Alternateur d'Alexanderson

Alternateur d'Alexanderson à la station radio de Grimeton en Suède.

Un alternateur d'Alexanderson est une machine électrique rotative inventée par Ernst Alexanderson pour produire un courant alternatif à haute fréquence — jusqu'à 100 kHz — destinée aux communications radioélectriques. Cet appareil est inscrit à la liste des évènements importants de l'IEEE (Institute of Electronic and Electrical Engineers, Institut du génie électronique et électrique américain).

Historique

Premières réalisations

En 1891, Frederick Thomas Trouton donne une conférence dans laquelle il établit que si un alternateur électrique tournait à une vitesse suffisante pour produire des alternances de tension rapides, il produirait de l'énergie HF qui se transmettrait sans fil^[1].

Nikola Tesla travaille sur des alternateurs qui permettent des fréquences de sortie de 50 000 Hz^[2]. Un précurseur de l'alternateur d'Alexanderson, au début de 1896, produit une onde continue dans la fréquence des ondes longues se trouvant dans les bandes VLF et LF^[2],[3].

Productions

En 1904, Reginald Fessenden signe avec General Electric pour la fabrication d'un alternateur capable de produire une fréquence de 100 000 Hz en onde continue. L'alternateur est conçu par Ernst Alexanderson. L'alternateur d'Alexanderson est très utilisé pour les radiocommunications en ondes longues par les stations côtières, mais est trop important et trop lourd pour être embarqué à bord des navires.
1906 voit apparaître les premiers alternateurs de 50 kW. L'un est destiné à Reginald Fessenden à Brant Rock (Massachusetts), un autre à John Hays Hammond, Jr. à Gloucester (Massachusetts), et un, enfin, à la branche américaine de la société Marconi à New Brunswick (New Jersey).

Alexanderson obtient un brevet en 1911 pour son appareil. L'alternateur d'Alexanderson vient juste après l'émetteur à éclateur rotatif de Fessenden et est le deuxième système capable de transmettre la voix humaine en modulation d'amplitude. Jusqu'à la découverte de l'oscillateur à tubes électroniques dans les années 1920, l'alternateur d'Alexanderson joue un rôle très important en permettant de transmettre la voix avec de fortes puissances. Le dernier alternateur d'Alexanderson, encore en état de fonctionner, se trouve à la station radio de Grimeton en Suède.

Stations

Station radio	Indicatif	Longueur d'onde (m)	Fréquence (kHz)	Puissance (kW)	Installation	Déclassement	Réforme	Remarques
(en) New Brunswick, New Jersey, USA	WII	13 761	21,8		1918	1948	1953	À l'origine, un alternateur de 50 kW.
	WRT	13 274	22,6		1920	1948	1953
(en) Marion, Massachusetts, USA	WQR	13 423	22,3		1920	1932
	WSO	11 623	25,8		1922	1932		Haiku (Hawaï) après 1942.
(en) Bolinas, Californie, USA	KET	13 100	22,9		1920	1930	1946
	KET	15 600	19,2		1921	1930		Haiku (Hawaï) après 1942.
(en) Radio Central, Rocky Point, New York, USA	WQK	16 484	18,1		1921	1948	1951
	WSS	15 957	18,8		1921	1948		Marion après 1949
(en) Kahuku, Hawaï, USA	KGI	16 120	18,6		1920	1930	1938
	KIE	16 667	18		1921	1930	1938
(en) Tuckerton, NY, USA	WCI	16 304	18,4		1921	1948	1955	À l'origine, un alternateur de Goldschmidt.
	WGG	13 575	22,1		1922	1948	1955
(en) Caernarfon, Pays de Galles, UK	MUU	14 111	21,2		1921		1939
	GLC	9 592	31,3		1921		1939
(en) Radio Kootwijk, Apeldoorn, Pays–Bas	PCG	12 500	24	400	1923	1925	WWII	Remplacée par une station à ondes courtes en 1925. Les émetteurs ont été détruit au cours de la Seconde Guerre mondiale[4].
	PCG	6 250	48	400	1923	1925	WWII	Remplacée par une station à ondes courtes en 1925. Les émetteurs ont été détruit au cours de la Seconde Guerre mondiale[4].
Varsovie, Pologne	AXO	21 127	14,2		1923			Détruite au cours de la Seconde Guerre mondiale.
	AXL	18 293	16,4		1923			Détruite au cours de la Seconde Guerre mondiale.
Grimeton, Suède	SAQ	17 442	17,2		1924			À l'origine 18 600 m, toujours opérationnelle. Inscrite au Patrimoine mondial de l'Unesco.
					1924	1960	1960	Couplage en parallèle.
(en) Monte Grande, Buenos Aires, Argentine	LPZ	16 700	18	500	1924	1931
	LPZ	8 350	36	500	1924	1931
Pernambuco, Recife, Brazil					never			Livrée en 1924
					never			Livrée en 1924

Notes sur les stations de l'US Navy

Démarrées en 1942, quatre stations sont opérées par l'US Navy (marine de guerre des États–Unis) :

• la station de Haiku (Hawaï) jusqu'en 1958 ;

• celle de Bolinas (Californie) jusqu'en 1946  ;

• de Marion (Massachusetts) jusqu'en 1948 ;

• de Tuckerton (État de New York) jusqu'en 1948.

Deux alternateurs sont livrés à Hawaï en 1942, provenant de Marion et Bolinas. Haiku en reçoit un tandis que l'autre est livré à l'île de Guam, mais il retourne à Haiku après la Seconde Guerre mondiale. En 1943, Haiku met en œuvre le premier alternateur de 200 kW. Le deuxième gros alternateur démarre à Haiku en 1949. Ces deux alternateurs sont vendus « pour les pièces » en 1969, peut–être à la Kreger Company of California. La station de Marion est transférée à l'US Air Force et est utilisée jusqu'en 1957 pour la transmission des bulletins météorologiques en Arctique, au Groenland, au Labrador et en Islande. Un des alternateurs est envoyé à la casse, le second est remis à l'US office of standard (bureau de normalisation américain). Les deux machines du Brésil n'ont jamais été utilisées en raison de problèmes d'organisation locaux, elles ont été retournées à Radio Central à Rocky Point (État de New York) peu après 1946.

Principe de fonctionnement

L'alternateur d'Alexanderson est basé sur la réluctance variable (un peu comme un capteur de guitare électrique) qui fait varier le champ magnétique reliant deux bobines. L'alternateur possède un stator circulaire en fer feuilleté qui supporte deux séries de bobines disposées en croissant. La première série de bobines est alimentée en courant continu et produit un champ magnétique dans l'espace vide du stator. La seconde série produit une tension alternative aux fréquences radio. Le rotor est un disque en fer feuilleté avec des trous ou des fentes autour de sa circonférence. Ces ouvertures sont remplies d'un matériau non–magnétique pour diminuer la traînée aérodynamique. Le rotor ne possède aucun bobinage ou connexion électrique.

Quand le rotor tourne, soit c'est une partie en fer du disque qui se trouve dans l'espace inter–électrodes et un fort champ magnétique parcourt l'espace, soit c'est une partie non–magnétique et le champ magnétique est beaucoup plus faible. Ces changements de flux génèrent une tension dans la deuxième série de bobines du stator.

Les bobines HF du final sont toutes reliées entre elles par un transformateur de sortie dont l'enroulement du secondaire est lui-même connecté au circuit de l'antenne. La modulation de la voix en radiotéléphonie, ou la radiotélégraphie, sont produites par un amplificateur magnétique qui est également employé pour la modulation d'amplitude.

La fréquence de l'émission radioélectrique d'un alternateur d'Alexanderson exprimée en Hertz est le produit du nombre de paires d'électrodes du stator par la vitesse de rotation du rotor en tours par seconde. Par conséquent, si on veut augmenter la fréquence d'émission, il faut, soit augmenter le nombre de paires d'électrodes du stator, soit la vitesse de rotation du rotor, soit les deux.

Performances

Un gros alternateur d'Alexanderson peut atteindre une puissance de sortie HF de 200 kW et nécessite un refroidissement à eau ou à huile. Ce type d'appareil possède 600 paires d'électrodes sur les enroulements du stator et doit tourner à 2 170 tours par minute pour une fréquence de sortie de 21,7 kHz. Pour obtenir des fréquences plus élevées, la vitesse de rotation du rotor pourra être amenée jusqu'à 20 000 tours par minute.

Contrairement à l'émetteur à étincelles et à l'émetteur à arcs de Valdemar Poulsen^[5] également utilisés à cette époque, l'alternateur d'Alexanderson génère une onde continue de grande pureté.
Avec un émetteur à étincelles, l'énergie électromagnétique s'étale sur de larges bandes latérales et transmet en réalité sur plusieurs fréquences à la fois. Avec un émetteur à onde continue comme l'alternateur d'Alexanderson l'énergie est concentrée sur une seule fréquence et augmente d'autant l'efficacité de l'émission.

La fréquence d'émission est directement liée à la vitesse du rotor ce qui a conduit à utiliser un régulateur de vitesse automatique pour obtenir une fréquence d'émission stable. Ce système de régulation doit compenser les variations de vitesse du rotor dues aux différences de charge de l'alternateur au moment de la manipulation télégraphique.

Inconvénients

En raison des très hautes vitesses de rotation d'un alternateur d'Alexanderson par rapport à un alternateur conventionnel, il faut un entretien permanent assuré par du personnel qualifié. Il est indispensable de prévoir un refroidissement efficace à eau ou à huile et une excellente lubrification ce qui est difficile avec les lubrifiants de l'époque. En effet, les premières éditions du Admiralty Handbook of Wireless Telegraphy de la Marine britannique (manuel de télégraphie sans fil du ministère de la Marine) décrit ce problème avec beaucoup de précision, sans doute pour justifier le choix de la Royal Navy d'avoir rejeté cette technologie. En revanche l'US Navy l'utilise largement.

On peut aussi noter que chaque changement de fréquence est une opération longue et compliquée. De plus, contrairement à l'émetteur à étincelles, on ne peut pas couper la porteuse comme on le souhaite ce qui exclut, par exemple, de pouvoir « écouter entre les signaux » (c'est–à–dire de stopper la transmission entre chaque signal pour écouter s'il y a une réponse). Il y a aussi le risque de faire repérer le bâtiment par un navire ennemi.

À cause de la limite du nombre d'électrodes et de la vitesse de rotation de la machine, l'alternateur d'Alexanderson est, au mieux, capable d'émettre dans le bas de la bande des ondes moyennes ; l'émission en ondes courtes ou en micro-ondes est physiquement impossible.

Notes

1. ↑ (en) earlyradiohistory.us 1892alt.htm Histoire des débuts de la radio aux États–Unis.
2. ↑ ^{a et b} (en) Brevet U.S. 447920, Method of Operating Arc-Lamps, 10 mars 1891, description d'un alternateur qui produit ce qui, en ce temps-là, est appelé « courant haute fréquence » — 10 000 cycles par seconde.
3. ↑ (en) Leland Anderson, Nikola Tesla On His Work With Alternating Currents and Their Application to Wireless Telegraphy, Telephony, and Transmission of Power (Travaux de Nikola Tesla sur les courants aklternatifs et leur application à la télegraphie sans fil), Sun Publishing Company, LC 92-60482, (ISBN 0-9632652-0-2)
4. ↑ ^{a et b} (ne) Histoire du PCG, Pays-Bas
5. ↑ Un émetteur à arcs est un dispositif qui était utilisé pour convertir du courant continu en énergie radio-électrique. (en) On peut consulter l'article de la Wikipedia anglophone : Arc converter.

Références

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Alexanderson alternator » (voir la liste des auteurs)

• (en) Article sur les générateurs radio historiques.
• (en) David Fisher et Marshall Fisher, Tube, the Invention of Television (Le tube électronique, l'invention de la télévision) Counterpoint, Washington D.C. USA, (1996) (ISBN 1-887178-17-1)
• (en) Hammond, John Winthrop. Men and Volts, the Story of General Electric (Hommes et volts, l'histoire de l'électricité), publié en 1941. Citation : Alexanderson alternator pages 351, 372.
• (en) Notes sur les débats de l'Institut de la Marine américaine selon les dossiers de M.G. Abernathy.
• (en) Lettre du Capitaine G. Warren Clark, retraité de l'US Navy, à M.G. Abernathy.
• (en) Lettre du Capitaine du corvette Francis J. Kishima du corps de Garde-côtes américains, station d'Hawaï, à Monsieur Mayes.
• (en) Station radio de Yosami, 1929

Brevets

• E. F. W. Alexanderson, (en) Brevet U.S. 1008577 Alternateur haute fréquence
• N. Tesla, (en) Brevet U.S. 447921

Liens externes

• (en) Description de l'alternateur de 200 kW de New Brunswick.
• (en) Alternateurs d'Alexanderson de Haiku Valley Oahu.