גנרטור

פעולת הגנרטור מבוססת על עקרון ההשראה האלקטרומגנטית, שאותו גילה מייקל פרדיי ב-1831: אם מגנט נע בקרבת תיל מוליך, או אם התיל נע בקרבת מגנט, יעבור בתיל זרם חשמלי. (והיפוכו של דבר, אם זרם חשמלי עובר בקרבת חומר פראמגנטי, הוא הופך את החומר למגנט, וביתר דיוק, לאלקטרומגנט.) פרדיי בנה את הגנרטור הראשון - התקן פשוט שבמרכזו דיסקת נחושת מסתובבת בין קטביו של מגנט פרסה - וכך חנך, גם אם לא ידע זאת, את המהפכה שחוללה אספקת החשמל בחיי האנושות. בגנרטור של פרדיי, הדיסקה נקבעה כך שמחצית משטחה, מהמרכז אל השפה, נמצאה בין קוטבי המגנט. עם סיבובה, נוצר מתח בין המרכז לבין השפה.

הגנרטור של פרדיי

הכוח האלקטרו-מניע (כא"מ) הנוצר בשדה שבו נע המוליך, והגורם לתנועת הזרם, תלוי בשלושה משתנים: עוצמת השדה המגנטי, אורכו של המוליך הנע בתוך השדה, ומהירות התנועה, הסיבובית כמעט בכל המקרים. אם העוצמה היא B (ביחידות טסלה), האורך הוא l מטרים ומהירות התנועה בניצב לקווי השדה היא v מטר בשנייה, הכא"מ V יהיה: V = Blv. זאת בהנחה שהמוליך ניצב לכיוון השדה. הגדלת כל אחד מהערכים באגף ימין של המשוואה תגדיל את הכא"מ. לכן, בגנרטור תעשייתי, משתמשים בסלילים בעלי כריכות רבות מאוד של מוליך, כדי להגדיל את אורכו, ובאלקטרומגנטים חזקים מאוד כדי להגדיל את עוצמת השדה. גם מהירות התנועה יכולה להיות גבוהה מאוד.

כדי להבין את עקרונות הפעולה, נתאר גנרטור פשוט לגמרי: סליל יחיד של מוליך מסתובב בין שני קטביו של מגנט פרסה נייח. צורת הסליל היא כצורת האות ח', וציר הסיבוב שלו ניצב לקווי השדה המגנטי ועובר במישור החתך הרוחבי של המגנט. עם סיבובו חוצה הסליל את קווי השדה המגנטי, ונוצר בו זרם השראה. בגלל הסיבוב, מתח ההשראה משתנה בהתמדה, וכיוונו מתהפך בכל חצי סיבוב של הסליל. מתקבל איפוא זרם חילופין, שניתן לתארו גרפית כעקומת סינוס.

הואיל וקצות הסליל מסתובבים בהתמדה, אין זה מעשי לחבר אליהם מוליכים שיובילו את הזרם הנוצר בסליל. קצות הסליל מחוברים לפיכך לטבעת עשויה חומר מוליך, הקבועה סביב הגל המסובב את הסליל. לטבעת זו צמודים, משני צדדיה, גופים קבועים המכונים "מברשות", ואלה משמשות כקוטבי המעגל: הזרם המופק מהגנרטור עובר אליהן, ומהן יוצאים המוליכים היוצרים את המעגל החשמלי החיצוני שמקבל את הזרם. המברשות עשויות לרוב מפחם טהור, שהוא מוליך מעולה.

הגנרטור שתואר מספק, כאמור, זרם חילופין, ולפיכך הוא קרוי אלטרנטור. אך לצרכים מסוימים דרוש דווקא זרם ישיר. לשם כך משתמשים בטבעת מפצילה: זו מחולקת לשני חצאים, שמפרידים ביניהם מבודדים. הטבעת מותקנת כך שברגע התהפכות כיוונו של הזרם בסליל, נמצאים המבודדים מול המברשות. בהמשך התנועה מתהפכים תפקידי המברשות, מפלוס למינוס ולהפך, ולכן מתקבל זרם ישיר. לרוב מכנים גנרטור של זרם ישיר בשם דינמו; הטבעת המפצילה נקראת ממיר, או קומוטטור.

הגנרטורים שונים זה מזה בגודל, במתח ובעוצמת הזרם המופק, אך לכולם שלושה חלקים עיקריים: סטטור, רוטור וגל מניע. הסטטור הוא גוף נייח שבמרכזו חלל עגול. בתוך החלל מסתובב הרוטור, המקבל את סיבובו מהגל. הגוף הכולל את סלילי המוליך (הכרוכים סביב ליבת ברזל רך, ומופרדים ממנה במבודדים) נקרא עוגן. לעתים הסטטור מכיל את האלקטרומגנטים והרוטור את העוגן, אם כי בהפקת חשמל במתח גבוה מאוד, העוגן הוא הקבוע, והאלקטרומגנט הוא המסתובב. (רוטור גדול וכבד, המסתובב במהירות, היה חש את השפעתו של כוח צנטריפוגלי חזק, ומכאן היו נובעות בעיות מכניות קשות.) בכל מקרה, הרוטור מסתובב בתוך הסטטור בכיוון קבוע ובמהירות קבועה, שהוא מקבל מהגל המניע. בניגוד לגנרטור הפשוט שתואר לעיל, העוגן נושא מספר גדול של סלילים, כדי להגדיל את אורך המוליך.

בגנרטורים של זרם ישיר, חלק מהזרם מופנה אל האלקטרומגנטים של הגנרטור. בגנרטור של זרם חילופין יש צורך ביישור הזרם קודם להזרמתו אל האלקטרומגנטים, משום שאלקטרומגנט המקבל זרם חילופין יהפוך את קוטביותו בתדירות הזרם, בעוד שהאלקטרומגנט של גנרטור חייב לשמור על קוטביות קבועה. בגנרטורים תעשייתיים מותקן בדרך כלל גנרטור-משנה של זרם ישיר, המפעיל את האלקטרומגנטים.

בכמה גנרטורים, מקור תנועתו של הגל יכול להיות מנוע דיזל פשוט. אך הגלים המניעים את הגנרטורים הגדולים מקבלים את תנועת הסיבוב שלהם מטורבינות מופעלות בגז, לרוב קיטור המתקבל מחימום מים בעזרת דלק (גזי, נוזלי או מוצק). מקור חשוב אחר, עדיין, הוא אנרגיה גרעינית.  המקורות החלופיים, הנדירים יותר, אנרגיה סולרית,  אנרגיה גיאותרמית או אנרגיית רוח. עוד אפשרות היא נפילת מים מגובה (בתחנות כוח הידרו-חשמליות, שהן נפוצות יותר מכל השאר, מלבד מבעירי הדלק), או תנועת מים מכוח הגיאות והשפל. בשני המקרים האחרונים, תנועת המים היא המניעה את הטורבינה.

גנרטור בתחנת כוח: מימין - הטורבינה; משמאל - גוף הגנרטור (באדיבות חברת החשמל)

בהפקת חשמל מסחרית דרוש בדרך כלל זרם חילופין, שכן הפסדי האנרגיה הכרוכים בהעברתו למרחקים גדולים אינם גבוהים כהפסדים הכרוכים בהעברת זרם ישיר. אך לעתים יש צורך בהפקת זרם ישיר. ההבדל בין שני סוגי הגנרטורים מתבטא בעיקר, כאמור, במבנהו של מנגנון המעביר את הזרם מהסלילים אל קוטבי המעגל שבו עובר הזרם אל הצרכן. זאת ועוד, בגנרטורים גדולים לזרם ישיר יש בדרך כלל מספר רב של אלקטרומגנטים, והטבעת המפצילה מחולקת למספר מתאים של קטעים. כך מובטח שהכא"מ המסופק למעגל החיצוני יהיה אחיד ככל האפשר. בגנרטורים של זרם חילופין, לעומת זאת, יש אלקטרומגנט יחיד, אם הם מפיקים זרם במופע (פאזה) יחיד.

אך לצרכים רבים, מוטב להשתמש בזרם תלת-מופעי. לכן יש בעוגן שלושה סלילים נפרדים, נטויים זה לזה בזווית של 120 מעלות. כריכות הסלילים מותקנות כך שסכום הזרמים בשלושת הסלילים, בכל רגע נתון, הוא אפס. לפיכך יכול מערך כזה להסתפק בנקודה נייטרלית יחידה, ובשלושה קוטבי מוליכים. יתרונו של זרם תלת-מופעי בכך שהוא מספק כא"מ אחיד למדי למעגל שהוא מפעיל, בעוד שבזרם חד-מופעי הכא"מ משתנה בהתמדה.