Генератор (от латинского generator — производитель) — это общее название для широкого класса устройств, аппаратов и машин, предназначенных для производства каких-либо продуктов или преобразования энергии. К ним относятся, например, парогенераторы и газогенераторы, вырабатывающие пар и горючий газ соответственно. Особую группу составляют устройства для получения электричества, такие как электромашинные, гидротурбинные или ламповые генераторы. Также существуют аппараты, преобразующие один вид энергии в другой, как, например, генераторы ультразвуковых колебаний.
Электромашинные генераторы
Электромашинный генератор — это классическое устройство для преобразования механической энергии вращения в электрическую. Его конструкция основана на двух ключевых элементах: неподвижном статоре и вращающемся внутри него роторе. На статоре создается постоянное магнитное поле. Когда ротор с намотанными на него витками обмотки вращается в этом поле, в этих витках возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС). Таким образом, механическое движение напрямую превращается в электрическую энергию постоянного или переменного тока (см. Электрический ток).
Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи и сердечники ротора, и статора изготавливаются из тонких пластин специальной электротехнической стали, которые собираются в плотные пакеты. Вращение ротору может передаваться от различных первичных двигателей: паровой, газовой или водяной турбины, двигателя внутреннего сгорания или даже ветроколеса. В зависимости от этого генераторы получают разные названия. Агрегат, работающий от паровой или газовой турбины, называется турбогенератором. Если в качестве привода используется дизельный двигатель, то это дизель-агрегат. На гидроэлектростанциях генератор, вращаемый водяной турбиной, именуется гидрогенератором. Мощности таких установок могут быть колоссальными: так, на Саяно-Шушенской ГЭС работают гидрогенераторы мощностью 640 МВт, а на Костромской ГРЭС — турбогенератор мощностью 1 112 200 кВт.
Принцип действия остается неизменным и для самых миниатюрных генераторов, например, для питания велосипедной фары. Отличие лишь в том, что постоянное магнитное поле в них создается не обмотками возбуждения, а постоянными магнитами.
Магнито-гидродинамические (МГД) генераторы
Особняком в энергетике стоит МГД-генератор. Это устройство преобразует тепловую энергию непосредственно в электрическую, минуя промежуточные механические стадии. Раскаленный ионизированный газ (плазма) движется в мощном магнитном поле, в результате чего в нем возникает электрический ток. Благодаря такому прямому преобразованию МГД-генератор обладает значительно более высоким коэффициентом полезного действия (КПД) по сравнению с традиционными энергоустановками.
Электронные генераторы
Совершенно иной принцип лежит в основе работы ламповых или полупроводниковых генераторов электрических колебаний. Такое устройство обычно состоит из активного элемента (радиолампы, транзистора, тиратрона) и колебательного контура, соединенных цепью обратной связи (см. Цепь). Слабые колебания, возникающие в контуре, усиливаются активным элементом, и часть усиленного сигнала возвращается обратно в контур, поддерживая в нем стабильные незатухающие колебания требуемой частоты. Такие генераторы преобразуют энергию источника постоянного тока в энергию переменных электрических колебаний.
Существует множество разновидностей электронных генераторов, создающих колебания разной формы: импульсные генераторы, генераторы пилообразного напряжения и другие. У них есть и специальные названия: блокинг-генератор, мультивибратор, фантастрон. Эти устройства нашли широкое применение в телевидении, радиолокации, системах автоматики и телемеханики.
Геотермальные электростанции (ГеоТЭС)
Энергию Земли также можно использовать для генерации электричества. Геотермальные электростанции (ГеоТЭС) работают на внутреннем тепле планеты. По своему принципу они схожи с обычными тепловыми электростанциями, но вместо сжигания топлива используют перегретую воду и пар из подземных источников. Благодаря этому на ГеоТЭС отсутствуют паровые котлы, системы топливоподачи и высокие дымовые трубы.
Первую в СССР ГеоТЭС построили в 1966 году на Камчатке, в долине реки Паужетки. Её первоначальная мощность составляла 5 МВт. Технологический процесс там устроен следующим образом: пароводяную смесь, добытую из скважины, разделяют. Пар направляют для вращения турбин генераторов, а горячую воду с температурой выше 120°C используют для отопления близлежащих поселков. К 1980 году мощность Паужетской ГеоТЭС была увеличена до 11 МВт. В этом же регионе планировалось строительство ещё более мощной станции на Нижне-Кошелевском источнике. ГеоТЭС строят преимущественно в сейсмически активных зонах и районах вулканической деятельности, где раскаленная магма подходит близко к поверхности, обеспечивая высокотемпературный теплоноситель.
Оптические квантовые генераторы (лазеры)
Особую и очень перспективную группу составляют оптические квантовые генераторы, более известные как лазеры. В них роль колебательной системы выполняют возбужденные атомы или молекулы специального активного вещества. Переходя из высокоэнергетического состояния в обычное, эти частицы излучают кванты (порции) электромагнитной энергии. Ключевой особенностью всех квантовых генераторов является исключительно высокая стабильность и монохроматичность (чистота) генерируемых колебаний, что открывает перед ними широчайшие возможности применения в науке, технике и медицине.