ژنراتور

قلم ایر براشدر تولید برق، ژنراتور وسیله ای است که نیروی محرکه (انرژی مکانیکی) را برای استفاده در مدار خارجی به نیروی الکتریکی تبدیل می کند. منابع انرژی مکانیکی عبارتند از توربین های بخار، توربین های گاز، توربین های آبی، موتورهای احتراق داخلی، توربین های بادی و حتی میل لنگ دستی. اولین ژنراتور الکترومغناطیسی، دیسک فارادی، در سال 1831 توسط دانشمند بریتانیایی مایکل فارادی اختراع شد. ژنراتورها تقریباً تمام توان شبکه های برق را تأمین می کنند.تبدیل معکوس انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی توسط موتور الکتریکی انجام می شود و موتورها و ژنراتورها شباهت های زیادی دارند. بسیاری از موتورها را می توان به صورت مکانیکی برای تولید برق هدایت کرد. ژنراتورهای الکترومغناطیسی به یکی از دو دسته کلی دینام و دینام تقسیم می شوند.دیناموها جریان مستقیم پالسی را با استفاده از یک کموتاتور تولید می کنند.آلترناتورها جریان متناوب تولید می کنند.از نظر مکانیکی یک ژنراتور از یک قسمت دوار و یک قسمت ثابت تشکیل شده است:روتور: قسمت دوار یک ماشین الکتریکی.استاتور: بخش ثابت یک ماشین الکتریکی که روتور را احاطه کرده است.یکی از این قسمت ها یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند، دیگری دارای سیم پیچی است که در آن میدان متغیر جریان الکتریکی را القا می کند:سیم پیچ میدانی یا آهنرباهای میدانی (دائمی): جزء تولید کننده میدان مغناطیسی یک ماشین الکتریکی. میدان مغناطیسی دینام یا دینام را می توان توسط سیم پیچ های سیم به نام سیم پیچ میدان یا آهنرباهای دائمی تامین کرد. ژنراتورهای تحریک شده الکتریکی شامل یک سیستم تحریک برای تولید شار میدان هستند. ژنراتوری که از آهنرباهای دائمی (PMs) استفاده می کند، گاهی مگنتو یا ژنراتور سنکرون آهنربای دائم (PMSG) نامیده می شود.آرماتور: جزء تولید کننده نیرو در یک ماشین الکتریکی. در یک ژنراتور، دینام یا دینام، سیم‌پیچ‌های آرمیچر جریان الکتریکی را تولید می‌کنند که برق یک مدار خارجی را تامین می‌کند.آرمیچر می تواند بر روی روتور یا استاتور باشد، بسته به طرح، با سیم پیچ میدان یا آهنربا در قسمت دیگر.قبل از اینکه ارتباط بین مغناطیس و الکتریسیته کشف شود، ژنراتورهای الکترواستاتیک اختراع شدند. آنها بر اساس اصول الکترواستاتیک، با استفاده از تسمه ها، صفحات و دیسک های باردار الکتریکی متحرک که بار را به یک الکترود با پتانسیل بالا می بردند، کار می کردند. بار با استفاده از یکی از دو مکانیسم ایجاد شد: القای الکترواستاتیک یا اثر تریبوالکتریک. چنین ژنراتورهایی ولتاژ بسیار بالا و جریان کم تولید می کردند. ژنراتورهای الکترواستاتیک به دلیل ناکارآمدی و دشواری ماشین‌های عایق که ولتاژهای بسیار بالایی تولید می‌کنند، توان پایینی داشتند و هرگز برای تولید مقادیر قابل توجهی از انرژی الکتریکی مورد استفاده قرار نگرفتند. تنها کاربردهای عملی آنها برق رسانی به لوله های اولیه اشعه ایکس و بعداً در برخی از شتاب دهنده های ذرات اتمی بود. اصل عملکرد ژنراتورهای الکترومغناطیسی در سال های 1831-1832 توسط مایکل فارادی کشف شد. این اصل که بعداً قانون فارادی نامیده شد، این است که نیروی محرکه الکتریکی در یک هادی الکتریکی که شار مغناطیسی متغیری را احاطه می کند، ایجاد می شود.او همچنین اولین ژنراتور الکترومغناطیسی به نام دیسک فارادی را ساخت. یک نوع ژنراتور همقطبی، با استفاده از یک دیسک مسی که بین قطب های آهنربای نعل اسبی می چرخد. ولتاژ DC کمی تولید کرد.این طراحی ناکارآمد بود، به دلیل جریان مخالف خود خنثی کننده جریان در مناطقی از دیسک که تحت تأثیر میدان مغناطیسی نبودند. در حالی که جریان مستقیماً در زیر آهنربا القا می شد، جریان در مناطقی که خارج از تأثیر میدان مغناطیسی بودند به سمت عقب گردش می کرد. این جریان مخالف، توان خروجی را به سیم‌های پیکاپ محدود می‌کرد و باعث گرم شدن ضایعات دیسک مسی می‌شد. ژنراتورهای هم قطبی بعدی این مشکل را با استفاده از آرایه ای از آهنرباها که در اطراف محیط دیسک چیده شده اند برای حفظ یک اثر میدان ثابت در یک جهت جریان-جریان حل می کنند.یکی دیگر از معایب این بود که ولتاژ خروجی بسیار پایین بود، به دلیل یک مسیر جریان از طریق شار مغناطیسی. آزمایشگران دریافتند که استفاده از سیم پیچ های متعدد در یک سیم پیچ می تواند ولتاژهای بالاتر و مفیدتری تولید کند. از آنجایی که ولتاژ خروجی متناسب با تعداد دورها است، ژنراتورها را می توان به راحتی برای تولید هر ولتاژ دلخواه با تغییر تعداد دورها طراحی کرد. سیم پیچ سیم به یکی از ویژگی های اساسی تمام طرح های ژنراتور بعدی تبدیل شد.