یک ژنراتور الکتریکی دستگاهی است که از یک منبع انرژی مکانیکی تولید انرژی الکتریکی می‌کند. این فرآیند را تولید الکتریسته می‌نامند.
مقدمه
قبل از اینکه ارتباط بین مغناطیس و الکتریسته کشف شود، ژنراتورها از اصول الکتروستاتیک بهره می‌بردند. ماشین ویمشارت از القای الکتروستاتیک یا تأثیر کردن استفاده می‌کرد. ژنراتور واندوگراف از اثر تریبوالکتریک برق مالشی برای جدا سازی بارهای الکتریکی با استفاده از اصطکاک بین عایقها استفاده می‌کرد. ژنراتورهای الکتروستاتیک کارآمد نیستند و تنها برای آزمایشات علمی که نیازمند ولتاژهای بالا است، مناسب هستند.
فارادی
در سال 1831–1832م مایکل فارادی کشف کرد که بین دو سر یک هادی الکتریکی که بصورت عمود بر یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کند، اختلاف پتانسیلی ایجاد می‌شود. او اولین ژنراتور الکترومغناطیسی را بر اساس این اثر ساخت که از یک صفحه مسی دوار بین قطبهای یک آهنربای نعل اسبی تشکیل شده بود. این وسیله یک جریان مستقیم کوچک را تولید می کرد.
دینامو
دینامو اولین ژنراتور الکتریکی قادر به تولید برق برای صنعت بود و کماکان مهمترین ژنراتور مورد استفاده در قرن بیست و یکم است. دینامو از اصول الکترومغناطیس برای تبدیل چرخش مکانیکی به یک جریان الکتریکی متناوب ، استفاده می‌کند. اولین دینامو بر اساس اصول فارادی در سال 1832 توسط هیپولیت پیکسی که یک سازنده تجهیزات بود، ساخته شد. این وسیله دارای یک آهنربای دائم بود که توسط یک هندل گردانده می‌شد. آهنربای چرخنده بگونه‌ای قرار داده می‌شد که یک تکه آهن که با سیم پوشانده شده بود، از قطبهای شمال و جنوب آن عبور می‌کرد. پیکسی کشف کرد که آهنربای چرخنده ، هر بار که یک قطبش از سیم پیچ عبور می‌کند، تولید یک پالس جریان در سیم می‌کند. به علاوه قطبهای شمال و جنوب آهنربا جریانها را در جهتهای مختلف القا می‌کنند. پیکسی توانست با اضافه کردن یک کموتاتور جریان متناوب تولیدی به این روش را به جریان مستقیم تبدیل کند.
دیناموی گرام
به هر حال هر دوی این طرحها دارای مشکل یکسانی بودند: آنها پرشهای جریانی القا می‌کردند که از هیچ چیز پیروی نمی‌کرد. یک دانشمند ایتالیایی به نام آنتونیو پاسینوتی این مسأله را با جایگزینی سیم پیچ چرخنده توسط یک سیم پیچ حلقه‌ای که او با سیم پیچی یک حلقه آهنی درست کرده بود، حل کرد. این بدان معنی بود که آهنربا همواره از بخشی سیم پیچ عبور می‌کرد که این مسأله موجب یکنواختی جریان خروجی می‌شد. زنوب گرام چند سال بعد در حین طراحی اولین نیروگاه تجاری در پاریس در دهه 1870م ، این طرح را دوباره ابداع کرد. طراحی وی با نام دینامی گرام معروف است. نسخه‌های مختلف و تغییرات زیادی از آن هنگام تا کنون در این طراحی بوجود آمده است، اما ایده اصلی چرخش یک حلقه بی پایان از سیم ، کماکان قلب تمامی دیناموهای پیشرفته باقی ماند.
مفاهیم
دانستن این مطلب مهم است که ژنراتور تولید جریان الکتریکی می‌کنند و نه بار الکتریکی که در سیمهای سیم پیچی‌اش وجود دارد. این تا حدودی شبیه یک پمپ آب است که ایجاد یک جریان آب می‌کند اما خود آب را ایجاد نمی‌کند. ژنراتورهای الکتریکی دیگری هم وجود دارند، اما بر اساس دیگر پدیده‌های الکتریکی نظیر: پیزو الکتریسته و هیدرو دینامیک مغناطیسی ، ساختار یک دینامو شبیه یک موتور الکتریکی است و تمام انواع عمومی دینام وها می‌توانند مانند موتورها کار کنند. همچنین تمامی انواع عمومی موتورهای الکتریکی می‌توانند مانند یک ژنراتور کار کنند.
ژنراتور های توربینی در بیش از 100 سال پیش که برای اولین بار وارد عرصه کاری‌شدند با هوا خنک می‌شدند. با این حال همچنان که خروجی واحد ژنراتور افزایش پیدا کردنیاز به خنک‌کنندگی موثر افزایش یافت. این نیاز منجر به تکمیل ژنراتورهایی شد که باهیدروژن و آب، خنک می‌شدند. هدایت حرارتی هیدروژن، هفت برابر هوا بوده و با همان‌فشار مطلق، چگالی آن یک دهم هواست.
پیش از انتخاب نوع سیستم‌خنک‌کنندگی مورد استفاده برای ژنراتور، دوموضوع عمده وجود دارد که عبارتند از:اندازه مگاولت آمپر ژنراتور و یک سایت هوابا کیفیت خوب. با وجود این که‌خنک‌کنندگی با هوا نوعا برای واحدهای‌کوچکتر استفاده می‌شود هم اکنون اصلاح‌فن‌آوریهای جدید به هوا این امکان رامی‌دهد تا برای ژنراتورهایی که حداکثر30مگاولت آمپر ظرفیت دارند مورد استفاده‌قرار گیرد.
ژنراتورهای الکتریکی، حجم زیادی ازهوا را مصرف می‌کنند. در جایی که کیفیت‌هوا مساله ساز نیست ژنراتورها با سیستم‌خنک‌کنندگی هوای باز که بازده بالایی از نظرفیلتراسیون و آب بندی محوری تحت فشاردارند بهترین انتخاب و همچنین دارای‌حداقل هزینه است.
سایتهای نیروگاه قدرت که دارای ذرات‌ریز و سولفور قابل ملاحظه هستند بایدژنراتورهایی را که خنک‌کنندگی آنها با آب وهوای محبوس انجام می‌شود مورد بررسی‌قرار دهند. این ژنراتورها چنانچه دارای سیستم خنک کنندگی با آب و آب بندی‌محوری تحت فشار با فیلترهای هوای‌جبرانی باشند از نظر فیزیکی بزرگتر هستند.ژنراتورهایی که خنک‌کنندگی آنها با آب وهوای محبوس صورت می‌گیرد ازژنراتورهایی که خنک‌کنندگی آنها با هوای بازانجام می‌شود گران‌تر بوده و بازده کمتری نیزدارند.
با این همه در حالی که ذرات ریز، یک‌موضوع قابل بررسی است و وقتی که‌مساله‌ای از نظر ذخیره‌سازی هیدروژن درنیروگاه وجود ندارد عموما ژنراتورهایی که باهیدروژن خنک می‌شوند انتخاب مناسبی به‌نظر می‌رسد. با وجود آن که این نوع ازژنراتور گرانترین نوع است ولی بالاترین‌بازده را دارد.
سیستمهای خنک کنندگی
طراحی واحدهایی که با هیدروژن‌خنک می‌شوند در مقایسه با ژنراتورهایی که‌با هوا خنک می‌شوند پیچیده‌تر است.سیستمهایی که با هیدروژن خنک می‌شوندبه محفظه‌ای که در مقابل فشار مقاوم باشد ونیز به آب بندی خاص و یک دستگاه تهویه‌گازی نیاز دارند. علاوه بر آن سیستمهایی که‌با هیدروژن خنک می‌شوند قبل از آن که‌برای تعمیر و نگهداری از سرویس خارج‌شوند باید با دی اکسید کربن پاکسازی شوند. همچنین قبل از آن که مجددٹ از هیدروژن پرشوند و به سرویس بازگردند لازم است بادی‌اکسید کربن پاکسازی شوند. با وجود آن‌که ژنراتورهایی که با هوا خنک می‌شوند ازنظر فیزیکی بزرگتر از ژنراتورهایی هستند که‌با هیدروژن خنک می‌شوند، با اندازه یکسان دارای هزینه اولیه کمتری هستند. به علاوه‌تعمیر آنها ساده‌تر و با هزینه کمتر است.ژنراتورهای بزرگی که با هوا خنک شده ومتعلق به شرکت آلستوم هستند عمومٹمجهز به سیستم خنک‌کنندگی آب - هوای محبوس (TEWAC) هستند. در سیستم‌خنک کنندگی آب - هوا، ژنراتور به وسیله‌هوا خنک می‌شود. هوای گرم پس از آن که‌در خنک‌کن‌های آب - هوا سرد شد مجددٹوارد سیکل می‌شود. در این واحدهاهادیهای سیم‌پیچ میدان روتور تو خالی بوده‌و به صورت محوری خنک می‌شوند. برخلاف بخش فعال ژنراتورهای قدیمی که باهوا خنک می‌شوند، سیم‌پیچهای میدان‌جدیدتر در هر ماشین دارای دو بخش‌خنک‌کن است. در بخش اول جریان هوا اززیر استوانه انتهایی می‌گذرد و قبل از خروج‌به داخل هادی تو خالی جریان پیدا می‌کند.جریان هوای خنک کن برای بخش دوم ازطریق یک شیار فرعی که در زیر سیم پیچ‌تعبیه شده است صورت می‌گیرد.
هسته استاتور که به شکل محوری به‌اتاقهایی تقسیم شده است هوای خنک کننده‌برای استاتور را فراهم می‌آورد. این کار باجریان متناوب هوا به داخل و به بیرون‌اتاقکهای تهویه انجام می‌شود.
تولیدکنندگان با اضافه کردن اتاقکهای‌تهویه بیشتر نسبت به ماشینهای ژنراتور کوتاهتر قدیمی توانسته‌اند میزان‌خنک‌کنندگی ژنراتور را بهینه کنند. طبق‌گزارش آلستوم، بهینه سازی خنک‌کنندگی واین واقعیت که هم اکنون خروجیهای‌بیشتری برای هوای خنک کن روتور وجوددارد توزیع دما در سیم پیچ استاتور و هسته‌را یکنواخت کرده است.
شکستن مانع 300 کیلوولت آمپری
انجام اصلاحات، طی چند سال اخیر برروی طراحی ژنراتورهایی که با هوا خنک‌می‌شوند سبب شده است که واحدهایی‌تولید شود که تا چند سال گذشته فقط باژنراتورهایی که با هیدروژن خنک می‌شوند امکان‌پذیر بود. درطول چهار دهه گذشته‌ظرفیت ژنراتورهایی که با هوا خنک‌می‌شوند از 90 مگاولت آمپر به بیش از 300مگاولت آمپر افزایش یافته است.
یکی از تولیدکنندگان (آلستوم) خروجی‌ژنراتورهایی که با هوا خنک می‌شوند را تا33 درصد افزایش داده است. این کار باافزایش قطر روتور و طول فعال آن به میزان10 درصد اجرا شده است. افزایش خطی‌ژنراتور نیز حجم Slot (یکی از شیارهای‌نگهدارنده رسانا در سطح روتور یا استاتوریک ماشین گردنده الکتریکی) را بزرگتر کرده‌و در نتیجه سیم‌پیچهای بیشتری قابل اضافه‌کردن بود.
متاسفانه وقتی قطر روتور افزایش داده‌می‌شود اتلاف سیم‌پیچ نیز افزایش می‌یابد.بخش قابل توجهی از اتلاف سیم پیچی‌ناشی از اصطکاک سطح است.
ژنراتورها دیگری که توسط آلستوم‌تکمیل شده یک ماشین 50 هرتز 500مگاولت آمپری است. این ماشین یک‌پیشرفت عمده در فن آوری ژنراتورهایی که‌با هوا خنک می‌شوند بوده و خنک‌کنندگی‌آن به شکل معکوس امکان‌پذیر شد. درخنک‌کنندگی معکوس، فنها در بالا دست‌کولر قرار می‌گیرند و به این ترتیب بخش‌فعال ژنراتور به طور مستقیم و بدون هیچ‌گونه پیش گرمایشی از هوایی که ازکولرها می‌آید بهره‌مند می‌شود. هوایی که به‌طور مستقیم از فنها تامین شده است‌همچنان که از درون فن عبور می‌کند،پیش‌گرم می‌شود.