mini|Vannkraftdrevet vekselstrøms-generatorer i Ýolöten, Murghab, det største vannkraftverket i det russiske keiserdømmet i 1909. Her er generatorene de store sirkelformede konstruksjonene med den mindre magnetiseringsmaskinen til høyre på samme aksel.
En generator er en maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi ved elektromagnetisk induksjon for anvendelse i en ekstern elektrisk krets. Kilden til mekanisk energi kan variere fra en pedaldrevet sykkel til en dampturbin i et kraftverk. I et moderne elektrisk kraftsystem kommer nesten all energi fra synkrongeneratorer som leverer trefase vekselspenning. Den omvendte omforming av elektrisk energi til mekanisk energi skjer i en elektrisk motor, og motorer og generatorer har svært mange likhetstrekk. Flere typer roterende elektriske maskiner kan drives både som motor og generator, uten at de har noen konstruksjonsmessige forskjeller. I akademiske sammenhenger snakker en derfor ofte heller om elektriske maskiner enn om generatorer og motorer.
Veien frem til brukbar elektrisk generator startet i 1831 med Michael Faradays oppdagelse av induksjon og hans oppfinnelse av en meget enkel generator. Det skulle ta mange år med utallige forsøk og oppfinnelser før en brukbar elektrisk generator ble utviklet. Motivasjonen var de store kostnadene og praktiske vansker med å forsyne elektriske motorer med strøm fra batterier. Det virkelig store gjennombruddet for elektrisk energioverføring skjedde med utviklingen av vekselstrømsgeneratoren og trefase overføringsnett. En sentral person i utviklingen var Mikhail Dolivo-Dobrovolskij, som var sjefingeniør hos Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft (AEG). Han bygget videre på oppfinnelsene til Nikola Tesla og Galileo Ferraris' tofase generatorer, som han forbedret betraktelig. Helt uavhengig fant svensken Jonas Wenström også opp trefasesystemet som han offentliggjorde noe senere.
Fra slutten av 1800-tallet og frem til i dag er kraftforsyningen bygget ut i stadig større skala med generatorer for trefase vekselspenning som grunnprinsipp. Store generatorer som brukes i kraftverk er praktisk talt alltid synkrongeneratorer. Navnet henspiller på at det er et helt bestemt forhold mellom maskinens omdreiningstall og frekvensen av den sinusformede spenningen disse produserer. Med sinusformet spenning kan strømmen enkelt gis svært høye spenninger ved hjelp av transformatorer, dette er nødvendig i lange kraftledninger. I mottagersiden transformeres spenningen så ned til passende forbrukerspenning. Generatorer kan variere i ytelse fra noen få watt (W) i håndholde batteriløse apparater, til mange hundre megawatt (MW). Verdens til nå (2015) største generatorer blir satt i drift i et kjernekraftverk i Kina, disse har en ytelse på 1750 MW hver.
Terminologi mini|Animasjon som viser prinsippet for en likestrømsgenerator, tidligere kalt dynamo. Spenningen i rotoren skifter retning, men kommutatoren på akslingen sørger for å snu polariteten slik at maskinen leverer likestrøm.
mini|Animasjon som viser prinsippet for en vekselstrøm synkrongenerator. Spenningen i rotoren skifter retning to ganger for hver omdreining. Sleperingene på akslingen overfører vekselspenning til den ytre kretsen. På moderne generatorer er som regel rotorviklingene tilknyttet en likespenningskilde, mens viklinger i stator leverer energien til den ytre kretsen. Dermed unngås overføring av store strømmer over sleperinger og børster.
Ordet generator kommer fra latin og er partisipp av genero, som betyr avle eller far. Med en generator menes en maskin som omgjør mekanisk energi til elektrisitet ved hjelp av induksjon.
Generatorer kan grupperes i to hovedkategorier: Likestrømsgenerator som genererer likestrøm. Begrepet dynamo brukes til en viss grad om likestrømsgeneratoren, spesielt i dagligtale. I likestrømsgeneratoren dannes vekselstrøm i rotor, men kommutatoren, som er en type mekanisk likeretter, sørger for at maskinen allikevel leverer likestrøm med noe varierende spenning. Se illustrasjonen til høyre Generator som genererer vekselstrøm. Generatorer i kraftforsyningen leverer alltid trefase vekselstrøm. Ved bruk av transformatorer kan spenningen enkelt heves og store energimengder overføres over store avstander med lite tap. Se illustrasjonen til høyre som viser en svært forenklet synkronmaskin. Legg merke til at denne har såkalte sleperinger tilknyttet rotorviklingen, mens likestrømsgeneratoren over har kommutator.
Bruken av ordene generator og dynamo er noe udefinert. De fleste tenderer til å bruke dynamo om likestrømsgenerator og generator om vekselstrømgenerator.
Mekanisk består en generator av hovedkomponentene: Rotor som er den roterende del av en generator og som er direkte tilknyttet akselen Statoren er den stasjonære del av en generator Akslingen som bærer rotor og sleperinger eller kommutator. Denne tilknyttes turbin eller en annen maskin som drar den rundt Sleperinger eller kommutator
Elektriske hoveddeler: Ankeret er en betegnelse på arbeidsviklingene i generatoren. Det er disse som fører hovedstrømmen som leveres til den ytre kretsen. I likestrømsgeneratorer ligger arbeidsviklingene på rotor mens de ligger på stator i vekselstrømgeneratorer Feltet er det magnetiske feltet i en elektrisk maskin. Felt dannes med elektromagneter eller permanentmagneter Magnetiseringsutrustningen sørger for elektrisk strøm til feltet dersom det dannes av elektromagneter. Magnetiseringen kan skje ved: Egenmagnetisering der maskinen selv skaffer strøm for formålet Fremmedmagnetisering der en egen utrusting, uavhengig av generatoren, sørger for strøm til feltet. Dette kan være fra batterier eller fra en egen mindre likestrømsmaskin.
Historisk utvikling Før oppdagelsen av sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme ble elektrostatiske generatorer anvendt. Slike generatorer utnytter statisk elektrisitet og genererer svært høy spenning, men liten strøm. En slik type generator er Van de Graaff-generator. Gjennom å flytte elektrisk ladede belter og plater bygges det opp et stadig økende elektrisk potensial på en elektrode, enten ved hjelp av Elektrostatisk induksjon eller triboelektrisk effekt. Lav effektivitet og utfordringer med elektrisk isolasjon som kreves ved høye spenninger, medførte at slike generatorer aldri ble tatt i bruk for kommersiell elektrisitetsproduksjon. I dag er ordet generator forbeholdt elektrisk energiproduksjon basert på elektromagnetisk induksjon.
Teoretisk utvikling
mini|Faradays skivegenerator regnes for å være den første elektromagnetiske generator. En hesteskoformet magnet (A) opprettet et magnetfelt gjennom platen (D). Når platen roterer induseres en elektrisk strøm radielt utover fra midten mot periferien. Strømmet går ut gjennom den glidende fjærkontakten (m), gjennom den eksterne kretsen og tilbake til midten av skiven gjennom akselen.
Funksjonsprinsippet for den elektromagnetiske generatoren ble oppdaget i 1831 av den britiske fysikeren Michael Faraday og også uavhengig av amerikaneren Joseph Henry. Prinsippet som senere er kjent som Faradays lov, sier at en elektromotorisk spenning (EMS, eller elektromotorisk kraft, EMK) induseres i en elektrisk leder omsluttet av et varierende magnetfelt. Mer spesifikt at den elektromotoriske spenningen er proporsjonal med den tidsderiverte magnetiske flukstettheten:
der
er den elektromotoriske kraft (EMK) ΦB er den magnetiske fluksen, og minustegnet kanskje forklares best av Lenz' lov: Retningen av den induserte spenningen er slik at den vil motvirke sin årsak.
Denne indre spenningen driver den elektriske strømmen i en tilknyttet elektrisk krets.
Faraday laget i 1831 en enkel elektromagnetisk generator kjent som Faradays skivegenerator, eller homopolar generator. Denne besto av en kobberskive på en aksling, slik at den kunne rotere mellom armene til en hesteskomagnet (se figuren). Det oppsto da en likespenning mellom senter og periferi av platen som kunne drive en liten strøm i en ekstern krets.
De første eksperimenter med generatorer mini|En av de aller første generatorer bygget av franskmannen Hippolyte Pixii i 1832. Pixii var instrumentmaker for André-Marie Ampère og Claude Pouillet på 1820-tallet. Først laget han en maskin som ga vekselspenning. Senere utviklet han en enkel kommutator slik at det ble generert likespenning. Denne tegningen viser den siste versjonen, men vekselspenningsutgaven kan ha sett meget lik ut.
Det var ikke stort praktisk behov for en generator på tiden Faraday oppdaget loven om induksjon. Dette forandret seg med inntoget av teknologier som telegraf og lysbuelamper. Disse ble først drevet av batterier, men dette var kostbart, og i 1860- og 1870-årene ble det en fornyet interesse for generatoren.
mini|Prinsippet for en kommutator og tilknytningen til ankerviklingene vist skjematisk. Alle delene unntatt kullbørstene markert S og M roterer. Diagrammet under viser spenningen som kan hentes ut. Tegningen viser også rotorviklinger utformet som en Grammes ring som kom mange år etter Hippolyte Pixii første kommutator.
Det aller første roterende apparatet drevet av elektromagnetisme ble bygget av engelskmannen Peter Barlow i 1822. Dette er kjent som Barlows hjul. I juli 1832 laget den franske instrumentmakeren Hippolyte Pixii det første apparatet som genererte vekselspenning ved induksjon ved hjelp av roterende permanentmagneter. Apparatet ble presentert offentlig i september 1832 på et møte i Det franske vitenskapsakademiet (fransk: Académie des Sciences), og allerede i juli ble oppfinnelsen omtalt i Annales de Chimie. Etter ideer fra André-Marie Ampère utviklet han samme år en komponent som snudde strømmens retning for hver halve omdreining rotoren gjorde. Dermed leverte apparatet ut likespenning. Komponenten som snudde spenningen er kjent som kommutatoren. Imidlertid er det engelskmannen William Ritchie som er kjent som oppfinneren av kommutatoren. Ritchie hevdet å ha funnet opp kommutatoren den samme sommeren som Pixii.
I den aller første tiden med eksperimentering med elektriske maskiner ble det skilt strengt mellom såkalte «magnetelektriske-» og «elektromagnetiske-maskiner», i betydningen henholdsvis generatorer og motorer. Den russisk-tyske fysikeren Emil Lenz viste imidlertid i en artikkel publisert i Annalen der Physik i 1834 at fenomenene «magnetelektrisitet» og «elektromagnetisme» var to sider av samme sak. Han formulerte «loven om gjensidighet mellom magnetelektrisitet og elektromagnetisme». Dette innebar at en elektrisk motor må kunne fungere som generator, og omvendt. I løpet av noen år ble dette akseptert, særlig etter 1838 da det ble rapportert om flere tilfeller der det eksperimentelt ble vist at fenomenet kan gå motsatte veier. Lenz rapporterte selv i 1838 i Annalen der Physik at han hadde lyktes med å få en Pixii-generator til å virke som motor.
Elektrisk motor som motivasjon for å lage en generator Fra midten av 1800-tallet ble det gjort svært mange forsøk på å forbedre elektriske motorer og generatorer. Det ble gjort forsøk med både roterende maskiner, og innretninger der en stang ble satt til å beveges frem og tilbake omtrent som stemplet i en dampmaskin. (I dag omtalt som en lineærgenerator.) Den tyske-jødiske ingeniøren og fysikeren Moritz Hermann von Jacobi holdes for å være den første til å lage en praktisk anvendbar elektrisk motor. Han rapporterte til Annalen der Physik i mai 1834 at han hadde konstruert en elektrisk motor som kunne løfte en vekt på 10–12 pund opp med en fart av én fot i sekundet. Dette tilsvarer en effekt på 15 W.