ژنراتور الکتریکی

ژنراتور دستگاهی است که توان حرکتی (انرژی مکانیکی) را به قدرت الکتریکی برای استفاده در یک مدار خارجی تبدیل می‌کند.

منابع انرژی مکانیکی شامل توربین های بخار، توربین های گاز، توربین های آب، موتورهای احتراق داخلی و… می باشند.

ژنراتورها تقریبا تمام قدرت را برای شبکه های برق تامین می‌کنند. تبدیل معکوس انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی توسط یک موتور الکتریکی انجام می شود و موتورها و ژنراتورها شباهت زیادی به هم دارند.
بسیاری از موتورها می‌توانند به صورت مکانیکی برای تولید برق استفاده شوند ولی به ندرت پیش می‌آید که از ژنراتور های دستی نیز استفاده شود.

ژنراتور الکتریکی ۱

واژه شناسی

ژنراتورهای الکترومغناطیسی به یکی از دو دسته گسترده، دینام دار و دارای دستگاه تولید برق متناوب تقسیم می شوند:
• دینام باعث ایجاد جریان مستقیم الکتریکی می شود.
• دستگاه های تولید برق متناوب نیز مشخصا جریانی متناوب ایجاد می‌کنند.
مکانیک یک ژنراتور شامل یک قسمت چرخشی و یک قسمت ثابت است:
• قسمت چرخشی یک ماشین الکتریکی.
• بخش ثابت دستگاه الکتریکی که بخش چرخان را احاطه کرده است.
یکی از این قطعات یک میدان مغناطیسی را تولید می کند، دیگری دارای سیم پیچ است که در آن میدان، تغییر جهت می‌دهد و یک جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند:
• سیم پیچ یا میدان مغناطیسی (دائمی)
• آرمیچر

ژنراتور الکتریکی ۲

تاریخچه

ژنراتورهای الکترواستاتیکی قبل از اینکه رابطه‌ ی بین مغناطیس و برق کشف شود، اختراع شدند.

آنها بر اساس اصول الکترواستاتیکی عمل می‌کنند به این صورت که با استفاده از کمربندهای متحرک الکتریکی، صفحات و دیسک بار را به الکترودی با پتانسیل بیشتر حمل می کنند. بار با استفاده از یکی از این دو مکانیزم تولید می‌ شود: القای الکترواستاتیک و یا اثر تربو الکتریکی. چنین ژنراتورهایی ولتاژ بسیار بالا و جریان پایینی را تولید می‌کنند.

ژنراتورهای الکترواستاتیک هیچ گاه برای تولید مقادیر قابل توجهی از برق مورد استفاده قرار نگرفتند زیرا عایق کاری دستگاه هایی که ولتاژ های بسیار بالا تولید می کردند بسیار کار سخت و ناکارآمدی بود و همچنین ژنراتورهای الکترواستاتیک دارای رتبه های کم قدرت بودند. تنها استفاده های کاربردی آنها در لوله‌های اشعه ایکس اولیه و بعدها در برخی از شتاب دهنده های ذرات اتمی بود.

ژنراتور دیسک فارادی

اصول کار ژنراتورهای الکترومغناطیسی در سالهای ۱۸۳۱-۱۸۳۲ توسط مایکل فارادی کشف شد. این اصول، که بعدها قانون فارادی نامیده شد، به این صورت است که نیروی الکتروموتور در یک رسانای الکتریکی که شار مغناطیسی متغیر آن را احاطه کرده است، تولید می‌شود.

او همچنین اولین ژنراتور الکترومغناطیسی را به نام دیسک فارادی ساخت.

ژنراتور الکتریکی ۳

جدلیک و پدیده‌ ی خود برانگیختگی

مستقل از فارادی، آنیوس جدلیک (Ányos Jedlik ) در سال ۱۸۲۷ با استفاده از دستگاه های چرخش الکترومغناطیسی شروع به آزمایش کرد که بعد ها این دستگاه‌ ها  self-rotors الکترومغناطیسی نامیده شد.

در نمونه اولیه الکتریکی تک قطبی (بین سال های ۱۸۵۲ و ۱۸۵۴ به پایان رسید) هر دو بخش ثابت و چرخشی الکترومغناطیسی بودند پس از آن کشف اصل دینام های خود برانگیخته، جایگزین طرح آهنربا های دائمی شد.

همچنین ممکن است او مفهوم دینام را در سال ۱۸۶۱ (قبل از زیمنس و ویتستون) فرمول بندی کرده باشد، اما این را قبول نمی کرد زیرا فکر می‌کرد که او اولین کسی نیست که این را می داند.

انواع تخصصی ژنراتورها

جریان مستقیم (DC)

یک گروه مهم از ژنراتورهای جریان مستقیم، گروه ژنراتورهای دینامی هستند.

این دستگاه های الکتریکی دارای سوئیچ هایی برای تولید جریان (DC) مستقیم هستند و خود برانگیختگی ایجاد می‌کنند. به این شکل که نیروی مورد نیاز برای میدان الکترومغناطیسی آنها توسط خروجی خود دستگاه تامین می شود.

دیگر انواع ژنراتور های DC از یک منبع جداگانه از جریان مستقیم برای تقویت مغناطیس های میدان استفاده می‌کنند.

جریان متناوب (AC)

ژنراتور القایی

موتور های الکتریکی القایی ممکن است به عنوان ژنراتور مورد استفاده قرار گیرند و انرژی مکانیکی را به جریان الکتریکی تبدیل کنند.

یک موتور غیر متناوب AC به طور معمول می تواند به عنوان ژنراتور، بدون تغییرات داخلی استفاده شود. ژنراتور های القایی در کاربرد هایی مانند: نیروگاه های مینی هیدرو، توربین های بادی و یا کاهش بخار گاز های فشار بالا به فشار پایین تر، مفید هستند، زیرا می توانند خروجی انرژی را با کنترل های نسبتا ساده بهبود بخشند.

ژنراتور الکتریکی خطی

در ساده ترین شکل ژنراتور الکتریکی خطی، یک آهنربای کشویی به جلو و عقب از طریق یک سلنوید (یک رول سیم مسی) حرکت می‌کند.

جریان متناوب در حلقه های سیم هر بار که آهنربا از آن عبور می کند، توسط القاء قانون فارادی، القا می شود.

این نوع ژنراتور در چراغ قوه فارادی استفاده می‌شود. ژنراتور های الکتریکی خطی بزرگتر نیز در طرح های قدرت موج استفاده می‌شوند.

ژنراتور سرعت ثابت با فرکانس متغیر

بسیاری از تلاش‌هایی که درباره‌ی انرژی های تجدیدپذیر انجام می‌گیرند، برای آن است که منابع طبیعی انرژی مکانیکی (باد، جزر و مد و غیره) را برای تولید برق استفاده کنند.

بدین ترتیب این سیستم ها در موارد خاص، مزایای کاهش هزینه، قابل اطمینان بودن و کارایی را ارائه می دهند.