиогенераторы, но они не смогли производить частоты выше 15 кГц из-за инженерных проблем создания машины со многими полюсами, которые вращались бы достаточно быстро. ^[4] В 1906 году Реджинальд Фессенден и Эрнст Александерсон из General Electric начали решать проблемы и строить генераторы, которые могли производить частоты в радиодиапазоне, выше 20 кГц. Однако генератор Александерсона работал на чрезвычайно высоких скоростях; для достижения 100 кГц с 300-полюсным ротором требовалась скорость ротора 20 000 об/мин, что было пределом инженерных возможностей того времени. ^[4] Только в 1916 году машины Александерсона достигли высокой мощности, необходимой для трансатлантической связи, и они были чрезвычайно сложными и дорогими.

Машина Гольдшмидта

Ротор машины Эйлвезе

В 1908 году инженер компании Westinghouse Рудольф Гольдшмидт разработал сложный метод, позволяющий генератору переменного тока генерировать высокую частоту, не требуя при этом чрезмерных скоростей. ^[1] Его метод заключался в использовании резонанса и нелинейной характеристики насыщения железного ротора для использования генератора переменного тока в качестве умножителя частоты , а также генератора. ^{[1] [3] [5]} Присоединив настроенные контуры, называемые «рефлекторными» контурами, к обмоткам статора и ротора, Гольдшмидт обнаружил, что генератор переменного тока можно заставить вырабатывать выходную мощность на уровне, кратном ( гармонике ) его основной частоты вращения . ^[3] Выходная частота генератора переменного тока Гольдшмидта была ${\displaystyle PU}$

${\displaystyle f=NPU\,}$

где было небольшим целым числом, гармоническим числом. было ограничено 4 в большинстве практических машин, так как потери из-за потока рассеяния быстро увеличивались с увеличением . Таким образом, машина Гольдшмидта 100 кГц с = 300 полюсами потребовала бы скорости ротора всего = 5000 об/мин, что составляет одну четвертую от скорости эквивалентной машины Александера. Можно было бы достичь 80% эффективности, но для того, чтобы поток рассеяния был достаточно низким для достижения этого, машине требовался очень узкий зазор в 0,8 мм между статором и ротором, который мог весить 5 тонн и двигаться с окружной скоростью 200 метров в секунду. ^{[3] [4]} Другая проблема заключалась в том, что для уменьшения потерь на гистерезис в железном роторе на радиочастотах его приходилось делать из очень тонких фольговых пластин толщиной 0,05 мм (0,002 дюйма), разделенных бумажными листами, ^[3] поэтому ротор был более чем на 1/3 бумажным. Ни один ротор такой конструкции никогда не использовался в большой машине. Предел выходной частоты для генераторов Goldschmidt, а также других технологий генераторов, составлял около 200 кГц. Механические проблемы в конечном итоге ограничили использование машин Goldschmidt. ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle P}$ ${\displaystyle U}$

Использовать

Машина была разработана и изготовлена ​​немецкой компанией Hochfrequenz-Maschinen Aktiengesellschaft für Drahtlose Telegraphie («Homag») и в основном использовалась в Европе. Машина Гольдшмидта, как и передатчики Alexanderson и другие генераторные передатчики, использовалась в основном для длинноволновых станций высокой мощности, которые передавали радиотелеграфные сообщения, как коммерческих станций, которые обрабатывали частный трафик, так и военно-морских станций, которые поддерживали связь правительств со своими колониями и военно-морскими флотами. Первая машина Гольдшмидта в Великобритании, передатчик мощностью 12 кВт, 60 кГц, была установлена ​​в Стоу в 1912 году. ^[1] 100-киловаттный, 400-полюсный блок (вверху страницы) был введен в эксплуатацию в Эйлвезе, Нойштадт-ам-Рюбенбергер, Германия, а первой машиной в США был аналогичный блок мощностью 120 кВт, 400 полюсов, 40,5 кГц в Такертоне, Нью-Джерси. ^[3] Машина Эйлвезе была основным каналом связи Германии с остальным миром во время Первой мировой войны и использовалась кайзером Вильгельмом II и президентом США Вудро Вильсоном для переговоров о перемирии, положившем конец войне.

Расцвет больших генераторных радиопередатчиков пришелся на 1918 год. Первая мировая война показала странам стратегическую важность радиосвязи, поскольку без нее они могли быть легко изолированы врагами, перерезавшими их подводные телеграфные кабели . Это ускорило послевоенный бум строительства больших трансконтинентальных генераторных радиостанций. Однако эти дорогие гиганты устарели еще до того, как были установлены. Изобретение триодной электронной лампы в 1906 году Ли Де Форестом и схемы генератора с обратной связью в 1912 году Эдвином Армстронгом и Александром Мейсснером сделали возможным создание меньших и более дешевых ламповых передатчиков, которые к концу Первой мировой войны могли производить столько же радиомощности, сколько и генераторы. К 1921 году компания Marconi Co. установила 100-киловаттные ламповые передатчики для трансатлантического обмена сообщениями на своих станциях в Карнарвоне, Уэльс и Глейс-Бей, Ньюфаундленд. Из-за огромных капитальных затрат устаревшие передатчики генераторов оставались в эксплуатации до 1930-х годов и применялись во время Второй мировой войны для связи с подводными лодками. Неизвестно, когда была снята с вооружения последняя машина Гольдшмидта.

Другие радиогенераторы

Генератор переменного тока Гольдшмидта был одним из нескольких типов вращающихся «генераторов радиочастот», которые использовались в качестве радиопередатчиков в течение первых двух десятилетий 20-го века. ^{[6] [3] [7] [4]} Передатчики генераторов переменного тока выдавали «более чистый» сигнал с меньшим количеством гармоник, чем их главный конкурент, дуговой передатчик Поульсена , поэтому они использовались на радиотелеграфных станциях самой высокой мощности. ^[8] Машины отличались тем, как они решали фундаментальную проблему создания достаточно высоких частот без превышения механических возможностей вращающихся машин: ^[9]

• Генератор переменного тока Alexanderson — изобретенный Эрнстом Александерссоном в General Electric в 1911 году, эта машина имела ротор, вращавшийся с достаточно высокой скоростью, чтобы напрямую производить радиочастотный сигнал. ^[4] Это был, вероятно, наиболее широко используемый тип. Однако требуемая высокая скорость вращения, около 20 000 об/мин, ^[4] сделала механическую конструкцию очень сложной, требуя охлаждаемого водой статора и принудительной масляной смазки. Генератор переменного тока Alexanderson разрабатывался 10 лет и был очень дорогим. Он производился General Electric и использовался ее дочерней компанией RCA и ВМС США.
• Генератор переменного тока Бетено-Латура - Изобретенный Жозефом Бетено и Мариусом Латуром в Société Française Radio-électrique, этот агрегат имел два или три ротора на одном валу. ^[3] Выходной ток первого ротора на основной частоте подавался на катушки возбуждения второго ротора, создавая ток с частотой . Выходной ток второго ротора подавался на катушки возбуждения третьего ротора, создавая выходной ток с частотой . Ротор требовал принудительной масляной смазки, и корпус должен был быть частично вакуумирован для уменьшения трения. В Сент-Ассизе в Париже использовались машины Бетено мощностью 25 кВт, 250 кВт, 500 кВт. ^[3] ${\displaystyle f=PU}$ ${\displaystyle 2f}$ ${\displaystyle 3f}$
• Генератор Жоли-Арко - В этой машине, изобретенной Георгом фон Арко около 1911 года, генератор вырабатывал свой сигнал на более низкой основной частоте, а частота умножалась в 2–4 раза в отдельных магнитных удвоителях частоты ^[3] , изобретенных Валлаури ^[10] и Морисом Жоли ^[11] в 1911 году ^[12], нелинейный трансформатор с железным сердечником , намагниченным постоянным током во вспомогательной обмотке, который вырабатывал гармонику основной частоты. ^[4] Это устройство было разработано Telefunken/AEG ^[3] и было установлено на их трансатлантических беспроводных телеграфных станциях в Sayville, Лонг-Айленд, США и Буэнос-Айресе, Аргентина ^{[4] [13]} Одними из самых больших были два 400 кВт генератора переменного тока, установленных в 1916 году на передающей станции Nauen , Nauen, Германия, которые генерировали 6 кГц при 1200 ампер с 7-тонным 1,65 м диаметром 240 полюсов ротора, вращающегося со скоростью 1500 об/мин, которая была увеличена до 24 кГц с двумя охлаждаемыми маслом магнитными удвоителями. Nauen был основным каналом связи Германии во время войны, и генераторы переменного тока использовались во время Второй мировой войны для связи с подводными лодками.

Ссылки

1. Бернс, Рассел В. (2004). Коммуникации: Международная история становления. Институт инженеров-электриков. стр. 365. ISBN 0863413277.
2. Граф, Рудольф Ф. (1999). Современный словарь электроники. Newnes. стр. 323. ISBN 0750698667.
3. Тернер, Л. Б. (1931). Беспроводная связь. Великобритания: Cambridge Univ. Press. С. 132–141. ISBN 9781107636187.
4. Андерсон, Уильям Баллантайн (1919). Физика для студентов технических вузов. McGraw-Hill Book Co. стр. 770–771. Александерсон Голдшмидт Джоли Арко.
5. Майер, Эмиль Э. (март 1914 г.). «Система радиотелеграфии Гольдшмидта». Proc. IRE . 2 (1). Нью-Йорк: Институт радиоинженеров: 69–92. doi :10.1109/JRPROC.1914.216615. S2CID  51632628. Получено 4 октября 2013 г.
6. "Беспроводная телеграфия". Энциклопедия Нельсона . Том 12. Thomas Nelson and Sons. 1907. С. 611F . Получено 19 июня 2020 г.
7. Кимберлин, Дональд Э. (13 июня 2000 г.). «RF Generators - letters» (Генераторы радиочастот — в буквальном смысле). Jurassic Radio Section, The Broadcast Archive . Барри Мишкинд . Получено 17 ноября 2022 г.
8. Карон, Франсуа; Эркер, Пол; Фишер, редактор, Вольфрам (2011). Инновации в европейской экономике между войнами. Вальтер де Грютер. п. 45. ИСБН 9783110881417.
9. Хоган, Джон Л. младший (сентябрь 1917 г.). «Беспроводная работа в военное время, часть 2». Popular Science Monthly . 19 (3): 451–453 . Получено 17 ноября 2022 г.
10. Vallauri, G. (19 января 1912 г.). «Статический частотный дубликатор». The Electrician . 68 (1757). Лондон: George Tucker: 582–583 . Получено 12 ноября 2022 г.
11. Джоли, JMA (май 1911 г.). «Transformateurs statique de fréquence (Статические преобразователи частоты)». Электрический свет . 14 (2-я серия) (20): 195–204 . Проверено 17 ноября 2022 г.
12. Гейгер, Уильям А. (1954). Схемы магнитных усилителей: основные принципы, характеристики и применение. McGraw-Hill. С. 219–222.
13. Деннис, Флорида (1924). «Ультраподеровая радиотелеграфическая станция Монте-Гранде, LPZ» (PDF) . Revista telegráfica (на испанском языке). № 137. с. 22 . Проверено 21 января 2024 г.