Generator

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 

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 

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 

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.

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.

I desember 1833 ble den amerikanske smeden Thomas Davenport den første som laget en elektrisk motor i USA. Hans maskin kunne yte 4,5 W, men hverken han eller andre oppfinnere på denne tiden, greide å lage en maskin med en ytelse som gjorde den praktisk anvendbar. Det store spranget kom i 1838, da Jacobi lyktes med å lage en motor som utviklet hele 300 W. For å demonstrere dens praktiske anvendelse satt han motoren i en båt og transporterte 14 personer over elven Neva i St. Petersburg. Denne båtturen fant sted den 13. september 1838, båten kjørte 7,5 km og holdt en fart på 2,5 km/h. I båten var det sink-batterier som til sammen veide 200 kg. I årene fra 1837 til 1866 ble det tatt ut hele 100 patenter på elektriske motorer bare i England. I hele verden ble det tatt ut tusenvis av patenter. Det skulle vise seg å ta lang tid før noen overgikk Jacobi når det gjaldt ytelsen for en elektrisk maskin.

Det skjedde stadige forbedringer av elektriske motorer, men det var et fundamentalt problem med disse; den høye vekten og kostnadene for batteriene. Dette ble også motivasjonen for å lage en funksjonell generator som kunne forsyne motorer med elektrisitet. I 1850 skrev R. Hunt i British Philosophical Magazine at en elektrisk motor, selv under de beste forhold, er 25 ganger mer kostbar enn en dampmaskin for å gjøre det samme arbeidet. I 1841 utlovet Det tyske forbund en pris på 100 000 gulden til den som konstruerte en elektrisk motor som kunne gi billigere energi enn en hest, en dampmaskin eller et menneske. Det viste seg umulig å få til noe slikt uten at en vellykket generator ble konstruert.

Likestrømsgeneratorer

Siemens dynamo 

I 1856 klarte den tyske ingeniøren og industrimannen Werner von Siemens å utvikle en generator som ga en viss effekt. Denne var basert på permanentmagneter og ble kalt dobbelt-T-maskinen. Maskinen ble også kalt sylinder-induktoren på grunn av rotorens sylinderform. De første utgavene av denne ble anvendt innenfor telegrafi og ble sveivet rundt for hånd. Lignende maskiner er senere brukt også i magneto-telefoner og felttelefoner.

Maskinen har en hesteskoformet permanentmagnet som gir et statisk felt gjennom rotor. Gapet i hesteskoen har en sylinderformet utforming som delvis omslutter rotor. Siemens gjorde en annen viktig konstruksjonsforbedring: Viklingen i rotoren ble lagt i flere spor i rotorens omfang. Dette er en av flere konstruksjonsmessige forbedringer frem mot en generator med mindre pulsering i spenningen.

I slutten av 1866 offentliggjorde Siemens sin oppfinnelse av en ny type generator uten permanentmagneter for å danne felten, men elektromagneter. Altså spoler eller viklinger med mange tørn som dannet et kraftig magnetfelt. Strømmen til å drive elektromagnetene ble hentet fra maskinen selv. Prinsippet gikk ut på å starte generatoren med strøm fra et galvanisk-batteri, som bygget opp feltet. Etter hvert som arbeidsviklingene bygget opp en stadig sterkere spenning, ble også feltet sterkere og batteriet kunne frakobles. Feltet økte i styrke inntil jernet gikk i metning, altså ikke kan føre et større magnetfelt. Siemens kalte sin generator for en dynamo-elektrisk maskin for å understreke at den skaffer sin egen magnetisering uten permanentmagneter. Med denne oppfinnelsen fås sterke magnetfelt, dessuten unngås problemet med at permanentmagnetene mister sin magnetisme over tid. Denne maskinen regnes for å være den første vellykkede likestrømsgenerator. Det skulle imidlertid vise seg at den engelske oppfinneren Charles Wheatstone i februar 1867 hadde gjort den samme oppfinnelsen uavhengig av Siemens.

Grammes ankerring 

En stor ulempe med Siemens generator var at den produserte en pulserende spenning. I 1871 kom den belgiske ingeniøren Zénobe Théophil Gramme med en dynamo uten denne pulseringen. Grammes dynamo hadde en rotor som ble kalt Grammes ankerring, med viklinger som var sammenkoblet som bildet til høyre øverst viser. Rett nedenfor til høyre er prinsippet vist som en torus (ring) med vinklinger rundt. Fra hver viklingspole var det forbindelse til segmenter på kommutatoren. Det ble indusert like mye spenning i den øverst halvdel av ringen som i den nederste, og børstene hentet ut strømmen ved -B og +B. Hadde det ikke vært for at børstene var plassert der ville den induserte strømmen blitt null. Dynamoen til Gramme gikk med en hastighet på 800-1000 o/min og ga en strøm med mindre pulsering (rippel). Årsaken er fordeler som oppnås med såkalte distribuerte viklinger, noe som blir omtalt lenger ned i artikkelen.

Endelig en funksjonell likestrømsgenerator 

Friedrich von Hefner-Alteneck som var sjefingeniør for Siemens fant i 1872 opp en rotor til dynamoen med sylindrisk form. Denne hadde i tillegg viklinger som ble lagt i en rekke spor i rotorens periferi og parallelt med akselen. Dette var en forbedring av Grammes oppfinnelse, fordi denne ikke har en stor del av viklingene på innersiden der det uansett ikke ble indusert noe spenning. i tillegg er det produksjonsmessig enklere enn å vikle Grammes toroid.

Franskmannen Auguste Pellerin foreslo at stålkonstruksjonene i en elektrisk maskin burde være av laminerte stålplater istedenfor massivt stål og at de ble elektrisk isolert fra hverandre. Hensikten med dette var å unngå virvelstrømmer. Med disse siste oppfinnelsene greide en endelig å få gode dynamoer og tilhørende motorer.

Dynamoens videre anvendelse 
Selv om også generatorer som produserte vekselspenning kom i bruk fra rundt 1870, hadde likespenning størst utbredelse. Vekselspenning var et godt alternativ for lysbuelamper som ble mer og mer vanlig for gatebelysning, men på denne tiden var det ikke oppfunnet noen motorer som fungerte tilfredsstillende for vekselspenning. En av de aller tidligste kraftstasjoner var Pearl Street Station i New York som Thomas Edison stod bak og ble satt i drift i 1882. Denne hadde kun dynamoer for likespenning. Ulempen med likespenning var at særlig høye spenningsnivåer ikke var teknisk mulig på grunn av blant annet begrensningene i kommutatoren. Avstanden fra dynamo til forbrukeren kunne derfor ikke være stor. Mange oppfinnere skjønte at vekselspenning ikke ville ha de samme begrensningene. Med introduksjonen av transformatorer kunne spenningen og dermed avstanden økes betydelig. Utfordringen var å utvikle en anvendbar motor for vekselspenning.

Inntil praktisk bruk av vekselspenning ble demonstrert i 1891 var dynamoer som leverte likespenning enerådende. I 1901 var det 18 av totalt 22 kraftverk i Norge som produserte likespenning. Dynamoer i kraftsystemer for likespenning er i dag uvanlig, men likestrømsmaskiner har allikevel vært mye brukt i forbindelse med motordrifter helt opp til i dag. Spesielt i forbindelse med regulering av turtallet har kraftsystemer for likespenning vært svært utbredt. Med introduksjon av kraftelektronikk og frekvensomformere, ble likestrøm etter hver også uvanlig i større motordrifter. Likestrømsmotorer finnes imidlertid i mange mindre husholdningsapparater og i håndverktøy, og blir omtalt som universalmotorer eller vekselstrøms kommutatormotorer. Disse drives da med vekselspenning. Også i lokomotiver har disse motorene hatt stor utbredelse.

Vekselstrømsgenerator 

Gjennom en rekke oppdagelser ble dynamoen etterfulgt av mange forbedrede oppfinnelser, særlig vekselstrømsgeneratoren, som genererer vekselstrøm. Vekselstrømsystemer var kjent i enkle former helt fra Michael Faradays opprinnelige oppdagelse av magnetisk induksjon av elektrisk spenning.

Eksperimenter med vekselspenning med to og tre faser 

Den italienske professoren Galileo Ferraris klarte å bygge en liten asynkronmotor basert på to faser i 1885. Fasene her er to spenninger med en faseforskyvning på 90 grader. En oppnår dermed et roterende felt, noe som er gunstig for å få en vekselstrømsmotor til å starte. Ferraris antok at en slik maskin aldri kunne oppnå en større virkningsgrad enn 50 %. Det skulle vise seg å være helt feil, men Ferraris mistet interessen for videreutvikling av sitt prinsipp. Den kroatisk-amerikanske ingeniøren og oppfinneren Nikola Tesla drev på samme tid forsøk med en tofasemotor, overføringslinje og generator. Hans konsept gjorde bruk av fire ledere for overføring mellom generator og motor. Oppfinneren og industrimannen George Westinghouse ble oppmerksom på Teslas store fremskritt innenfor forskning med elektrisitet og kjøpte alle hans 40 patenter for 1 million USD. Tesla ble konsulent for Westinghouses selskap og gjorde videre forsøk med sitt konsept. Han hadde stor tro på tofasede og enfasede vekselspenningsmotorer, men mislyktes i å få noen motor til å fungere særlig godt. I 1889 forlot han Westinghouse skuffet over at ingen av hans forsøk hadde nådd frem.

Den som først konstruerte en funksjonell trefaset vekselstrømsmotor var den tyske ingeniøren Friedrich August Haselwander. Han fant opp en trefaset synkronmaskin med utpregede poler i juli 1887, men det tyske postvesenet forbød bruken av maskinen på grunn av frykt for forstyrrelser på telegraflinjene. Haselwander mislyktes også med å få godkjent patentet. Amerikaneren Charles Schenk Bradley hadde på samme tid også eksperimentert med flerfasegeneratorer og vekselstrømsystemer for to og tre faser. Han fikk patent på flere oppfinnelser, blant annet en asynkronmaskin, men han gikk ikke videre med praktiske forsøk for anvendelser. I USA fikk likestrømsystemer stadig større utbredelse, mens det var i Europa at videre forskning på vekselstrømsystemer fant sted.

Trefasesystemet 

I 1889 begynte AEGs sjefingeniør, sveitsisk-russeren Mikhail Dolivo-Dobrovolskij, med forsøk der han kombinerte Teslas og Ferraris oppfinnelser som han forbedret betraktelig. Han fant opp en trefaset asynkronmotor i begynnelsen av 1889, og gjorde store fremskritt med denne. Asynkronmaskinen er i dag trolig den mest brukte motor i verden for litt større effekter og i en viss utstrekning som generator i små kraftstasjoner. Dolivo-Dobrowolsky var også den første til å finne ut at vinklingene i en trefase-motor eller -generator kan kobles i stjerne eller trekant. Han fant videre ut at et trefasesystem ikke behøvde mer enn tre ledere for overføring av elektrisk energi. Med tre faser blir det roterende feltet jevnere og overført effekt kan økes med en faktor på 1,73 med bare én leder mer enn i et enfasesystem. I august 1889 tok han ut patent på en transformator med tre ben (kjernetransformator), altså en trefasetransformator.

Samtidig som Dolivo-Dobrowolsky gjorde store fremskritt med sitt trefasesystem, kom den svenske ingeniøren Jonas Wenström i april 1889 opp med et patent på et trefasesystem. Wenström bygde i 1893 en 13 km lang trefaset kraftlinje i Sverige. Sannsynligvis visste Wenström ikke noe om at trefasesystemer ble utforsket andre steder i verden.

Den internasjonale elektrotekniske utstilling i Frankfurt am Main 

Dolivo-Dobrowolsky samarbeidet med Maschinenfabrik Oerlikon og AEG om å bygge en trefase kraftlinje fra et kraftverk i Laufen til Frankfurt am Main i Tyskland i 1891. Denne kraftlinjen var 175 km lang og med en spenning på 25 kV. Den hadde en overføringskapasitet på 220 kW

Kraftlinjen ble i brukt til å demonstrere trefasesystemets fordeler på Den internasjonale elektrotekniske utstillingen i 1891 i Frankfurt am Main (International Electro-Technical Exhibition). Energien fra kraftstasjonen ble brukt til å drive en pumpe som skaffet vann til et kunstig fossefall på utstillingen. Med denne demonstrasjonen skjønte alle tilstedeværende ingeniører og industriherrer at vekselstrøm hadde store fordeler, spesielt når det gjaldt å overføre elektrisitet over svært lange avstander. Etter dette startet både Siemens, General Electric og Westinghouse et intensivt arbeid for å bygge best mulige generatorer og andre maskiner for vekselstrøm. Tesla kom tilbake til firmaet til Westinghouse og sammen bygde de den første kraftlinjen i USA for trefaset vekselspenning fra Niagarafallene til Buffalo i delstaten New York. Denne kraftlinjen stod ferdig i slutten av 1896.

Konstruksjon og virkemåte for moderne generatorer

Likestrømsgeneratorer 

En likestrømsgenerator består av en stator, rotor med aksling, viklinger og kommutator. Statoren er sirkelformet og i dens indre omkrets er polene plassert. Disse  danner magnetfeltet mellom seg, med enten bare et par med nord og sørpol som står overfor hverandre, eller flere par. Med flere par står disse vekselvis med forskjellig polaritet rundt omfanget av statoren. Statorens poler magnetiseres av likestrøm i viklinger i form av spoler (solenoider) med mange tørn. Polene på stator stikker frem fra selve statorringen for å gi plass til feltviklingene. En kaller slike for utpregede poler. Rotoren er plassert i statorens senter og har viklinger rundt omfanget. Rotorens viklinger ligger i spor i overflaten av dens omfang og er tilknyttet kommutatoren. Bilde til høyre viser en liten rotor for en likestrømsmaskin. Her ser en tydelig at kommutatoren er sammensatt av lameller som hver har kontakt med viklingene. Lamellene er elektrisk isolert fra hverandre. Børstene har kontakt med lamellene og bringer strømmen ut til den eksterne kretsen. Det dannes vekselspenning i rotorviklingene og kommutatorens oppgave er å virke som en mekanisk likeretter. Viklingene i rotor kalles også ankerviklinger. Både statoren og rotoren er konstruert av laminerte blikkplater av bløt stål. Spenningen fra en likestrømsgenerator blir ikke helt konstant, men med distribuerte viklinger og mange komutatorsegmenter per per pol kan spenningen bli meget jevn. (Uten rippel eller bølger.)

Vinklingene i statoren får sin strøm fra ankeret, og kan i prinsippet være koblet i serie eller parallell med ankeret. Det siste kalles shuntvikling og er mest brukt. Grunnen til at koblingen brukes mest er at spenningen som mates ut til forbrukerne (den eksterne kretsen) blir konstant og i mindre grad avhengig av belastningen. Ved hjelp av en justerbar motstand, en reostat, kan strømstyrken til feltviklingene justeres og dermed endres også spenningen. Ved å holde hastigheten til generatoren konstant med en regulator tilknyttet turbinen som driver den og justere reostaten, kan spenningen holdes mer eller mindre konstant selv om belastningen varierer.

Ved oppstart av en likestrømsgenerator er en avhengig av at det er en viss magnetisme gjenværende fra sist den var i bruk. Når generatoren først begynner å rotere vil den gjenværende remanens som er i jernkjernen i feltpolene gi et magnetisk felt som generere en liten strøm i ankeret. Denne strømmen som rotasjonen skaper går gjennom feltviklingene og skaper et ytterligere sterkere magnetisk felt som igjen genererer en større ankerstrøm. Denne prosessen med stadig øking av magnetfelt og indusert strøm fortsetter, etter en tid gir maskien ut ønsket spenning. Når maskinen går med konstant turtall og tilkobles lasten (eksternt nett) justeres spenningen med reostaten, som forklart over. Dersom som lasten varierer vil utgangsspenningen variere. For å holde klemmespenningen nær konstant kan reostaten erstattes av en feltstrømregulator.

I det spesielle tilfellet at en likestrømsgenerator drives med varierende turtall, som for eksempel en bildynamo, blir reguleringen av spenningen annerledes. Da brukes en regulator som endrer feltstrømmen, slik at utgangsspenningen kan holdes nær konstant over et stort turtalls- og lastområde.

Anvendelse av likestrømsgeneratoren i dag 

Likestrømsgeneratoren ble raskt utkonkurrert av vekselstrømsgeneratoren på grunn av vanskene med å overføre likestrøm over store avstander. Likestrømsgeneratoren har likevel hatt stor utbredelse som magnetiseringsmaskin for vekselstrøms synkrongeneratorer. Det må til en likespenningskilde for å skape feltet i en synkrongenerator, mer om dette følger i avsnittet nedenfor.

Et annet sted der likestrømsgeneratoren har hatt sin utbredelse er i forbindelse med elektrisk jernbanedrift. Dette er tilfelle i for eksempel Polen og Italia. Typisk produseres likestrømmen ved omforming av vekselspenning fra det offentlige overføringsnettet. En trefase vekselstrømsmotor driver likestrømsgeneratorer som mater ut til jernbanens kontaktledningsnettet. Et alternativ er å lage likespenning av vekselstrøm via likerettere. Tidliger var disse basert på kvikksølvlikerettere, men i dag er disse erstattet av halvlederteknologi.

En annen type omformer er trinnløs omforming av vekselspenning til spenning med en annen frekvens. Dette kan skje ved at en trefaset motor driver en likestrømsgenerator på samme aksling. Likestrømsgeneratoren gir strøm til en likestrømsmotor der turtallet enkelt kan justeres. Likestrømsmotorene har felles aksling med en vekselstrømsgenerator som forsyner et distribusjonsnett der variabel frekvens er ønskelig. Dette kalles en ac-dc-dc-ac-omformer, og selv om en slik installasjon enkelt kan omforme vekselspenning er den stor, kostbar og vedlikeholdsintensiv. I tillegg kommer store energitap.

Dette er noen eksempler på bruk av likestrømsgeneratorer som har hatt stor utbredelse, men som i stor grad har blitt erstattet av halvlederteknologi. Også når det gjelder magnetiseringsmaskiner for synkrongeneratorer har likestrømsgeneratorene blitt erstattet med halvlederteknologi. Noen av grunnen til at en ikke bruker denne typen maskiner er at spesielt kommutatoren krever mye vedlikehold. Dessuten vil kullbørstene i forbindelse med kommutatoren forårsake kullstøv som er elektrisk ledende, og kan gi kortslutninger i maskinen.

Synkrongeneratoren 

Synkrongeneratorens navn henspiller på at frekvensen til spenningen som blir generert er proporsjonal med turtallet til rotoren. Rotoren kalles også polhjulet og har elektriske viklinger som gir magnetisk felt. Rotoren forsynes via sleperinger, fra en ytre likespenningskilde. Dette kan være en likestrømsgenerator montert på generatorens aksling (egenmagnetisering), eller en separat likeretter (fremmedmagnetisering) basert på halvlederteknologi. Rotoren har enten utpregede poler eller sylindrisk rotor om hastigheten er svært stor. Det siste kalles en turbogenerator og er som navnet sier vanlig når generatoren drives av en turbin. Rotoren setter opp et roterende magnetfelt og dette induserer spenning i statorens viklinger. Vinklingene i stator er montert i spor i dens indre omfang og er tilknyttet den ytre elektriske kretsen, se bilde til høyre. Statorens viklinger kalles også ankerviklinger. Sammenhengen mellom antall polpar på polhjulet, geometrisk plassering av ankerviklingene, samt rotasjonshastighet bestemmer spenningens frekvens, faseforskyvningen mellom spenningene og spenningens sinusform og amplitude.

Synkronmaskinen er i dag så å si enerådende som generator. I moderne kraftsystemer er hundrevis eller tusenvis av generatorer koblet sammen i parallell. Dermed blir både spenningen og frekvensen for en enkelt generators terminaler hovedsakelig bestemt av de andre maskinene i kraftsystemet. Overføringsnettet sørger for at synkronmaskiner som geografisk er adskilt med mange hundre kilometer går med samme frekvens. Alle større generatorer må allikevel ha turtallsregulering og spenningsregulator for at kraftsystemets frekvens og spenning skal være noenlunde konstant. Selv om en enkelt generator utgjør bare en svært liten del av systemets ytelse, må alle enhetene bidra med å holde frekvens og turtall konstant. Unntaket er små generatorer i mini- og mikrokraftverk, som kan gjøres enklere og billiger uten disse regulatorene.

Store kraftsystemer har fordeler ved at systemene kan ha stor pålitelighet uten at den samlet reservekapasiteten må gjøres uforholdsmessig stor. Reservekapasitet vil si enheter (kan være generatorer eller kraftledninger) som ikke er i drift (ofte kalt kald reserve) eller ikke utnyttes fullt ut (roterende reserve). Dette er gunstig for å oppnå redundans, men gir blant annet dårlig utnyttelse av investert kapital. Forskjellige energikilder kan utnyttes over et stort geografisk område, for eksempel er praktisk talt hele Nord-Amerika sammenkoblet til et stort kraftnett. Kraftstasjoner er ofte svært kompliserte og kostbare, dermed blir stordriftsfordeler attraktive å utnytte i et stort sammenhengende system der svært store kraftverk utgjør energikildene. Dermed blir også generatorene svært store (en ønsker vanligvis ikke mange generatorer i et kraftverk), slik som eksemplene i avsnittet under gir eksempler på.

Ytelse og typiske parametre for generatorer 
Tidlige generatorer og tilhørende kraftsystemer hadde frekvenser på for eksempel 25, 50, 60, 125, og 133 Hz. Dette gir problemer for samkjøring og tidlig ble 60 Hz introdusert som standard i Nord-Amerika. 50 Hz ble valg i resten av verden. Det som ble sett på som akseptabel spenning i generatorer ble også stadig økt. I dag er spenningen i generatorer typisk i intervallet 11 – 35 kV. Disse er ofte direkte tilknyttet en transformator som mater ut effekt med den spenningen som er ønsket i det aktuelle nettnivået. Typisk vil generatorenes og kraftverkets ytelse bestemme tilknytning til aktuelt nettnivå.

Det som hevdes å være verdens største generatorer er to maskin på 1750 MW til Taishan 1 kraftverk  i Kina. Dette er et kjernekraftverk som i 2013 fortsatt var under bygging. I slike sammenhenger brukes typisk synkronmaskiner med sylindrisk rotor. Rotasjonshastigheten er da gjerne 1500 eller 3000 rpm om frekvensen er 50 Hz. Slike store maskiner trenger effektiv kjøling og hydrogen brukes ofte som kjølemedium i et totalt lukket system. Fordelen med hydrogen er at ventilasjonstapene blir lave, samt at varmetransporten fra de varme overflatene i generatoren  (konveksjon) blir mer effektiv. Når det gjelder generatorer med utpregede poler er verdens største de som er levert til De tre kløfters dam, med enheter på over 800 MW. Slike maskiner er gjerne både luft og vannkjølte.

For å gi et perspektiv på størrelsene til disse uvanlig store generatoren kan det nevnes at i Norge er langt de fleste generatorer i størrelsen 1 - 10 MW. Bare 67 enheter har en effekt over 100 MW. Typisk vil allikevel generatorene i varmekraftverk, der størsteparten av verdens elektrisitetsproduksjon kommer fra, være betydelig større enn vannkraftgeneratorer.

Spesielle typer generatorer

Unipolar generator 

En unipolar generator er en elektrisk generator som omfatter en elektrisk ledende plate eller sylinder som roterer i et plan vinkelrett på et homogent statisk magnetfelt. En potensialforskjell opprettes mellom sentrum av platen og periferien (eller endene av sylinderen). Den elektriske polariteten er avhengig av rotasjonsretningen og retningen av feltet.

Det er også kjent som en unipolar generator, asyklisk generator, plate dynamo, eller Faradays plate. Denne typen generator er forklart lenger opp, og selv om de tidligere modellene var lite egnet til produksjon av store energimengder, er dagens modeller en vellykket videreutvikling. Spenningen er typisk lav, i størrelsesorden noen få volt for små demonstrasjonsmodeller, men store generatorer for forskning kan gi flere hundre volt. Det er utviklet systemer der flere generatorer seriekobles for å produsere enda større spenning. De er uvanlige ved at de kan produsere en svært stor elektrisk strøm, i noen tilfeller mer enn en million ampere. Dette på grunn av at en unipolar generator kan være laget med en meget lav indre motstand.

MHD-generator 

Et magnetogenerator fungerer ved å utvikle elektrisk energi fra bevegelsen av varme gasser gjennom et magnetisk felt. Dette skjer uten bruk av roterende deler. MHD-generatorer ble opprinnelig utviklet fordi eksosgassen fra en plasma MHD-generator i neste trinn kan brukes til å varme opp kjelene i et dampkraftverk. Hensikten med MHD-generator var å oppnå større virkningsgrad for dampkraftverk.

Den første praktisk anvendelige konstruksjonen var Avco Mk. 25, utviklet i 1965. Den amerikanske regjeringen bidrog med en betydelig del av finansieringen for utviklingen, som resulterte i et 25 MW demonstrasjonsanlegg i 1987. I Sovjetunionen var det fra 1972 til slutten av 1980-årene et MHD-anlegg kalt U 25 som var i kommersiell drift for Moskvas kraftsystem. Denne hadde en ytelse på 25 MW, og var det største MHD-anlegget i verden på den tiden. MHD-generatorer som en del av et dampkraftverk er for tiden (2007) mindre effektive enn gassturbiner.

Asynkronmaskin 

En asynkronmaskin kan anvendes både som generator og motor, selv om denne typen elektrisk maskin brukes mest i motordrifter. Når en asynkronmaskin drives som generatorer må rotoren rotere  raskere enn synkron hastighet, noe som gir negativ slip. En vanlig asynkronmotor kan vanligvis  brukes som en generator, uten noen modifikasjoner. Typisk anvendelse er små vannkraftverk og vindmøller. Vanligvis er slike små generatorer tilknyttet et større kraftsystem slik at frekvens og spenning holder vannturbinen eller vindmøllens hastighet tilnærmet konstant. En sier at generatoren  er tilknyttet et uendelig stivt (sterkt) nett, dermed er spenningsregulator og turtallsregulator unødvendig.

Et forskningsprosjekt i 1990-årene var med en vindmølle på Titran på øya Frøya) utenfor Trøndelagskysten som forsynte noen husstander uten tilknytning til overliggende overføringsnett. Her var kraftelektroniske omformere og en såkalt dumpload (en stor resistans som reguleres) som sørget for konstant frekvens og spenning. For dager med lite vind var det også tilknyttet en dieseldrevet generator.

Enfasegenerator 
Enfasegeneratorer ble tidlig tatt i bruk for elektrifisering av jernbanen med lavfrekvent vekselspenning. I dag har Sveits, Østerrike, Tyskland, Sverige og Norge elektrisk banestrømforsyning med 15 kV 16,7 Hz spenning. I Sveits, Østerrike og Tyskland er forsyning fra enfase generatorer i egne kraftverk vanlig, mens i Sverige og Norge skjer forsyningen via synkron-synkron omformere. Det vil si at en trefasemotor mates fra det offentlige overføringsnettet og driver en enfaset vekselstrømsgenerator som i sin tur forsyner kontaktledningsanlegget. Denne er montert på samme aksling som den trefasede generatoren. I Norge er det installert enfasegeneratorer for jernbanen i Hakavik kraftverk og i Kjosfoss kraftverk.

Lineær elektrisk generator 
Den enkleste form for lineær elektrisk generator er en magnet som beveger seg frem og tilbake gjennom en spole av kobbertråd. En vekselstrøm blir indusert i viklingen hver gang magneten glir gjennom. Denne type generator benyttes blant annet i enkelte hånddrevne lommelykter som lades ved risting. En egen gruppe forbrenningsmotor omtales som frikolbemotorer. Her samvirker to stempler i en lineær bevegelse uten veivaksel. I kombinasjon med slike motorer er det arbeidet mye med utvikling av en mulig lineær generator. Et initiativ i Norge kom med utviklingen av Supersonic Wave Engine. Her er en lineær generator en forutsetning for konseptet. Større lineærgeneratorer blir brukt i noen konstruksjoner for bølgekraftverk.

Generatorer for variabel hastighet og konstant frekvens 

Mange applikasjoner for fornybar energi blir drevet av vind, tidevann og bølger for å produsere elektrisitet. Disse kildene er gir en effekt som i sin natur er sterkt varierende. Dette gjør at en vanlig generator vil produsere uregulert spenning og frekvens, noe som kan bli et problem for systemstabiliteten om effektene er store, for eksempel fra en vindmøllepark.

Det har derfor blitt utviklet nye generatorkonsepter der en asynkronmaskin er dobbelmatet, det vil si at også dens rotor har viklinger som via sleperinger kan tilknyttes et eksternt nett. Ved å tilknytte rotoren til en frekvensomformer som henter effekt fra overføringsnettet kan rotorens magnetfelt kontrolleres. Dermed kan rotorens hastighet variere, mens asynkrongeneratorens terminaler som er direkte koblet til overføringsnettet gir ut synkron spenning. Det vil si at asynkrongeneratoren leverer strøm og spenning med frekvens som er konstant og lik overføringsnettets frekvens.

Noen andre vanlige bruksmåter for generatorer utenom kraftverk

Hastighetsmåling 
En tachogenerator en liten generator som brukes til å måle hastigheten på roterende maskiner. Den frembringer en utgangspenning som er proporsjonal med hastigheten. Typer som gir elektriske pulser der antall pulser per tidsenhet er proporsjonalt med hastigheten, er også et brukt prinsipp.

Dieselelektriske motordrifter 
Dieselelektrisk skip og lokomotiver har vært vanlig i en årrekke. I slike tilfeller er det en dieselmotor som driver en generator, denne produserer igjen strøm som driver en elektrisk motor som drar rundt propellen eller hjulene på et lokomotiv. Motoren er gjerne i dag en trefase asynkronmotor og ved hjelp av kraftelektronikk endres spenning og frekvens slik at turtallet enkelt kan styres. Dermed trenges ikke en lang aksling eller gear. En fordel er også at dieselmotoren kan gå konstant på det turtallet som gir best virkningsgrad.

Biler og sykler 
Motorkjøretøy kan trenge elektrisk energi til blant annet elektrisk tenning for å holde motoren i gang, for å dra rundt startmotoren, til lysene, elektrisk servostyring, og for instrumentene. Til dette brukes en liten generator drevet av motoren til å lade bilens batteri. Tidligere brukte kjøretøyer bildynamoer med elektromekaniske regulator. Det vanligste nå er vekselstrømgenerator med halvlederlikerettere og elektronisk spenningsregulering. Disse er effektive også når motoren går på tomgang.

På elektrisk drevne kjøretøy kjøres vanligvis fremdriftsmotoren som generator for å gjenvinne elektrisk energi ved motorbremsing.

Sykler kan krever energi til å drive kjørelys og eventuelt annet utstyr. Det er to vanlige typer generator i bruk på sykler: Dynamoer som drives rundt av sykkelens dekk, eller navdynamoer som vanligvis er bygget inn som en integrert del av sykkelens forhjulsnav. Navdynamo gir noe mindre friksjonstap. Navdynamoen er alltid i drift, men gir bare belastning til syklisten mens den leverer elektrisk energi.

Nødstrømsaggregat i fly 
Enkelte fly har en egen nødstrømsgenerator når all motorkraft er falt ut: en feller ut generatoren fra flykroppen med egen propell som henter energi fra fartsvinden.

Mobile aggregater 

Et strømaggregat eller mobilt aggregat er en sammenstilling av en elektrisk generator og en forbrenningsmotor eller dampmaskin. Enheten har gjerne innebygd drivstofftank og er dermed en selvstendig enhet. Typen motorer som brukes er vanligvis stempelmotorer, eller en gassturbin. Det er også utviklet  hybride diesel-gassenheter. Mange forskjellige versjoner av motorgeneratorer er tilgjengelige, alt fra  små bærbare bensin drevne sett, til store turbininstallasjoner. Den primære fordelen med strømaggregater er elektrisitetsproduksjon uten tilknytning til et distribusjonsnett. Typisk anvendes strømaggregater som reservestrømløsninger til sykehus eller som strømforsyning på hytter.

Menneskedrevne elektriske generatorer 
Menneskelige drevet generator er kommersielt tilgjengelig. Vanligvis opereres disse ved hjelp av pedalkraft og ser ut som en treningssykkel.

En gjennomsnittlig voksen person kan generere ca. 125–200 watt med en pedaldrevet generator. Bærbare radiomottakere med en sveiv finnes i handel der hensikten er å redusere batteribehovet. På midten av 1900-tallet ble pedaldrevne radioer brukt i Australias ødemark, for å gi skolegang til barna der (kalt School of the Air), samt for å gi legebehandling og dekke andre behov.

Det eksperimenteres med generatorer innlagt i sko og ellers kroppens bevegelse. Dette for å kunne lade GPS og annet utstyr når strømnett ikke er tilgjengelig.

Se også 
 Elektrisitet

Referanser

Litteratur

Eksterne lenker 
 
 Simple generator
 Demonstrasjon av en elektrisk generator
 Kort video av en enkel generator
 En introduksjon til store generatorer i elforsyningen (engelsk)

Elektrisk energiteknikk
Elektrisk utstyr
Kraftverk
Maskiner