01 ALTERNATOR ALEXANDERSONA.

01.01 Krótki życiorys Alexandersona.

Rys. 1 E. F. W. Alexanderson jako młody inżynier General Elektric. Obraz z http://www.sk0mt.net/saqenglish.pdf

Ernst Fredrik Werner Alexanderson (1878-1975) urodził się w Uppsali, w Szwecji. Ukończył w 1900 r. uczelnię Royal Technical Institute (KTH) w Sztotholmie, następnie spędził pewien czas w Politechnice w Berlinie Charlottenburgu, gdzie otrzymał podstawową rzetelną wiedzę dotyczącą radia. Jego przyszłość została zdecydowana bardzo wcześnie, w wyniku przeczytania przez niego książki Karola P. Steinmetza pt. „Teoria i przeliczanie zjawiska prądu przemiennego”. Alexanderson wyjechał do USA w 1901 r. i bardzo szybko Steinmetz zarekomendował go do pracy w firmie General Electric (GE) w Schenectady w stanie Nowy Jork. Pozostał tutaj przez resztę swojego długiego i kreatywnego życia, pracując praktycznie nad wszystkim co jest związane z elektrycznością, od prądu przemiennego i stałego, do telewizji i tranzystorów. Jego pomysłami m.in. były: alternator w.cz. oraz tzw. wielostrojeniowa antena, które zostały nazwane jego nazwiskiem. Dzięki tym wynalazkom uzyskano możliwość zwiększenia zasięgu i stabilności, telegraficznej łączności radiowej na falach ultra długich, dla której wykorzystywane były przed nim proste i kłopotliwe w eksploatacji nadajniki iskrowe i łukowe. Gdy miał 94 lata został zarejestrowany jego 345-ty patent.  

01.02 Model alternatora.

Rys. 2 Widok elektromagnesu i peryferyjnego fragmentu wirnika z otworkami. 

Alternatorem wysokiej częstotliwości Alexandersona, nazywa się urządzenie elektromaszynowe przeznaczone do wytwarzania nie gasnących drgań elektrycznych dużej mocy o częstotliwościach rzędu kilkunastu kHz. Działa na zasadzie prądnicy o specjalnej budowie. Stabilność jego pracy, w porównaniu do stabilności wcześniej stosowanych nadajników iskrowych i łukowych, zapewniała większą pewność i większy zasięg łączności radiowej. 

Dla prawidłowej pracy alternatora Alexandersona, którego nazywać będziemy alternatorem wysokiej częstotliwości, w.cz., jak w każdej prądnicy, niezbędne jest pole magnetyczne. Wytwarzane jest ono, rys. 2, w rdzeniu RM wykonanym z materiału ferromagnetycznego, za pomocą uzwojenia wzbudzenia UW, zasilanego ze źródła napięcia tałego ŹNS, który to zespół dla wygody będziemy nazywać elektromagnesem EM. Obwód magnetyczny ma przerwę w postaci niewielkiej szczeliny SZ, utworzonej przez jego bieguny B1 i B2. Na obu biegunach nawinięte są odpowiednio uzwojenia, często nazywane sygnałowymi, US1 i US2. Uzwojenia te połączone są szeregowo, tak aby kierunek zwojów był taki sam. Taki sposób połączenia uzwojeń nazywa się posobnym. Zapewnia on sumowanie się napięć w nich indukowanych. W szczelinie SZ usytuowana jest peryferyjna część wirnika WIR, wykonana także z materiału ferromagnetycznego, mająca otworki OT (lub szczeliny) na poziomie biegunów B1 i B2. 

Rys. 3 Widok modelu alternatora z pojedynczym zespołem sygnałowym.

Kiedy wirnik WIR , rys. 3, za pomocą silnika elektrycznego wprawiony zostanie w ruch wirowy, w pobliżu biegunów B1 i B2 będą na przemian pojawiały się otworki OT i fragmenty materiału ferromagnetycznego wirnika WIR znajdujące się pomiędzy otworkami. Będą one w różny sposób wpływały na wartość strumienia magnetycznego w szczelinie SZ. Gdy naprzeciwko biegunów B1 i B2 pojawi się wspomniany fragment, wartość strumienia magnetycznego w rdzeniu RM zmieni się nie wiele, gdyż oporność magnetyczna nie wielkiego fragmentu szczeliny SZ jest znikoma. Natomiast, gdy naprzeciwko biegunów B1 i B2 pojawi się otworek OT, oporność magnetyczna znacznie wzrośnie i strumień magnetyczny gwałtownie zmaleje. Te zmiany strumienia magnetycznego przenikającego przez uzwojenia US1 i US2, powodują indukowanie się w nich (siły elektromotorycznej) SEM zgodnie zależnością:


SEM = IZ (dΦ/dt) = IZ (dΦ/dx) (dx/dt) = IZ (dΦ/dx) v.


Gdzie: IZ współczynnik, proporcjonalny do ilości zwojów cewki, Φ strumień magnetyczny, v prędkość cewki lub przenikającego ją pola magnetycznego.
Jest to napięcia pulsujące, którgo częstotliwość zależy od ilości N otworków OT i szybkości obrotów SZO wirnika WIR. Natomiast ich wartość AMP zależy od ilości zwojów IZ1 I IZ2 tych uzwojeń, wartości pola magnetycznego oraz także od szybkości zmian strumienia magnetycznego, czyli obrotów SZO wirnika WIR. Zespół złożony z elektromagnesu EM i cewek sygnałowych US, można nazwać zespołem sygnałowym. Dla zwiększenia efektywności pracy alternatora w.cz. należy dążyć do zwiększenia ilość zespołów sygnałowych, gdyż wówczas uzyskuje się w każdym zespole podobne napięcie pulsujące. Sumaryczne napięcia wykorzystać można, względniając odpowiednio kierunki uzwojeń, do pracy równoległej lub szeregowej. Schemat przedstawiający model alternatora zaopatrzonego w cztery takie zespoły sygnałowe przedstawia rys. 4 

Rys. 4 Widok alternatora z czterema zespołami sygnałowymi współpracujących z jednym wirnikiem. 

Jeśli w takim alternatorze wszystkie cztery uzwojenia sygnałowe połączone zostaną szeregowo posobnie, uzyska się czterokrotny wzrost napięcia pulsującego. Oczywiście, że konstrukcja elektromagnesów i współpracujących z nimi uzwojeń sygnałowych nie jest tak prosta jak to przedstawiłem, a to dlatego, że w rzeczywistych alternatorach w.cz. dąży się do wykorzystania znacznie większej ilości biegunów i uzwojeń sygnałowych. Jednak są to już zagadnienia konstrukcyjne. 

01.03 Układ nadawczy Alexandersona wg Groszkowskiego.

Działanie alternatora i jego zalety opisał już w 1922, por. inż. Janusz Groszkowski będący wówczas pracownikiem Centralnych Zakładów Wojsk Łączności. Autor stwierdził, że „żaden ze stosowanych dotychczas sposobów wykorzystywanych do komunikacji za pomocą fal radiowych, nie rozwiązał zagadnienia bezpośredniego wytwarzania prądów szybkozmiennych zadowalająco tak, aby uczynić wymaganiom stawianym z punktu widzenia eksploatacji radiokomunikacyjnej na szerszą skalę”.
Wymienił podstawowe wymagania jakie winien spełniać generator wytwarzający sygnał w.cz.:
1) wytwarzać nie przerwany ciąg drgań o stałej amplitudzie;
2) dawać falę jednorodną (czystą) o znikomej zawartości ilości i mocy harmonicznych);
3) pracować z dużym współczynnikiem sprawności;
4) umożliwić szybkie (maszynowe) telegrafowanie i telefonowanie.
Napisał: „generator spełniający te wymagania, zawdzięczać możemy naczelnemu inżynierowi firmy Radio Corporation of America (RCA). Po licznych próbach i badaniach udało się zbudować stację w New Brunswick w Ameryce Północnej o mocy 200 [kW], ukończoną w sierpniu 1918 roku. Stacja pracowała falą 13600 [m] i przy prądzie w antenie 400 [A]. Umożliwiała łączność w ciągu całej doby o każdej porze roku ze wszystkimi stacjami europejskimi”.
W publikacji znajdującej się w Przeglądzie Elektrotechnicznym, Zeszycie 10, autor wymienił elementy składające się na całość systemu Alexandersona i krótko scharakteryzował zasadę działania najważniejszych z nich:
I. Alternator (prądnica prądu zmiennego) z regulatorem szybkości, wytwarzający prądy wysokiej częstotliwości do zasilania odpowiednich obwodów promieniujących poprzez transformator antenowy. Zamieszczony został schemat, rys. 5, ilustrujący zasadę działania Alternatora Alexandersona.
Napisano, że należy on do typu prądnic induktorowych o masywnym wirniku ze stali chromoniklowej, z mnóstwem otworów prostokątnych na obwodzie tarczy. Uzwojenie wzbudzające, zasilane prądem stałym oraz twornikowe, t.j. w którym powstają prądy w. cz., są nieruchome. Zmiany zaś strumienia magnetycznego, niezbędne dla wzbudzenia siły elektromotorycznej wysokiej częstotliwości, uzyskuje się przez wycinki w wirniku stalowym. Przy maksymalnej ilości wycinków równej np. 300, dla uzyskania długości fali np. 3000 [m] ilość obrotów dysku winna wynosić 20.000 [obr/min], co powoduje, że przy np. średnicy dysku 30 [cm], jego szybkość obwodowa jest równa 300 [m/sek]. A więc prędkość zbliżoną do prędkości dźwięku w powietrzu. Ponieważ stabilność sygnału w takim rozwiązaniu jest funkcja obrotów dysku, jego obroty stabilizował specjalny układ, zwany regulatorem szybkości.

Działanie alternatora i jego zalety opisał już w 1922, por. inż. Janusz Groszkowski będący wówczas pracownikiem Centralnych Zakładów Wojsk Łączności. Autor stwierdził, że „żaden ze stosowanych dotychczas sposobów wykorzystywanych do komunikacji za pomocą fal radiowych, nie rozwiązał zagadnienia bezpośredniego wytwarzania prądów szybkozmiennych zadowalająco tak, aby uczynić wymaganiom stawianym z punktu widzenia eksploatacji radiokomunikacyjnej na szerszą skalę”.
Wymienił podstawowe wymagania jakie winien spełniać generator wytwarzający sygnał w.cz.:
1) wytwarzać nie przerwany ciąg drgań o stałej amplitudzie;
2) dawać falę jednorodną (czystą) o znikomej zawartości ilości i mocy harmonicznych);
3) pracować z dużym współczynnikiem sprawności;
4) umożliwić szybkie (maszynowe) telegrafowanie i telefonowanie.
Napisał: „generator spełniający te wymagania, zawdzięczać możemy naczelnemu inżynierowi firmy Radio Corporation of America (RCA). Po licznych próbach i badaniach udało się zbudować stację w New Brunswick w Ameryce Północnej o mocy 200 [kW], ukończoną w sierpniu 1918 roku. Stacja pracowała falą 13600 [m] i przy prądzie w antenie 400 [A]. Umożliwiała łączność w ciągu całej doby o każdej porze roku ze wszystkimi stacjami europejskimi”.
W publikacji znajdującej się w Przeglądzie Elektrotechnicznym, Zeszycie 10, autor wymienił elementy składające się na całość systemu Alexandersona i krótko scharakteryzował zasadę działania najważniejszych z nich:
I. Alternator (prądnica prądu zmiennego) z regulatorem szybkości, wytwarzający prądy wysokiej częstotliwości do zasilania odpowiednich obwodów promieniujących poprzez transformator antenowy. Zamieszczony został schemat, rys. 5, ilustrujący zasadę działania Alternatora Alexandersona.

 
 Rys. 5 Przekrój alternatora wg J. Groszkowskiego, 1922 r. 
 

II. Modulator magnetyczny, pozwalający na beziskrową modulację energii wypromieniowanej, czy to w takt znaków MORSE’a, czy też wahań membrany mikrofonu.
III. Wielokrotnie zestrajana antena, z systemem jej uziemień, której wynalazek pozwolił znacznie zmniejszyć szkodliwy opór anteny, przez co wydajność oraz sprawność stacji niepomiernie wzrosła.
Dokładny opis działania Alternatora i regulatora szybkości znajduje się na stronach 145 - 148 Przeglądu Elektrotechnicznego, Zeszyt 10, natomiast transformator między alternatorem i anteną, antena wielokrotnie nastrajana i modulator magnetyczny opisane zostały na stronach 161 - 164 Przeglądu Elektrotechnicznego Zeszyt 11. Fragmenty tych opisów zostaną zamieszczone w kolejnych rozdziałach.  

01.04 Warianty konstrukcji alternatorów.

W zasadzie wyróżnić można dwa główne rozwiązania konstrukcyjne alternatora Alexandersona. Ze szczelinami powietrznymi prostopadłymi do osi obrotu dysku induktora, takimi jak w zaprezentowano to wcześniej w modelu i ze szczelinami równoległymi do jego osi obrotu. Pierwotną była konstrukcja pierwsza. Jej opis zaczerpnąć można z pierwszego patentu zarejestrowanego przez Alexandersona w Urzędzie Patentowym USA w dniu 14 listopada 1911 roku, pod numerem 1,008,577.
Według tego patentu alternator, rys. 6, składa się dwóch głównych części: statora i rotora. W skład statora wchodzą: stojan 1, dwa pierścienie profilowane 2 wykonane z żelaza, pierścienie laminowane (warstwowe) 3 wykonane z izolowanych krzemowych blaszek dla zmniejszenia efektu prądów wirowych, uzwojenie polowe (wzbudzenia) 6 wytwarzające pole magnetyczne, dzielone pierścienie zaciskowe 4 stabilizujące położenie cewki polowej, uzwojenie sygnałowe 9 w którym indukują się impulsy napięciowe wskutek zmian strumienia magnetycznego pochodzącego od cewki polowej, spowodowanych zmieniającą się opornością magnetyczną, oraz elementy blokujące 10. W stojanie przewidziano otwory 8 dla wentylacji wnętrza urządzenia podczas jego pracy.
Natomiast rotor składa się z: osi 11, pierścieni dociskowych 12 i dysku 5, zwanego przez twórcę także induktorem. Strumień magnetyczny przepływa przez elementy: żelazne stojana 1, nabiegunniki elementów 2, dzielone pierścienie zaciskowe 4 i pierścienie laminowane (warstwowe) 3, szczeliny powietrzne po obu stronach dysku 5 i peryferyjną część 7 dysku 5 wykonanego z żelaza. Wielkość szczelin dobiera się tak, aby były one jak najmniejsze, a jednocześnie zapewniały swobodny obrót dysku 5. Dysk 5 ze względu na duże jego obroty, wymagane dla zapewnienia wysokiej częstotliwości sygnału wytwarzanego w urządzeniu, ma solidną budowę. Najważniejszą jego częścią jest część peryferyjna, jego obrzeże 7. Dla spowodowania pulsacji pola magnetycznego i w efekcie indukowanie się w uzwojeniach sygnałowych 9 statora, napięcia wysokiej częstotliwości, w peryferyjnej części dysku 5, wykonane są, rys. 7, szczeliny 7 w kształcie litery U, o długości równej grubości pierścieni laminowanych (warstwowych) 3. Dla uniknięcia hamującego wpływu powietrza przy dużych obrotach dysku 5, szczeliny te zapełnione są metalem o wysokiej wytrzymałości na rozciąganie, takim jak brąz fosforowy mający własności diamagnetyczne. Płaskie jego fragmenty są wkuwane i lutowane do dysku. Dzięki czemu powierzchnia peryferyjna, poruszająca się z największą prędkością liniową, jest gładka.

 
 Rys. 6 Pionowy przekrój górnej połowy alternatora wysokiej częstotliwości ze szczeliną prostopadłą do osi.
 

Na wewnętrznych powierzchniach obu dzielonych pierścieni: zaciskowych 4 i laminowanych (warstwowych) 3 od strony dysku 5, wykonane są, rys. 7, rowki: promieniowe w znacznej ilości, tworzące zęby i szczeliny, oraz na brzegu, obwodowe, po jednym z każdej strony, w których są nawinięte zygzakowato zwoje sygnałowe 9. Powstałe w wyniku przecinania się obu rowków występy, zapobiegają przed przemieszczaniem, wysuwaniem się zwojów 9.

 
 Rys. 7 Powiększony widok szczegółowy fragmentu peryferyjnej części dysku i elementów statora.
 

Promieniowe szczeliny 7 w peryferyjnej części dysku, pokazanej w postaci jej fragmentu na rys. 7, są usytuowane dokładnie naprzeciwko pierścieni laminowanych (warstwowych) 3 tak, aby pole magnetyczne przenikało oba elementy. Na rys. 7 pokazane zostało osiem sąsiednich szczelin w dysku - induktorze 5, na tle rowków, szczelin promieniowych w dzielonych pierścieniach zaciskowych 4 i w pierścieniach laminowanych (warstwowych) 3 statora. Podczas wirowania dysku (induktora) ze szczelinami 7, zaburzane zostaje stałe pole magnetyczne wytworzone przez cewkę polową 6, w wyniku czego indukuję się napięcie impulsowe w obu uzwojeniach sygnałowych 9. Łącząc odpowiednio oba uzwojenia uzyskuje się napięcie w.cz o częstotliwości zależnej od ilości szczelin i szybkości wirowania dysku. Napięcie to jest tym większe im mniejsze są szczeliny pomiędzy peryferyjną częścią dysku induktora 7 i laminowanymi (warstwowymi) pierścieniami 3. Dysk induktora ma średnicę ok. 1.6 [m] i szczelinę powietrzną o wartości 1 [mm]. Przy 2.100 [obr/min] prędkość obwodowa wirnika ma wartość ok. 180 [m/s], co bardzo utrudnia realizację takiej konstrukcji. Głównie wyważenie tak wielkiego i wirującego z dużą prędkością dysku, w szczelinie o szerokości 1 [mm].
Dla osiągnięcia zadowalających warunków pracy dysku, autor przewidział specjalnej konstrukcji łożyska środkowe i krańcowe, umożliwiające obroty dysku wokół jego własnego środka ciężkości oraz odporne na jego wibracje przy rozruchu. Jest oczywiste, że kiedy alternator częstotliwości radiowej używany był jako źródło promieniowania sygnału wysokiej częstotliwości, to długość wytwarzanej fali określana jest bezpośrednio poprzez szybkość obrotową dysku. Dlatego jest bardzo ważne, aby jego prędkość wirowania była jak najbardziej stabilna. W tym celu konieczne było zastosowanie zespołu współpracującego z alternatorem w postaci regulatora jego obrotów. Dokładniejszy opis konstrukcji alternatora znajduje się w moim artykule zamieszczonym w Przeglądzie Telekomunikacyjnym 12/2010.
Wydaje się, że wynalazca zdawał sobie sprawę z eksploatacyjnych trudności pracy alternatora ze szczeliną prostopadłą do osi obrotu dysku i zaproponował konstrukcję w której szczelina powietrzna była równoległa do osi obrotu dysku. Opis takiej konstrukcji w wielu wariantach został podany w patencie zarejestrowanym przez Alexandersona w Urzędzie Patentowym USA w dniu 22 sierpniu 1922 roku pod numerem 1,426,943. Ulepszony alternator zgłoszony w wynalazku, jedenaście lat po pierwszym, jest w istocie działania podobny do opisanych wcześniej kilku poprzednich patentach. Induktor, a więc ruchomy element w postaci dysku ulepszonego alternatora, ma również kształt odpowiedni dla zapewnienia maksymalnej odporności na działanie sił odśrodkowych, tak jak jego pierwowzór, ale różni się od niego budową części peryferyjnej. Nie jest to dysk z otworkami prostopadłymi do osi, poruszający się w wąskiej szczelinie, a cylindryczna powierzchnia. Aktywna szczelina powietrzna w pierwowzorze usytuowana prostopadle do osi obrotu dysku była bardzo wąska, co powodowało bardzo wysokie wymagania i trudne do osiągnięcia dla wirowania w niej dysku. Natomiast w ulepszonym alternatorze część peryferyjna posiada inny kształt, ma postać cylindra. Szczelna utworzona jest pomiędzy wirującą peryferyjną cylindryczną powierzchnią induktora, a nieruchomym również cylindrycznym obwodem magnetycznym statora, wytwarzającym pole magnetyczne. Autor zaproponował wiele rozwiązań konstrukcyjnych spełniających ten warunek. Jeden z zaproponowanych wariantów, został pokazany na rys. 8.

 
 Rys. 8 Przekrój pionowy górnej połowy alternatora w. cz. ze szczelinami prostopadłymi do osi obrotu dysków.
 

Alternator z rys. 8 posiada dwa podobne induktory 1, w postaci stalowych dysków ukształtowanych tak, aby były one odporne na wpływ sił odśrodkowych. Każdy induktor jest poszerzony w pobliżu jego zewnętrznego brzegu, zapewniając w ten sposób cylindryczną peryferyjną powierzchnię o żądanej szerokości. Główna część statora, oznaczona na przedstawionym rysunku cyfrą 2, wykonana była z magnetycznego materiału, takiego jak żelazo. Uzwojenie wytwarzające pole magnetyczne, zwane polowym, składa się pierścieniowej cewki 3, zainstalowanej we wnęce utworzonej przez korpus statora 2 i dwa, wykonane z materiału magnetycznego pierścienie cylindryczne, zewnętrznego 4 i wewnętrznego 5, odpowiednio zamocowane w statorze 2. Uzwojenie sygnałowe twornika 6, w którym indukują się impulsy napięciowe, znajduje się w środkowej wewnętrznej cylindrycznej powierzchni pierścieniowej 4. Umieszczone jest, rys. 9, w odpowiednich rowkach wykonanych w warstwowym magnetycznym elemencie 7, utworzonym prawdopodobnie z izolowanych blaszek krzemowych, dla zmniejszenia strat na prądy wirowe. Induktory - dyski są osadzone na obrotowym wale 8 i zabezpieczone na nim kołnierzem z kołkiem 9.

 
 Rys. 9 Szkic ułożenia przewodów uzwojenia sygnałowego w warstwowym magnetycznym elemencie. 
 

Na zewnętrznej, peryferyjnej powierzchni induktora, wycięte zostały równoległe do osi rowki na całej jej szerokości, rys. 10, skutkiem czego powstaje na niej mnogość zębów 10. Szczeliny pomiędzy zębami 10 wypełnione są materiałem diamagnetycznym 11 i dokładnie wygładzone na zewnętrznej powierzchni, dla wyeliminowania zawirowań aerodynamicznych, powstających przy bardzo dużych prędkościach wirowania induktora - dysku, które zwiększałyby opory jego ruchu. Wypełnienie szczelin 11 wykonane np. z aluminium lub innych odpowiednich materiałów, mają specjalny kształt i były wciskane w szczeliny, a następnie nitowane. 

 
 Rys. 10 Szkic osadzania wypełnienia w rowkach dysku. 
 

Zastosowany sposób wypełnienia umożliwia utworzenie szczeliny na poziomie przylegającym do powierzchni warstwowego magnetycznego elementu 7. Strumień magnetyczny wytwarzany przez polową cewkę 3, przechodzi przez wnętrze korpusu statora 2, przez magnetyczne pierścieniowe elementy 4, 5 i przez magnetyczne warstwowe elementy 7a, następnie wraca do korpusu statora 2. Szerokość peryferyjnej powierzchni induktora, jak wspomniano wcześniej, jest ograniczona przez wymaganą największą wytrzymałość na rozciąganie i ze względu na mogące powstać uszkodzenie urządzenia. W alternatorze pokazanym na rys. 8, dla uzyskania kompletnego, zamkniętego, obwodu magnetycznego dla wzbudzanego strumienia, są niezbędne dwa induktory. Wówczas strumień magnetyczny przechodzi w poprzek aktywnej powietrznej szczeliny jednego dysku – induktora w jednym kierunku, a w poprzek aktywnej powietrznej szczeliny drugiego induktora w przeciwnym. Impulsy napięciowe są indukowane w uzwojeniach sygnałowych tworników 7 wskutek zmian strumienia magnetycznego, spowodowanych zmianą przewodności magnetycznej. Oporność magnetyczna wzrasta, gdy pojawiają się szczeliny 11 z materiałem diamagnetycznym i maleje, gdy pojawi się ząb 10, wykonany z materiału magnetycznego. Ponieważ kierunki strumienia magnetycznego w szczelinach aktywnych są przeciwne, indukowane impulsy w uzwojeniach sygnałowych 7 miałyby przeciwne polaryzacje. Dlatego też jest niezbędne przesunięcie geometrycznego układu szczelina – ząb w jednym induktorze, o wartość jednego zęba w drugim. Taka zmiana jest zaznaczona na rys. 8, na którym w lewym induktorze - dysku jest widoczna szczelina wypełniona materiałem diamagnetycznym 11, natomiast w drugim w tym samym czasie jest ząb 10, wykonany z materiału magnetycznego. Przy posobnym połączeniu uzwojeń sygnałowych 7 obu induktorów, uzyska się wtedy na wyjściu alternatora, sumowanie przesuniętych w czasie o połowę okresu, impulsów o przeciwnej polaryzacji. We wszystkich postaciach alternatorów o szczelinach równoległych do osi, a więc mających poszerzoną część peryferyjną dysku, induktor przewodzi wzbudzany strumień magnetyczny i dlatego musi mieć odpowiedni przekrój poprzeczny dla przepływu strumienia bez nasycenia magnetycznego. Urządzenia tego typu mogą zadowalająco pracować do prędkości obwodowych części peryferyjnych rzędu 500 [stóp/sek] x 0.3048 = 152.4 [m/s]. Natomiast dla wyższych prędkości wymagana jest większa grubość dysku induktora dla przepływu wzbudzanego strumienia. Jest ona zbyt duża dla zadowalającego zaprojektowania induktora wytrzymującego naprężenia od sił odśrodkowych.

01.05 Informacje o alternatorach dużej mocy.

Do alternatorów dużej mocy zalicza się urządzenia o mocy 200 kW, a więc takie jakie zainstalowano w polskim Nadajniku. Taki alternator był urządzeniem bardzo ciężkim, ważył ok. 50.000 [kg] i trudnym w eksploatacji. W pomieszczeniu w którym pracował istniał bardzo duży poziom hałasu. Wymagał troskliwej, fachowej obsługi, aby w sposób ciągły, śledząc wskazania bardzo dużej ilości wskaźników, regulatorów i przełączników, zgromadzonych na tablicy sterowania zajmującej prawie całą ścianę pomieszczenia, czuwała nad prawidłową jego pracą.
Dysk induktora jak to już było wspomniane, miał średnicę ok. 1.6 [m] i szczeliny powietrzne o wartości 1 [mm]. Kiedy generowany był sygnał w.cz. fali o długości 13.600 [m] wirował z szybkością 2170 [obr/min] i wówczas prędkość obwodowa wirnika wynosiła ok. 180 [m/s]. Był wprawiany w ruch przez silnik indukcyjny lub, jak w przypadku polskich alternatorów, dwufazowy asynchroniczny o mocy 500 [kM] na napięcie 2200 [V], poprzez przekładnię podwyższającą obroty o współczynniku 2,97:1. Wykorzystam w tym miejscu dla bardziej szczegółowego pokazania elementów alternatora, za pozwoleniem ich autorów Państwa M. i M. Borkowskich, współczesne zdjęcia, rys. 11 – rys. 24, rys. 23 i rys. 24, podobnego do polskiego, alternatora szwedzkiego, znajdującego się w miejscowości Grimeton. Jego tabliczkę znamionową przestawia rys. 11. Dowiadujemy się z niej, że został wykonany w 1959 roku, miał tak jak i polski alternator moc 200 [kW] i przystosowany był do napięcia zasilającego 2000 [V] o częstotliwości 50 [herców]. 

Rys. 11 Tabliczka znamionowa alternatora szwedzkiego znajdującego się w Grimeton. 

Rys. 12  Widok alternatora od strony silnika i wyprowadzeń uzwojeń sygnałowych.

Rys. 13 Widok przekładni ze wskaźnikami ciśnienia i poziomu oleju oraz tablic z narzędziami.

Rys. 14 Widok alternatora od strony uzwojeń sygnałowych oraz rur i zaworów obwodów chłodzenia. 

Zespół uzwojenia sygnałowego w.cz. podzielony na 64 sekcje składał się z przewodów połączonych szeregowo posobnie. Wyprowadzenia tych uzwojeń w szwedzkim alternatorze przedstawiają rys. 15 i rys. 16. 

Rys. 15 Widok zespołu sygnałowego i elementu jego mocowania.

Rys. 16 Widok w zbliżeniu wyprowadzeń końcówek poszczególnych uzwojeń sygnałowych w zespół.

 Rys. 17 Miernik wskazówkowy. 

Rys. 18 Widok bardzo oryginalnego miernika wskazówkowego. 

 Rys. 19 Widok nożycowych przełączników. 

 Rys. 20 Ręczny regulator obrotów dysku alternatora stosowany przy rozruchu.

Rys. 21 Prawdopodobnie przyrząd do regulacji temperatury.

 

01.06 Transformator odbiorczy.

Transformator odbiorczy, którego schemat elektryczny połączeń przedstawia rys. 22, jest ogniwem łączącym alternator z anteną. Energia z alternatora przenosi się do anteny przez sprzężenie indukcyjne, realizowane właśnie za pomocą transformatora. 

 
 Rys. 22 Schemat elektryczny połączeń transformatora odbiorczego z anteną i modulatorem magnetycznym.
 

Jak było już zaznaczone, uzwojenie pierwotne składa się z szeregu niezależnych zwojów, połączonych z poszczególnymi odpowiednimi cewkami alternatora. Uzwojenie wtórne, wg opisu Janusza Groszkowskiego zamieszczonego w Przeglądzie Elektrotechnicznym z 1 czerwca 1922 r., jest jedno wspólne i znajduje się w obwodzie anteny. Składa się z kilkudziesięciu zwojów, nawiniętych dwoma sekcjami połączonymi tak, że ich końce posiadające wysoki potencjał, znajdują się w środku i podłączone są przez elementy strojenia i uzwojenie cewki do pierwszego członu anteny. Natomiast drugie końce są zwarte i podłączone do modulatora magnetycznego. W ten sposób obie sekcje tworzące uzwojenie wtórne są połączone równolegle. Uzyskuje się dzięki temu równomierny rozkład potencjałów. Oprócz wymienionych uzwojeń: wielosekcyjnego pierwotnego i wtórnego dwu sekcyjnego antenowego, transformator posiada jeszcze trzecie uzwojenie środkowe, znajdujące się pomiędzy tymi uzwojeniami, dla uzyskania silnego sprzężenia z obwodami alternatora i anteny. Uzwojenie środkowe jest doprowadzone do obu końcówek modulatora magnetycznego, który moduluje energię promieniowania. Oprócz tego jest tak podłączone do uzwojenia wtórnego transformatora, że przy odłączonym modulatorze magnetycznym znajduje się całkowicie w obwodzie anteny.
Dla normalnej pracy alternatora napięcie wtórne na transformatorze wynosi ok. 2000 [V] i dostarczanym prądzie ok. 100 [a]. Tak więc odbiorczy transformator należy traktować jako integralną część jednostki generującej i dla określania wszelkich jej charakterystyk, takich jak siła elektromotoryczna i prąd, należy przyjmować wartości uzyskiwane z tego właśnie uzwojenia. Ponieważ pełny prąd wyjściowy alternatora wynosił 100 [a], przy sile elektromotorycznej ok. 2000 [V], dlatego można uznać, że alternator zaprojektowany był dla obciążenia o rezystancji 20 [om]. Jednak ten sam generator mógł być przystosowany do obciążenia o innej rezystancji, poprzez dobór innej liczby zwojów uzwojenia wtórnego. Powód dlaczego generator został zaprojektowany do pracy przy wysokim napięciu i niskim prądzie, był związany z tym, iż takie parametry sygnału były najkorzystniejsze dla efektywnego wykorzystania nowego typu anteny, jaka była zastosowana. Będzie to wyjaśnione dalej, przy opisie pracy anteny Alexandersona.  

 

01. 07 Modulator Alexandersona.

Dla przekazywania informacji drogą radiową z wykorzystaniem kodu alfabetu Morse'a, wykorzystywany był specjalny układ modulacyjny, nazywany kluczującym, którego schemat elektryczny pokazany jest na rys. 22. Nazwany tak od klucza, rys. 23, służącego do ręcznej modulacji sygnału radiowego. Wykorzystywane też było modulowanie sygnału z perforowanej taśmy papierowej, rys. 24. 

 
 Rys. 23 Widok nadawczego klucza telegraficznego.
 

Uzyskanie właściwej modulacji było zagadnieniem szczególnie trudnym, gdyż należało się zabezpieczyć przed powstawaniem iskier i łuków w momencie przerywania obwodu w którym płynie duży prąd w.cz. Wykorzystywane były w tym celu: jedno z uzwojeń transformatora odbiorczego i modulator magnetyczny, oba pokazane na rys. 22.

 
 Rys. 24 Zestaw przyrządów do modulacji z papierowej taśmy perforowanej. 
 

Działanie modulatora, rys. 22, polegało na wykorzystaniu zmiennego oporu pozornego, zależnego od wartości prądu znacznie słabszego, w innym, magnetycznie zależnym obwodzie. Modulator magnetyczny składał się z dwóch cewek nawiniętych na żelazny rdzeń. Przez jedną z cewek, nazwijmy ją wtórną, przepływa prąd przemienny w.cz., a przez przez drugą, nazwijmy ją pierwotną prąd stały. Gdy prąd w uzwojeniu pierwotnym jest dostatecznie silny, rdzeń żelazny na którym nawinięte są oba uzwojenia, osiąga stan nasycenia magnetycznego i opór pozorny uzwojeń wtórnych będzie taki, jak gdyby żelaza w cewkach nie było, a więc będzie mały. Natomiast, gdy żelazo rdzenia jest dalekie od stanu nasycenia magnetycznego, a więc przy małym prądzie w uzwojeniu pierwotnym, uzwojenia wtórne będą zachowywały się jak dławiki, miały dużą oporność pozorną.
Jak wynika to z opisu transformatora odbiorczego, oprócz uzwojeń: wielosekcyjnego pierwotnego i wtórnego dwu sekcyjnego antenowego, transformator posiada jeszcze trzecie uzwojenie środkowe. Uzwojenie to umieszczone jest pomiędzy uzwojeniami pierwotnym i wtórnym, dla uzyskania silnego sprzężenia z obwodami alternatora i anteny. Uzwojenie środkowe jest doprowadzone do obu końcówek modulatora magnetycznego, czyli dostarcza sygnał w.cz. do uzwojenia wtórnego modulatora. Oprócz tego, co jest bardzo ważne, jest tak podłączone do uzwojenia wtórnego transformatora, że przy odłączonym modulatorze magnetycznym znajduje się całkowicie w obwodzie anteny. Tak więc podłączenie modulatora będzie wpływało na prąd w.cz. w antenie.
Dla zabezpieczenia uzwojenia wtórnego modulatora przed działaniem płynącego w nim prądu w.cz., wykonane jest ono w postaci dwóch cewek, tak połączonych, aby strumienie przez nie wytwarzane w rdzeniu środkowym miały kierunki przeciwne. Dzięki temu napięcia w.cz. w nich indukowane nie powodują przepływu prądu w.cz. w uzwojeniu pierwotnym modulatora. Wartość prądu stałego przepływającego przez cewkę pierwotną modulatora była tak ustalona, że osiągany był wzrost oporności pozornej obwodu wtórnego, który zapobiegał przepływowi prądu w.cz. do anteny. Miało to miejsce przy zwartym kluczu modulatora. Poprzez zmniejszenie prądu stałego, co następowało przy rozwartym kluczu, malał opór pozorny uzwojenia wtórnego modulatora i w konsekwencji następował wzrost ilości prądu w.cz. płynącego do anteny. Kondensatory wskazane na schemacie, miały na celu polepszyć skuteczność pracy modulatora, poprzez dobór najbardziej odpowiedniej charakterystyki prądu modulowanego.
Reasumując, naciśnięcie klucza, rys. 22, powodowało rozwarcie jego styków i zmniejszenie prądu stałego w uzwojeniu pierwotnym modulatora i wówczas prąd w.cz., rzędu 100 [a], mógł płynąć do anteny. Kiedy klucz został zwolniony, przekaźnik powodował, że prąd stały w uzwojeniu pierwotnym modulatora wzrastał, do wartości powodującej wzrost oporu pozornego i malenie prądu w.cz. do wartości ok. 3 [a]. Dzięki temu wymagana była stosunkowo mała wartość prądu stałego do sterowania bardzo dużym prądem w. cz. płynącym do anteny.
Należy zaznaczyć, że kiedy alternator częstotliwości radiowej używany był jako źródło promieniowania w.cz., stałość częstotliwości wytwarzanego sygnału zależna była bezpośrednio od stałości szybkości obrotowej dysku alternatora. Dlatego było bardzo ważne, aby jego prędkość obrotowa była jak najbardziej stabilna. W tym celu konieczne było zastosowanie jeszcze innego zespołu współpracującego z alternatorem, w postaci regulatora jego obrotów. 

 

 

Źródła:

 -http://www.sk0mt.net/saqenglish.pdf

-Przegląd Elektrotechniczny, Zeszyt 10,1922.

-Patent Alexandersona w Urzędzie Patentowym USA z 14 listopada 1911 roku, pod numerem 1,008,577.

-Patent Alexandersona w Urzędzie Patentowym USA z 22 sierpnia 1922 roku, pod numerem 1,426,943.

-Zdjęcia współczesne Państwa M. i M. Borkowskich, rys. 11 – rys. 21 oraz rys. 22 - 24

01.08 Regulator szybkości obrotów.

Alternator wytwarza prądy o częstotliwości określonej długością fali elektromagnetycznej. Na taką częstotliwość nastrojony jest obwód anteny. Każda zmiana ilości obrotów dysku alternatora w jednym lub drugim kierunku od normalnej, powoduje wyjście obwodów antenowych ze stanu rezonansu. Ponieważ tłumienia obwodów anteny były stosunkowo nieduże, więc krzywa rezonansu była bardzo smukła, ostra. Dlatego też regulacja obrotów dla stałego obciążenia anteny, winna się odbywać w bardzo ścisłych, małych granicach. Bowiem nawet nieznaczna zmiana obrotów dysku, wobec smukłej krzywej rezonansu, w znacznym stopniu zmniejsza energię w obwodach anteny, a także zmienia częstotliwość wypromieniowanej fali. Jest to bardzo niepożądane przy odbiorze takiego sygnału, gdyż w stosunkowo selektywnych odbiornikach zmniejsza jego natężenie. Należy wspomnieć, że podczas wysyłania informacji za pomocą alfabetu Morse'a, obciążenie alternatora zmienia się, co powoduje dążność do nierównomiernego biegu dysku. Stąd konieczne było stosowanie specjalnego, samoczynnego, bardzo czułego regulatora obrotów dysku alternatora. Regulator obrotów alternatora, rys. 25, składa się z dwóch części podstawowych: z urządzenia reagującego na zmianę obrotów dysku oraz urządzenia sterującego pracą silnika elektrycznego napędzającego dysk.

Rys. 25 Schemat regulatora obrotów dysku alternatora, wg Groszkowskiego zaczerpnięty z Przeglądu Elektrotechnicznego zeszyt 10.

 

Zmiana obrotów wykrywana jest w obwodzie rezonansowym o ostrej charakterystyce, utworzonym przez indukcyjności uzwojenia jednej z 64 cewek uzwojenia twornikowego La, indukcyjności L oraz pojemności C. Obwód ten jest nastrojony na częstotliwość nieco wyższą od normalnej.

Cewka L sprzężona jest z drugą cewką Lw, znajdującą się w obwodzie aperiodycznym, utworzonym z prostownika PR i uzwojenia elektromagnesu Lem  zbocznikowanego pojemnością Cw.

Rdzeń elektromagnesu E i uzwojenia Lem za pośrednictwem kotwiczki K wraz z przerywaczem Sk oddziałuje na obwód wzbudzenia małej prądnicy P prądu stałego, zasilanego ze źródła napięcia stałego w postaci baterii.

Prądnica P zasila prądem stałym, powodującym stan nasycenia żelaza, pierwotne uzwojenia dławików D, których uzwojenia wtórne znajdują się w dwóch głównych fazach silnika S napędzającego dysk alternatora.

W stanie nasycenia magnetycznego, dławiki zachowują się tak, jak gdyby żelaza nie było, a więc ich opór pozorny jest znikomy.

Gdy obroty dysku wzrosną, wzrośnie prąd w.cz. w obwodzie LaCL, a zatem i w obwodzie aperiodycznym, który wskutek działania prostownika PR przekształcony zostanie w prąd stały.

Wzrost prądu w obwodzie aperiodycznym spowoduje rozwarcie styków przerywacza Sk i nastąpi odłączenie zasilania wzbudzenia prądnicy P. Spowoduje to zmniejszenie SEM prądnicy, prądu w pierwotnych uzwojeniach dławików D i w rezultacie wyjście żelaza ze stanu nasycenia, wzrost oporu pozornego i zmniejszenie obrotów silnika S napędzającego dysk.

 

Na zakończenie tekstu dotyczącego alternatora, pragnę wspomnieć o ciekawostkach dotyczących innych polskich alternatorów.


1."Młodszy brat Nadajnika w Babicach".
Przeglądając książkę Macieja Józefa Kwiatkowskiego pt. Narodziny Polskiego Radia i z podtytułem Radiofonia w Polsce w latach 1918 - 1929, wydaną przez PWN w Warszawie 1972 r., spotkałem na stronie 27, ciekawą informację, której fragment przytaczam:
"Największą radiostacją była 10 kW stacja w Grudziądzu o nadajniku typu Alexandersena i 120 metrowym masztem, mieszcząca się w fortecznym schronie. Stacja była darem Francji, wręczonym Ignacemu Paderewskiemu w okresie jego premierostwa. Po licznych kłopotach z uruchomieniem tej stacji, została ona przekazana przez wojsko władzom cywilnym, którym udało się ją uruchomić i użyć do nawiązania korespondencji z Francją, Hiszpanią, Turcją, Anglią i innymi państwami. Była to najsilniejsza polska stacja, aż do uruchomienia pod Warszawą radiostacji transatlantyckiej".
Tak więc dowiadujemy się, że wspomnianym urządzeniem wytwarzającym ciągły sygnał w.cz. był alternator Alexandersona o mocy 10 [kW], błędnie nazwany przez autora typu Alexandersena. Był to więc młodszy brat alternatorów Alexandersona o mocy 200 [kW], jak pisze autor książki, zainstalowanych 1923 r.w Centrali Nadawczej w Boernerowie. 

 

2."Nieznany alternator". Druga ciekawostka dotyczy zdjęcia, rys. 26, jakie otrzymałem 2007.08.24 na forum miesięcznika "Odkrywcy" od forumowicza, kryjącego się pod pseudonimem abcd. Jak pisze autor pochodzącego z "Przeglądu Teletechnicznego" z 1928 r. Sugeruje, że może ono przedstawiać alternator Nadajnika Babice. Nawiązując do poprzedniej wiadomości, uważam, iż jest on zbyt mały i może zdjęcie przedstawia właśnie alternator z Grudziądza. 

 
 Rys. 26 Widok nieznanego alternatora.