thumb|Alternator z początku XX wieku; wyprodukowany w Budapeszcie, stojący w elektrowni wodnej. thumb|Generator w Zwevegem w Belgii Generator elektryczny – urządzenie przetwarzające na energię elektryczną inne rodzaje energii, w tym energię mechaniczną. Większość generatorów wytwarza energię elektryczną w wyniku indukcji elektromagnetycznej. Generatory te mają elementy poruszające się w polu magnetycznym lub wytwarzane jest zmienne pole magnetyczne. Zjawisko odwrotne, czyli przekształcenie energii elektrycznej w energię mechaniczną występuje w silnikach. Silniki i generatory wykorzystujące zjawisko indukcji elektromagnetycznej mają wiele podobieństw. Zalicza się je do tak zwanych maszyn elektrycznychAntoni M.Plamitzer, Maszyny elektryczne, rozdział: 1.1 Zadania oraz klasyfikacja maszyn i transformatorów, Warszawa, Wyd. Naukowo-Techniczne, s. 35, 1982, .. Część generatorów elektrycznych wytwarza energię elektryczną w wyniku innych zjawisk fizycznych.
Źródłem energii mechanicznej w generatorach indukcyjnych może być przegrzana para wodna napędzająca turbinę parową, powstała dzięki ciepłu uzyskanemu z paliwa (np. spalania paliw kopalnych lub reakcji jądrowych) lub promieniowania słonecznego, woda przepływająca przez turbinę wodną lub koło wodne, spalane paliwo w silniku spalania wewnętrznego lub turbinie gazowej, energia kinetyczna przepływającego powietrza w turbinie wiatrowej, napędzana siłą mięśni korba, sprężone powietrze lub jakiekolwiek inne źródło energii mechanicznej. Źródłem energii zamienianej bezpośrednio na energię elektryczną może być też ciepło wykorzystywane w termogeneratorach lub generatorach MHD, energia wiązań atomowych wykorzystywana w ogniwach paliwowych lub energia słoneczna wykorzystana w fotoogniwach.
Literą R oznaczono generatory z częściami ruchomymi – wirującym rotorem, a literą B generatory przetwarzające bezpośrednio energię pierwotną na energię elektryczną.
+ Rodzaje generatorów elektrycznych Energia pierwotna Generator Mechaniczna Prądnica R Energia potencjalna i kinetyczna wody Turbina wodna R Energia kinetyczna powietrza Turbina wiatrowa R Chemiczna – energia wiązań atomowych Ogniwo paliwowe B Cieplna Silnik spalinowy Agregat prądotwórczy R Para wodna powstała dzięki ciepłu uzyskanemu z paliwa Turbogenerator R Bezpośrednia zamiana na energię elektryczną Termogenerator – ogniwa termowoltaiczne B Generator MHD B Promieniowanie słoneczne Ogrzane powietrze – ruch konwekcyjny Wieża słoneczna B/R Para wodna uzyskana z promieniowania słonecznego Cieplna elektrownia słoneczna R Fotoogniwa Ogniwa fotowoltaiczne B Ciepło – promieniowanie podczerwone Termowoltaiczne ogniwo z koncentratorem (lustrem) B Energia promienista Energia cieplna Radioizotopowy generator termoelektryczny B Bezpośrednia zamiana promieniowania jonizującego (β lub α) na energie elektryczną Bateria jądrowa – Baterie betawoltaiczne B Bezpośrednia zamiana na ruch Radioizotopowy generator pizoelektryczny B
Zasada działania Generator elektryczny wykorzystujący zjawisko indukcji magnetycznej, nie „tworzy” zawsze obecnego w przewodniku ładunku elektrycznego, a jedynie go „przesuwa”. Można to porównać do pompy wodnej, która powoduje przepływ wody, ale nie „tworzy” wody w rurach. Generatory mogą też bazować na wykorzystaniu innych zjawisk fizycznych: piezoelektryczność, przepływ plazmy w polu magnetycznym – magnetohydrodynamika itp. Konstrukcja generatorów indukcyjnych jest podobna do budowy silnika elektrycznego. Wszystkie typy generatorów indukcyjnych (wykorzystujących zasady indukcji magnetycznej) mogą w specyficznych warunkach pracować jako silniki.
Terminologia W generatorach indukcyjnych można wyróżnić dwie podstawowe części.
Elementy mechaniczne: wirnik – rotor: część wirująca, na której zamontowano uzwojenie lub magnesy stałe stojan: część stacjonarną na której zamontowano uzwojenie lub magnesy stałe
Elementy elektryczne: twornik, w którym generowane jest napięcie i prąd elektryczny – wykonaną jako jedna lub więcej cewek indukcyjnych. Twornica może być umieszczona na rotorze lub stojanie w zależności od konstrukcji. magneśnicę lub uzwojenie wzbudzenia, w którym wytwarza się pole magnetyczne. Magnes stały lub cewka indukcyjna, przez którą płynie prąd stały lub zmienny w zależności od typu i konstrukcji generatora. Magneśnica może być umieszczona na rotorze lub stojanie w zależności od konstrukcji.
Historia rozwoju Zanim odkryto połączenie pomiędzy zjawiskami magnetyzmu i elektryczności, znano zjawiska elektrostatyczne. Wymyślono generatory elektrostatyczne wytwarzające bardzo wysokie napięcia. Charakteryzowały się one bardzo małą wydajnością prądową.
Pracowały na zasadzie wykorzystania poruszających się ładowanych elektrostatycznie trzpieni, płyt lub dysków, przenoszących ładunek elektryczny na elektrodę o wysokim potencjale. Ładunek elektrostatyczny był wytwarzany na dwa różne sposoby: Indukcja elektrostatyczna Efekt triboelektryczny (ładowanie przez pocieranie), gdzie kontakt między dwoma izolatorami powoduje gromadzenie się ładunków elektryczne w sposób charakterystyczny dla materiału, z jakiego wykonane są izolatory.
Z powodu trudności izolowania maszyn produkujących bardzo wysokie napięcia, elektrostatyczne generatory miały małą sprawność i nigdy nie zostały użyte w zastosowaniach komercyjnych – przy produkcji znaczących ilości energii elektrycznej. Maszyna Wimshurst i generator Van de Graaffa są przykładami tych maszyn używanych do dziś.
Dysk Faradaya thumb|Dysk Faradaya W latach 1831–1832 Michael Faraday odkrył zasady działania generatorów elektromagnetycznych. Reguła ta, nazwana później Prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya mówi, że na końcach przewodnika elektrycznego poruszającego się w polu magnetycznym pojawia się różnica potencjałów elektrycznych, a więc napięcie elektryczne, wprost proporcjonalne do szybkości ruchu tego przewodnika w poprzek strumienia magnetycznego. Równanie opisujące to zjawisko stało się jednym z równań Maxwella opisujących własności pola elektrycznego i magnetycznego oraz zależności między nimi. Zamknięcie obwodu powoduje przepływ prądu elektrycznego w wyniku różnicy potencjałów.
Michael Faraday zbudował pierwszy generator elektromagnetyczny, nazwany Dyskiem Faradaya, będący typem generatora homopolarnego. Zbudowany jest z miedzianego dysku wirującego wewnątrz biegunów podkowiastego magnesu stałego. Dysk Faradaya generuje małe napięcie i bardzo duży prąd. W latach 60 wieku XX Sir Mark Oliphant pracujący w Australian National University zbudował 500 MJ wysokoprądowy Dysk Faradaya, z którego uzyskiwano prąd o wartości aż do 2 MA.
Konstrukcja taka jest bardzo nieefektywna. Pojawiają się prądy płynące w przeciwnym do kierunku użytecznego, w rejonach poza strumieniem magnetycznym od magnesu stałego. Prądy te ograniczają moc wyjściową, którą można pobrać z dysku. Powodują także rozgrzewanie się dysku. W późniejszych typach generatorów homopolarnych rozwiązywano ten problem wykorzystując macierze magnesów stałych umieszczonych wokół obwodu, tak by ustabilizować kierunek przepływu prądu
Dynamo – prądnica prądu stałego thumb|Dane techniczne prądnicy prądu stałego w procesach elektrolizy: Prąd 310 A; Napięcie 7 V, Moc: 2170 W, Prędkość obrotowa 1400 obr./min thumb|Prądnica prądu stałego – przekrój poprzeczny
Dynamo było pierwszym generatorem elektrycznym zdolnym dostarczać energię elektryczną na skalę przemysłową. Dynamo, zwane też prądnicą prądu stałego wykorzystuje oddziaływanie elektromagnetyczne do zamiany energii ruchu obrotowego na energię elektryczną. Wykorzystanie komutatora pozwala uzyskać prąd pulsujący. Pierwsze dynamo wybudował Hippolyte Pixii w 1832 roku.
Prądnica prądu stałego składa się ze stojana wytwarzającego stałe pole magnetyczne (magneśnicy) oraz obracającego się wirnika, na którym nawinięto uzwojenia (twornika). W małych maszynach – prądnicach pole magnetyczne wytwarzane jest przez jeden lub więcej magnesów stałych umieszczonych w stojanie. W większych stałe pole magnetyczne jest wytwarzane przez cewki indukcyjne, w których płynie prąd stały. Cewki takie zwane są także uzwojeniem wzbudzenia. Pod koniec XIX w., zanim upowszechnił się prąd przemienny, prądnice prądu stałego o dużych mocach były podstawowym źródłem energii elektrycznej.
Dynamo związane jest z szeregiem przypadkowych odkryć, w tym z: z silnikiem elektrycznym prądu stałego, alternatorem prądu przemiennego, silnikami: asynchronicznym i synchronicznym oraz przekształtnikami elektromechanicznymi.
Ze względu na złożoność budowy prądnice prądu stałego nie są obecnie wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej dużych mocy. Powodem jest fakt, że komutator nie jest zdolny długotrwałe, bez uszkodzeń, przewodzić dużych prądów. Jak skomplikowane problemy techniczne musi rozwiązać konstruktor pokazuje urządzenie, które widać na rysunku obok. Rycina przedstawia prądnicę z 1917 roku wykorzystywaną w przemysłowym procesie elektrolizy i galwanizacji. Jest to typowy przykład złożoności problemów technicznych przy konstruowaniu komutatora zdolnego przewodzić duży prąd powstający w wirniku. Jak widać, komutator jest około 3 razy większy niż stojan i pozostała część wirnika.
Współczesne systemy dystrybucji energii elektrycznej oparte są na prądzie przemiennym. Znaczenie prądnic prądu stałego znacznie się zmniejszyło. Obecnie szeroko stosowane są tanie elektroniczne układy przetwarzające prąd zmienny na prąd stały. Nie ma w tej chwili potrzeby budować tak skomplikowanych systemów produkcji energii elektrycznej.
Prądnice prądu stałego stosuje się w samochodach, są jednak zastępowane wydajniejszymi i mniej awaryjnymi alternatorami. Prądnice prądu stałego stosuje się nadal w elektromaszynowych konwerterach.
Generatory elektromagnetyczne z częściami wirującymi Jak widać w tabeli zamieszczonej powyżej, działanie większości generatorów elektrycznych oparta jest na koncepcji oddziaływania pola magnetycznego i poruszającego się przewodu, w którym generowany jest prąd elektryczny (generatory) lub na którym powstaje siła elektrodynamiczna (silniki).
Generator MHD Generatory MHD wytwarzają energię elektryczną bezpośrednio z przemiany energii cieplnej i kinetycznej gorącego zjonizowanego gazu przepływającego przez stałe pole magnetyczne. W generatorach MHD nie występują jakiekolwiek części ruchome. Wynalezienie generatorów MHD zostało spowodowane faktem, że plazma po przejściu przez generator nadal ma taką temperaturę, że potrafi wytworzyć parę w kotłach klasycznych elektrowni cieplnych. Pozwala to, teoretycznie, zwiększyć sprawność takich „kombinowanych układów termodynamicznych”.
Pierwszy projekt, który doczekał się realizacji to AVCO Mk.25 z 1965 roku. W 1987 roku rząd USA współfinansował demonstracyjną instalację w 25MW elektrowni.
Obecnie (2007) elektrownie cieplne z generatorami MHD i turbogeneratorami pracujące z kombinowanym cyklem termodynamicznym, są mniej wydajne niż połączenie turbiny gazowej i klasycznego „parowego” turbogeneratora.
Wzbudzenie thumb|A small early 1900s 75 KVA direct-driven power station AC alternator, with a separate belt-driven exciter generator.
Strumień magnetyczny w indukcyjnych maszynach elektrycznych (generatory i silniki) jest wytwarzany przez uzwojenie wzbudzenia składające się z jednej lub kilku cewek indukcyjnych lub przez magnesy trwałe, np. magnesy neodymowe stosowane ze względu na duży strumień magnetyczny przy stosunkowo niewielkiej masie.