Generaattori

Generaattori eli sähkögeneraattori on kone, joka muuttaa mekaanista liike-energiaa sähkövirraksi.

Sähköenergian muodostuminen

Magneettikentässä liikkuvaan (pyörivään) sähkönjohtimeen indusoituu sähkömotorinen voima (jännite) ja sitä kautta sähkövirta. Tätä ilmiötä kutsutaan sähkömagneettiseksi induktioksi. Indusoituneen jännitteen suuruus riippuu magneettikentän voimakkuudesta, johtimen pituudesta ja sen pyörimisnopeudesta magneettikentässä eli magneettivuon vaihtelusta. Johtimessa kulkee sähkövirta vasta sitten kun se on kytketty suljetuksi virtapiiriksi.
Yksinkertaisimmillaan generaattori on sähköjohtimesta muodostettu silmukka jota pyöritetään magneettikentässä, tai magneettia pyöritetään silmukan ympärillä. Tämä synnyttää johtimeen sähkövirran energian pysyvyyden mukaisesti. Tämä tarkoittaa sitä että energia ei häviä, vaan se muuttaa muotoaan energiamuodosta toiseen: esimerkiksi generaattorissa liike-energia muuttuu sähköenergiaksi.

Generaattorin toiminta

Generaattori koostuu kahdesta osasta jotka muuttavat liike-energian sähköksi. Toinen on seisoja eli staattori, ja toinen pyörijä eli roottori. Generaattorityypistä riippuu kuinka osat ovat magnetoitu, ja muodostuuko käyttövirta staattorilla vai roottorilla.
Yksinkertaisessa generaattorissa roottorina on kestomagneetti, joka on ympäröity staattorilla. Staattori on rautalevyistä koostuva levypakka, jossa on urat (ks. kuva). Staattorin levyrakenne estää pyörrevirtojen ja näin energiahäviöiden muodostumisen.
Staattorin uriin kierretään silmukoiksi käämi, ja pyöritettäessä magneettista roottoria staattorin sisällä staattorin käämeihin indusoituu sähkövirta. Tällainen rakenne voidaan valmistaa myös siten, että staattori on magneettinen ja roottorissa on käämitys. Tällöin roottorilla muodostuva virta saadaan siirrettyä ulkopuolisiin johtimiin joko liukurenkailla tai kommutaattorilla kuten kuvassa.

Sähkömotoriikka

Sähkövirran muuttuminen pyrkii korvaamaan magneettikentän muutoksen ja magneettikentän muuttuminen sähkövirran muutoksen. Edellisessä tapauksessa kyse on generaattorista, jälkimmäisessä tapauksessa puolestaan sähkömoottorista. Näin ollen kytkentöjä sopivasti muuttaen (konetyypistä riippuen) sähkömoottori voidaan muuttaa generaattoriksi, tai päinvastoin.

Magnetointi ja sähkötuoton säätö

Verkkosähkön tuottamisessa käytetään tavallisesti tahtigeneraattoreita, koska vaihtosähkön taajuuden 50 tai 60 Hz on oltava tarkka, jotta sähköä käyttävät koneet eivät vaurioituisi. Myös tasasähkö esimerkiksi autoissa tuotetaan vaihtovirtageneraattoreilla (laturi) ja sähkö tasasuunnataan diodin avulla. Autoissa on akku varastoimassa sähköenergiaa, joten tuoton ja kulutuksen ei tarvitse olla aivan samassa suhteessa.
Sähköverkossa täytyy kuitenkin kulutuksen ja tuoton olla jatkuvasti tasapainossa. Tämän vuoksi voimalaitoksissa sähkö tuotetaan pääasiassa vierasmagnetoiduilla tahtigeneraattoreilla, joissa on automaattinen jännitteen säätö.

Tahtigeneraattorin magnetointi

Tahtigeneraattori magnetoidaan roottorin akselilla olevan apukoneen avulla. Tämä apukone on ulkonapainen vaihtovirtageneraattori, jonka tuottama sähkövirta tasasuunnataan ja johdetaan roottorin napoihin. Pienemmissä synkronigenerattoreissa samalla akselilla oleva tasavirtageneraattori on hyvin tavallinen magnetointivirran lähde. Vanhemmissa generaattoreissa magnetointivirran tasasuuntaus tehdään yleensä kommutaattorin avulla ja johdetaan liukurenkaiden kautta roottorille. Uudemmissa synkronigeneraattoreissa käytetään puolijohteita tasasuuntaukseen, akselin mukana pyörivä tasasuntaaja mahdollistaa rakenteen, jossa ei ole kuluvia liukurenkaita laisinkaan.
Automaattinen jännitteen ja loistehon säätö toimii siten, kun loistehon tarve verkossa kasvaa, lisätään virtaa apukoneen staattorille, jolloin myös magnetointivirta kasvaa ja generaattori tuottaa enemmän loistehoa. Loistehon tuotanto ylläpitää verkon jännitettä. Ilman verkon kuormitusta pyörivässä synkronigeneraattorissa magnetoinnin lisäys näkyy jännitetason nousuna.
Loistehon tuotanto teoriassa ei vaadi energiaa generaattoria pyörittävältä voimakoneelta. Käytännössä suurentuneet virrat aiheuttavat häviötä ja siten tehontarpeen nousun.
Periaatteessa kuluttajan sytyttäessä hehkulampun (lisäten resistiivistä kuormaa), jossakin generaattorissa kasvaa samanaikaisesti generaattorin pyörittämisen voimantarve. Jos kuluttaja kytkee verkkoon jotakin, joka kuluttaa loistehoa, esim. kuormittamaton kolmivaihemoottori, periaatteessa kasvaa jonkin generaattorin loistehon tuotantotarve, vaikka energiantarve lisääntyykin vain siirtohäviöiden verran. Samoin, jos kuluttaja kytkee kapasitiivista kuormaa verkkoon loistehon tarve pienentyy, tällöin jonkun generaattorin on supistettava loistehon tuotantoa ja voimantarve lisääntyy vain siirtohäviöiden verran. Yleensä sähköyhtiöt ja suuret kuluttajat tuottavat loistehoa kondensaattoriparistoilla, joka on synkronigeneraattorien loistehon tuotantoa taloudellisempi tapa. Voimalaitoksissa synkronigeneraattorit yleensä lievästi alimagnetoidaan. Tällöin häiriöiden johdosta verkosta tippuvan synkronigeneraattorin napajännite ei kasva ryntäyksen seurauksena tolkuttoman suureksi. Induktiivisen tehon irrottaminen verkosta rasittaa kytkinlaitteita myös vähemmän.
Valtakunnan verkossa pienet sähkönkulutuksen muutokset kumoavat toisiaan ja kulutus on varsin tasaista. Valtakunnan verkossakin tarvitaan jonkun verran niin sanottua säätövoimaa eli energialähteitä, joissa pystytään nopeasti säätämään generaattorin pyörittämiseen tarvittavaa voimaa. Suomessa tällaisena säätövoimana käytetään vesivoimalaitoksia.
Magnetointivirralla pystytään säätämään myös tahtigeneraattorin loistehoa. Ylimagnetoimalla roottori eli käyttämällä suurempaa magnetointivirtaa kuin jännitteen ylläpitäminen vaatisi, saadaan tahtigeneraattori tuottamaan induktiivista loistehoa. On rakennettu myös synkronigeneraattoreita, jotka pyörivät verkossa reilusti ylimagnetoituna loistehoa tuottaen. Niissä on vain pieni sähkömoottori, joka antaa alkuvauhdin, jotta synkronikone saadaan tahdistettua verkkoon. Tämän jälkeen generaattori pyörii synkronimoottorina ja ylimagnetoituna tuottaa loistehoa. Tämän loistehon tuotantotavan on syrjäyttänyt kondensaattoriparisto.
Alimagnetoimalla synkronikoneen roottori saadaan kulutettua loistehoa. Tällöin synkronikone näkyy verkkoon päin induktiivisena, ts. loistehoa kuluttavana laitteena. Jos alimagnetointi on kovin rajua suhteessa koneen akselitehoon voi tapahtua tahdista tippuminen. Jos koneessa ei ole lainkaan magnetointivirtaa ylläpitäviä laitteita, mutta roottorin magnetointipiiri on oikosuljettu, tai säätövastuksen avulla yhdistetty, alkaa koneen jättämä generoida piiriin magnetointivirtaa. Sähköistyksen alkuaikoina heikkojen verkkojen aikaan liukurengasmoottori oli hyvin tavallinen voimakone, koska se voitiin käynnistää pienten sulakkeiden läpi. Liukurenkailta magnetointivirta johdettiin säätövastukseen, joka kierrettiin kiinni koneen kiihdyttyä käyttönopeuteensa. Joissain koneissa oli vielä erityinen oikosulkupala, jolloin hiiliharjat nostettiin ylös ja liukurenkaat oikosuljettiin käynnistysjakson päätteeksi. Tämän vuoksi liukurengaskone on hyvin helppo muuttaa generaattoriksi vaihtamalla säätövastus magnetointivirtalähteeksi.
Jotkin sähkölaitteet, kuten induktiomoottorit ja loistelamput kuluttavat loistehoa verkosta toimiessaan. Tällöin loistehon kulutus näkyy energiankulusta suurempana virrankulutuksena, ts. laite vaatii suuremmat sulakkeet, kuin pätötehon perusteella tulee. Energiaa ei kumminkaan kulu enempää, koska tehoa kulutetaan ja tuotetaan puolijakson aikana, summa on vasta pätöteho, tehojen itseisarvojen erotus on loisteho. Energia virtaa siis edestakaisin, joka puolijaksolla. Loistehon kulutus ilmoitetaan cos arvona. Induktiomoottorille tyypillinen cos arvo on 0.8, tällöin tehon puolesta laskettu esim. 10A muuttuukin 10A/0.8=12.5A virraksi. Induktiomoottorin tapauksessa käynnistysvirrat saattavat olla huomattavasti suurempia.

Tasavirtageneraattori

Tasavirtageneraattorissa vaihtovirta tasasuunnataan, joko kääntämällä johdinsilmukan napaisuus puolen kierroksen välein hiiliharjojen ja kommutaattorin avulla kuten vanhoissa auton latureissa, tai tasasuuntaamalla virta diodisillan avulla, kuten esimerkiksi nykyaikaisissa autojen vaihtovirtaa tuottavissa latureissa.

Vaihtovirtageneraattori

Vaihtovirtageneraattorit tuottavat vaihtovirtaa, jonka suunta ja suuruus muuttuvat jatkuvasti generaattorin pyörimisen tahtiin sinikäyrän muotoisesti. Generaattorin tuottama vaihtojännite on mahdollista muuntaa sähkön siirtoon tai haluttuun käyttötarkoitukseen paremmin sopivaksi muuntajan avulla, joko suuremmaksi tai pienemmäksi.
Generaattori voi olla sähköisiltä kytkennöiltään induktiomoottoria vastaava, mitä ratkaisua käytetään pienemmissä aggregaateissa.
Muuttuvanopeuksisissa voimaloissa, kuten tuulivoimaloissa, voidaan myös käyttää epätahtigeneraattoreja. Nämä ovat kaksoissyöttökytkettyjä liukurengasepätahtigeneraattoreita, joissa staattori on kytketty suoraan verkkoon ja roottorin kolme vaihetta on kytketty liukurenkaiden ja taajuusmuuttajan kautta verkkoon. Tässä taajuusmuuttajan rakenne on sellainen, että tehoa voidaan siirtää sekä roottorilta verkkoon että verkosta roottorille. Eli tasavirtavälipiirin molemmilla puolilla on vaihtosuuntaaja. Tällaista konstruktiota voidaan käyttää tahtinopeuden ylä- ja alapuolella. Sillä voidaan myös tuottaa loistehoa verkkoon.

Vaihtovirtatahtigeneraattori

Vaihtovirtatahtigeneraattori on tahtimoottoria vastaava, jolloin koneen ollessa vierasmagnetoitu, magnetointivirtaa muuttamalla voidaan muuttaa generaattorin tuottaman loistehon määrää.

Voimalaitosgeneraattori

Suuret voimalaitosgeneraattorit, jotka tuottavat virtaa valtakunnalliseen sähköverkkoon, ovat vaihtovirtatahtigeneraattoreita, ja lähes poikkeuksetta vierasmagnetoituja, joka on parhaiten säädettävissä oleva generaattorityyppi.
Voimalaitosgeneraattorit ovat yleensä tahtigeneraattoreita, koska ne voidaan kierroslukua säätämällä saada tuottamaan tarkalleen tietyntaajuista (esimerkiksi Suomessa 50 Hz) vaihtovirtaa. Tämä siksi, että koko valtakunnallinen sähköverkko toimii kaikkialla samalla taajuudella ja samassa vaiheessa, ja jos verkkoon syötettäisiin eritaajuista virtaa, vaihe-erot voisivat aiheuttaa oikosulkuja ja sähkölaitteiden rikkoutumista. Pieniä yksinkertaisia voimalaitoksia on toteutettu myös oikosulkukoneilla rakenteen yksinkertaisuuden vuoksi.
Tästä syystä käyttöön otettavat ja pysähdyksissä olleet voimalaitosgeneraattorit aina tahdistetaan toimimaan tarkalleen samassa vaiheessa ja samalla taajuudella muun verkon kanssa ennen generaattorin kytkemistä verkkoon.