|
03 -
PODSTAWOWE INFORMACJE
O GŁÓWNYCH ELEMENTACH NADAJNIKA.
03.01. KILKA ZDAŃ WPROWADZENIA DO TEMATU
W
niniejszym rozdziale pragnę dostarczyć czytelnikom minimum informacji o
pomysłodawcy i działaniu,
głównych elementów nadajników
elektromaszynowych:
alternatora i anteny, o których pisząc, często dodaje się jego nazwisko:
ALEXANDERSON. Założyłem, że pierwsze informacje o istocie działania
tych elementów,
nie mogą być zbyt szczegółowe i skomplikowane.
03.02. ŻYCIORYS WYNALAZCY
ALTERNATORA I ANTENY, E. F. W. ALEXANDERSONA.
Ernst Fredrik Werner Alexanderson (1878-1975) ,[1], urodził się w
Uppsali w Szwecji, ukończył uczelnię Royal Technical Institute (KTH)
w
Sztokholmie w 1900 r.,
następnie spędził trochę czasu w Politechnice w Berlinie Charlottenburgu,
gdzie otrzymał gruntowną wiedzę
dotyczącą radia. Jego przyszłość została
zdecydowana
bardzo wcześnie, w wyniku przeczytania przez niego książki Karola P.
Steinmetz’a
pt. „Teoria i przeliczenie 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. W 1919 roku od IRE (Instytut
Inżynierów Radiowych, w 1921 był prezesem IRE)
otrzymał Medal Honoru,
a od AIEE (Amerykański Instytut Inżynierów Elektryków, po połączeniu w
1963 stali się IEEE) w 1944 roku
otrzymał Medal Edisona.
W 1924 roku Alexanderson został wybrany członkiem Królewskiej Szwedzkiej
Akademii Nauk Inżynierskich,
a w 1934 roku członkiem Królewskiej
Szwedzkiej
Akademii Nauk. Otrzymał wiele odznaczeń, honorowych doktoratów,
m.in. od
Uniwersytetu w Uppsali i Królewskiego Instytutu Technologii w
Sztokholmie,
a gdy miał 94 lat został zarejestrowany jego 345-ty patent.
Fot. 1 ALEXANDERSSON jako młody inżynier firmy
Central Electric. [1]
Patenty ALEXANDRESONA[2, 3], które nas interesują,
związane pośrednio Nadajnika w Babicach to: patenty Alternatora,
których
znalazłem pięć
(Patent nr 1008577 1911.nov.14, Patent nr 1110028 1914.SEPT.08, Patent
nr 1110029 1914.SEPT.08,
Patent nr 1110030 1914.SEPT.08,
Patent nr 1426943 1922.aug.22) oraz patent Anteny wielo strojeniowej
(Patent1360167 z 23 listopada 1920 r.).
Oba urządzenia wykonane w oparciu o te patenty noszą jego nazwisko.
Patenty są bardzo szczegółowe i trudne do przetłumaczenia.
Napisane są
bowiem archaicznymi językiem i składnią, oraz przy założeniu, że
czytelnik
posiada podstawową wiedzę na tematy poruszane
w patencie. Ilustrowane są
licznymi rysunkami. Szczególnie patenty o alternatorach.
Dlatego też w niniejszym opracowaniu,
z założenia przeznaczonego dla
czytelnika nie mającego takiej wiedzy, podam jedynie informacje w
popularnym ujęciu,
o obu elementach wykorzystywanych w nadajnikach podobnego typu jak
nadajnik w BABICACH.
Na zakończenie pragnę wspomnieć, iż o dostępie do patentów amerykańskich
podał mi „forumowicz” NURO w wiadomości zamieszczonej w [4],
którą mi wysłał 2008.06.05 po przeczytaniu mojego artykułu [5], fragment
której przytaczam:
Przeczytałem z zainteresowaniem, bardzo ciekawy artykuł i rzeczywiście
wyjaśnia zasadę pracy anteny. Jeśli chodzi o literaturę,
to warto
zajrzeć do oryginalnych
patentów Alexandersona. Podstawowy patent na antenę miał nr 1360167, ale
jest tego sporo
- także na alternator, wzmacniacz magnetyczny i inne
drobiazgi.
Wbrew pozorom wszystkie amerykańskie patenty (od
XVIIIw !) są dostępne bez problemu -
http://www.uspto.gov/patft/index.html
(trzeba zainstalować wtyczkę do przeglądania TIFF)
albo tu:
http://www.freepatentsonline.com/
(konieczna rejestracja)
03.03. KILKA ZDAŃ O ALTERNATORZE
ALEXANDERSONA.
Alternator ALEXANDERSONA był generatorem elektromaszynowym i
służył do wytwarzania sygnału radiowego o częstotliwości
rzędu
kilkunastu tysięcy Hertzów,
czyli na falach ultra długich (VLF). Stabilność jego pracy, w porównaniu
do stabilności stosowanych
przed nim nadajników łukowych, zapewniała
większą pewność
i zasięg łączności radiowej. U podłoża jego działania jest zjawisko
zmian rezystancji magnetycznej, wywołującej zmianę strumienia
magnetycznego przenikającego
dwa nieruchome, rys. 1,
uzwojenia: uzwojenie wzbudzenia UW, umieszczone
w statorze, wytwarzające stałe pole magnetyczne i uzwojenie sygnałowe US
umieszczone w szczelinie obwodu magnetycznego cewki UW.
Rys. 1 Model najprostszego alternatora.
Umieszczenie pomiędzy uzwojeniami US w szczelinie SZ, wirującego
stalowego dysku WR z otworkami OT na jego obrzeżu, rys. 2,
powoduje
zmiany
strumienia magnetycznego, od wartości większej, gdy w pobliżu cewek US
znajdzie się ferromagnetyczny fragment
materiału dysku i mniejszej,
gdy znajdzie się w ich pobliżu otworek.
Rys. 2 Widok modelu alternatora z pojedynczym
zespołem sygnałowym.
Zmiany strumienia magnetycznego przenikając uzwojenia US powodują
indukowanie się w nich zmiennego napięcia, którego wartość zależy:
od wielkości pola magnetycznego, wielkości szczeliny i szybkości
wirowania dysku. Natomiast częstotliwość od szybkości wirowania dysku
i
ilości otworków.
Rys. 3 Schemat alternatora z czterema zespołami
sygnałowymi współpracujących z jednym wirnikiem.
Dla zwiększenia efektywności pracy alternatora w.cz., należy
dążyć do zwiększenia ilość zespołów sygnałowych, gdyż wówczas uzyskuje
się
w każdym zespole
podobne napięcie pulsujące. Sygnały te można wykorzystać, uwzględniając
odpowiednio kierunki uzwojeń,
do pracy równoległej lub szeregowej.
Schemat przedstawiający alternator zaopatrzony w cztery takie zespoły
sygnałowe przedstawia rys. 3.
Jeśli wszystkie uzwojenia sygnałowe w
takim alternatorze
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 opisałem,
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.
Rzeczywisty alternator ALEXANDERSONA o mocy 200 kW, a więc podobnej jak
w Nadajniku Babice, był bardzo skomplikowanym,
trudnym w eksploatacji
urządzeniem, o masie ok.
50.000 kg.
Jego dysk wirował z szybkością 2100 obr/minutę w szczelinie o
prześwitach
ok. 1 mm.
Podczas jego pracy wydzielały się duże ilości ciepła, co wymagało
chłodzenia za pomocą instalacji wodnych.
Dysk posiadał zamiast otworków
szczeliny,
których ilość zależna była od wymaganej częstotliwości sygnału i
oczywiście od średnicy dysku,
ze względu na wielkie siły odśrodkowe
działające
na jego peryferyjną część, nie przekraczającej 1.5 m. Zespół uzwojenia
sygnałowego
takiego alternatora składał się z przewodów połączonych
szeregowo
posobnie, umieszczonych w rowkach statora i był podzielony na 64 sekcje.
Każda sekcja podłączona była do 64 sekcji uzwojenia pierwotnego, rys. 4,
transformatora z rdzeniem powietrznym, który powodował obniżenie
prądu i
podwyższenie napięcia w uzwojeniu wtórnym, podłączonym do obwodu
antenowego.
Transformacja taka, czyli podwyższenie napięcia i obniżenie wartości
prądu było korzystne dla pracy anteny zastosowanej
w Nadajniku BABICE,
także wykonanej wg pomysłu ALEXANDERSONA.
Rys. 4 Schemat elektryczny połączeń elementów
współpracujących z Alternatorem ALEXANDERSONA.
Jest oczywiste, że dla generowania sygnału w. cz. o stałej
częstotliwości, konieczne było zapewnienie wirowania dysku ze stałymi
obrotami.
Zapewniały to specjalne stabilizatory obrotów. Dysk był wprawiany w ruch
obrotowy, rys. 4, poprzez przekładnię podwyższającą
o współczynniku
2.97:1
za pomocą dwufazowego asynchronicznego silnika elektrycznego o mocy 500 KM na napięcie 22000 V
lub jak
podają inne źródła, trójfazowego
na zmienne napięcie 10. 000 V i częstotliwości 50 Hz. Źródła [5a], [5b]
podają,
że Nadajnik w Babicach, oprócz dwóch antenowych zespołów
i budynku nadajnika z alternatorami, posiadał jeszcze budynek
elektrowni,
w której znajdował się generator o mocy 500 kW: silnik
dieslowski z prądnicą
i bateria akumulatorów, który prawdopodobnie
mógł być wykorzystywany do
napędu alternatora.
Dla przekazywania informacji za pomocą alfabetu MORSE’a, z alternatorem
współpracował
specjalny układ kluczujący, zapewniający za pośrednictwem
wzmacniacza magnetycznego i dodatkowego uzwojenia w transformatorze
antenowym, sterowanie sygnałem w. cz. płynącym lub nie, do anteny.
Transformator ten umożliwiał także, dopasowanie oporności wyjściowej
alternatora do wejściowej zespołu antenowego.
Bardziej szczegółowe i obszerne wiadomości dotyczące Alternatora
ALEXANDERSONA, znajdują się w [6].
03.04. KILKA ZDAŃ O ANTENIE
ALEXANDERSONA.
Problem emisji sygnału w. cz. o bardzo niskiej częstotliwości, a
więc o bardzo dużej długości fali elektromagnetycznej, jest problemem
trudnym.
Albowiem, żeby antena pracowała blisko rezonansu, a więc aby prąd w niej
płynący miał głównie składową rzeczywistą,
oraz miała dostatecznie dużą
oporność
promieniowania i sprawność, jej wymiary powinny wynosić przynajmniej
0.25 długości fali sygnału.
Dla sygnału o bardzo niskiej częstotliwości,
czyli dla zakresu długofalowego, jej wysokość powinna być równa kilkuset
metrów.
Praktycznie jest to nie wykonalne. Dlatego też dla fal dłuższych
od 1000 m,
zachodzi konieczność stosowania anten o długości mniejszej
od
rezonansowej, zwanych antenami krótkimi. Jednak wówczas taka antena ma
oporność wejściową
ze składową bierną,
a więc istnieje przesunięcie fazowe między prądem i
napięciem w antenie, o charakterze pojemnościowym, co zmniejsza jej
efektywność.
Dla jej kompensacji szeregowo z anteną włącza się cewki indukcyjne.
Cewki takie nazywa się cewkami przedłużającymi lub strojeniowymi.
Jednak oporność promieniowania i sprawność są nadal nie wielkie.
Anteny „krótkie”, zbliżone są do łatwego w opisie i analizie
teoretycznej
dwubieguna, złożonego z dwu przeciwnych co do znaku
ładunków elektrycznych,
znajdujących się bardzo blisko siebie, w wolnej przestrzeni,
zwanym
symetrycznym dipolem HERTZ’a. Dla uwzględnienia wpływu gleby na
promieniowanie anteny
krótkiej w postaci dipola symetrycznego
umieszcza się jeden jej przewód
pionowo, uziemiając drugi. Uzyskuje się wówczas niesymetryczny dipol
uziemiony,
którego fala rezonansowa
ze względu na tzw. lustrzane odbicie części
nadziemnej w glebie, jest dwa razy dłuższa od jego wysokości
geometrycznej.
Dlatego też taką antenę uziemioną zalicza się do anten niesymetrycznych
i nazywa dipolem ćwierć falowym.
Wykorzystując wnioski wynikające z jego analizy, dla zwiększenia
oporności promieniowania anten dla zakresu długofalowego buduje się
je w
postaci
kilku pionowych dipoli, anten krótkich o długości mniejszej od 0.25 fali
sygnału, zasilanych z jednego generatora.
Dipole takie rozmieszcza się w odległościach znacznie mniejszych od
długości fali i łączy się ich górne części pionowe, rys. 5.
Rys. 5 Schemat ideowy nadajnika w Babicach.
Wówczas we wszystkich przewodach pionowych tworzących antenę
złożoną, płyną jednakowe prądy zgodne w fazie. Jeśli są one
rozmieszczone
w bliskiej
odległości, a tak jest w przypadku Anteny ALEXANDERSONA zastosowanej w
Nadajniku Babice, gdzie odległość między masztami
z przewodami
promieniującymi
wynosi 384 m, a więc znacznie
mniejszej od długości anteny, przykładowo równej 0.25x20.000 m =
5.000 m
dla fali sygnału o długości 20.000 m,
Biorąc pod uwagę, że pojedynczy dipol nie ma charakterystyki
kierunkowej, to również antena złożona z tak usytuowanych i zasilanych
ze wspólnego generatora
zestawów dipoli, anten krótkich, jakim jest alternator ALEXANDERSONA,
również nie ma właściwości kierunkowych.
Bardziej szczegółowe rozważania dotyczące pracy anteny ALEXANDERSONA
znaleźć można w [7] lub w [8].
Literatura do danego rozdziału.
[1]
http://www.sk0mt.net/bilder/tissaqtsa.pdf
[2]
http://www.uspto.gov/patft/index.html
[3]
http://www.freepatentsonline.com/
[4]
http://www.werttrew.fora.pl/artykuly-warte-lub-nie-przeczytania,45/i-dobiech-o-alternatorze-alexandersona-w-pt,3454.html
[5a] Czwarty numer „Spotkań z Zabytkami” z 2001 roku.
[5b]
http://www.babice.waw.pl/radiostacja_babice_artykul.htm
[6] Przegląd Telekomunikacyjny 5/2008 I. DOBIECH, Alternator
ALEXANDERSONA – prekursor nadajnika drgań niegasnących.
[7] Przegląd telekomunikacyjny 5/2008, I. DOBIECH, Jak mogła pracować
antena nadajnika Babice.
[8]
http://www.werttrew.fora.pl/artykuly-warte-lub-nie-przeczytania,45/jak-mogla-pracowac-antena-nadajnika-babice-art,2353.html
Ireneusz Dobiech. Warszawa,
marzec 2009 roku
CIĄG DALSZY NASTĄPI
|
