Elektrischer Generator, auch Dynamo genannt, jede Maschine, die mechanische Energie zur Übertragung und Verteilung über Stromleitungen an Haushalts-, Gewerbe- und Industriekunden in Elektrizität umwandelt. Generatoren erzeugen auch die elektrische Energie, die für Automobile, Flugzeuge, Schiffe und Züge benötigt wird.
Die mechanische Leistung für einen elektrischen Generator wird normalerweise von einer rotierenden Welle erhalten und ist gleich dem Wellendrehmoment multipliziert mit der Dreh- oder Winkelgeschwindigkeit. Die mechanische Leistung kann aus verschiedenen Quellen stammen: Hydraulikturbinen an Dämmen oder Wasserfällen; Windräder; Dampfturbinen mit Dampf, der mit Wärme aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe oder aus der Kernspaltung erzeugt wird; Gasturbinen, die Gas direkt in der Turbine verbrennen; oder Benzin- und Dieselmotoren. Der Aufbau und die Drehzahl des Generators können in Abhängigkeit von den Eigenschaften der mechanischen Antriebsmaschine erheblich variieren.
Nahezu alle Generatoren zur Stromversorgung erzeugen Wechselstrom, der die Polarität bei einer festen Frequenz umkehrt (normalerweise 50 oder 60 Zyklen oder doppelte Umkehrungen pro Sekunde). Da mehrere Generatoren an ein Stromnetz angeschlossen sind, müssen sie für die gleichzeitige Erzeugung mit derselben Frequenz arbeiten. Sie werden daher als Synchrongeneratoren oder in einigen Zusammenhängen als Lichtmaschinen bezeichnet.
Synchrongeneratoren
Ein Hauptgrund für die Auswahl von Wechselstrom für Stromnetze ist, dass seine kontinuierliche zeitliche Änderung die Verwendung von Transformatoren ermöglicht. Diese Geräte wandeln elektrischen Strom bei jeder Spannung und jedem Strom, die er erzeugt, für die Fernübertragung in Hochspannung und Niedrigstrom um und wandeln ihn dann in eine für jeden einzelnen Verbraucher geeignete Niederspannung um (normalerweise 120 oder 240 Volt für den Hausgebrauch). Die besondere Form des verwendeten Wechselstroms ist eine Sinuswelle mit der in Abbildung 1 gezeigten Form. Diese wurde gewählt, weil sie die einzige sich wiederholende Form ist, für die zwei zeitlich voneinander verschobene Wellen addiert oder subtrahiert werden können und die gleiche Form tritt als Ergebnis auf. Ideal ist es dann, alle Spannungen und Ströme sinusförmig zu haben. Der Synchrongenerator ist so ausgelegt, dass er diese Form so genau wie möglich erzeugt. Dies wird deutlich, wenn die Hauptkomponenten und Eigenschaften eines solchen Generators nachstehend beschrieben werden.
Rotor
Ein elementarer Synchrongenerator ist im Querschnitt in Abbildung 2 dargestellt. Die zentrale Welle des Rotors ist mit der mechanischen Antriebsmaschine gekoppelt. Das Magnetfeld wird durch Leiter oder Spulen erzeugt, die in Schlitze gewickelt sind, die in die Oberfläche des zylindrischen Eisenrotors geschnitten sind. Dieser in Reihe geschaltete Spulensatz wird daher als Feldwicklung bezeichnet. Die Position der Feldspulen ist derart, dass die nach außen gerichtete oder radiale Komponente des im Luftspalt zum Stator erzeugten Magnetfelds ungefähr sinusförmig um den Umfang des Rotors verteilt ist. In Abbildung 2 ist die Felddichte im Luftspalt oben maximal nach außen, unten maximal nach innen und an beiden Seiten Null, was einer sinusförmigen Verteilung entspricht.
Stator
Der Stator des Elementargenerators in Abbildung 2 besteht aus einem zylindrischen Ring aus Eisen, um einen einfachen Weg für den Magnetfluss bereitzustellen. In diesem Fall enthält der Stator nur eine Spule, wobei die beiden Seiten in Schlitzen im Eisen untergebracht sind und die Enden durch gekrümmte Leiter um den Statorumfang miteinander verbunden sind. Die Spule besteht normalerweise aus mehreren Windungen.
Wenn der Rotor gedreht wird, wird eine Spannung in der Statorspule induziert. Zu jedem Zeitpunkt ist die Größe der Spannung proportional zu der Geschwindigkeit, mit der sich das von der Spule umgebene Magnetfeld mit der Zeit ändert, dh zu der Geschwindigkeit, mit der das Magnetfeld die beiden Seiten der Spule passiert. Die Spannung ist daher in einer Richtung maximal, wenn sich der Rotor von der in Abbildung 2 gezeigten Position um 90 ° gedreht hat, und ist 180 ° später in der entgegengesetzten Richtung maximal. Die Wellenform der Spannung entspricht ungefähr der in Abbildung 1 gezeigten Sinusform.
