Generaattori

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.

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 jonkin 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 jonkin 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. 10 A muuttuukin 10 A/0,8=12,5 A virraksi. Induktiomoottorin tapauksessa käynnistysvirrat saattavat olla huomattavasti suurempia.

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

Suuri voimalaitosgeneraattori magnetointikoneineen Zwevegemin voimalaitosmuseossa Mechelenissä, Belgiassa.

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.

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.