Penjana elektrik

Pengulangalik awal abad ke-20 yang dihasilkan di Budapest, Hungary, dalam dewan penghasil tenaga di stesen elektrik hidro.

Generator di Zwevegem, West Flanders, Belgium

Dalam penghasilan elektrik, penjana elektrik merupakan satu peranti yang menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik, biasanya menggunakan induksi elektromagnetik. Penukaran terbalik tenaga elektrik kepada tenaga mekanikal dilakukan melalui motor elektrik, dan motor dan generator mempunyai banyak persamaan. Sumber penggerak utama bagi kuasa mekanikal mungkin berulang alik atau enjin wap turbin, air yang jatuh melalui kuasa hidro (turbin atau kincir air, enjin pembakaran dalam, turbin angin, mesin jana tangan (hand crank), udara mampat atau sebarang sumber tenaga mekanikal yang lain.

Sejarah pembangunan

Sebelum hubungan antara magnet dan elektrik dijumpai, penjana elektrostatik dicipta yang menggunakan prinsip elektrostatik. Ia menghasilkan voltan amat tinggi dan arus elektrik rendah. Ia beroperasi dengan menggunakan sawat bercaj elektrik, piring dan cakera bagi membawa caj pada elektrod berpotensi tinggi. Caj dijana menggunakan salah satu mekanisma:

• Induksi elektrostatik
• Kesan triboelektrik, di mana hubungan antara dua penebat meninggalkan ia bercas.

Penjana elektrostatik tidak efisien dan sukar ditebatkan jika menghasilkan voltan tinggi, oleh itu ia memiliki kadar kuasa rendah dan tidak pernah digunakan bagi menjana kuasa elektrik kuantiti besar secara perdagangan. Mesin Wimshurst dan penjana Van de Graaff merupakan contoh mesin ini yang masih selamat.

Dinamo Jedlik

Pada tahun 1827, seorang pencipta warga Hungary bernama Anyos Jedlik mula menguji kaji peranti berputar elektromagnetik yang digelar rotor diri elektromagnetik. Dalam prototaip penghidup elektrik pola tunggal ini (yang disiapkan antara 1852 dan 1854), kedua-dua bahagian kaku dan berputar bersifat elektromagnetik. Jedlik membina konsep dinamo sekurang-kurangnya 6 tahun sebelum Ernst Werner von Siemens dan Charles Wheatstone namun beliau tidak mempatenkannya kerana beliau berfikir bahawa beliau bukan orang pertama yang menyedari tentang konsep ini. Secara ringkasnya konsep dinamo ini menggunakan magnet kekal, dua elektromagnet bertentangan sesama sendiri menggalak medan elektrik mengelilingi motor. Ia juga jumpaan prinsip penggalak diri.

Cakera Faraday

Cakera Faraday, penjana elektrik pertama. Magnet berbentuk ladam kuda (A) menghasilkan medan magnet melalui cakera (D). Apabila cakera diputar, ia mendorong arus elektrik mengalir keluar dari tengah kea rah tepi. Arus mengalir keluar melalui hubungan spring mengelunsur m, melalui litar luaran, dan kembali ke pusat cakera melalui paksi.

Pada sekitar tahun 1831–1832, Michael Faraday menemui prinsip operasi penjana elektromagnetik. Prinsip ini kemudiannya dikenali sebagai Hukum Faraday, iaitu kuasa elektromotif dihasilkan pada pengalir elektrik yang mengelilingi fluks magnet yang berubah-ubah. Beliau turut membina penjana elektromagnet pertama yang dikenali sebagai Cakera Faraday, sejenis penjana kutub tunggal yang menggunakan cakera tembaga berputar antara kutub magnet ladam kuda seterusnya menghasilkan voltan arus terus yang kecil.

Reka bentuk ini kurang berkesan disebabkan arus songsang membatal diri di bahagian yang tidak di bawah pengaruh medan magnet. Ketika arus didorong langsung di bawah magnet, arus akan mengelilingi kebelakang di kawasan di luar pengaruh magnet. Arus songsang ini menghadkan keluaran kuasa ke wayar pengumpul dan mendorong kepada pemanasan yang terbazir pada cakera tembaga. Penjana homokutub berikutnya akan menyelesaikan masalah ini dengan menggunakan jujukan magnet diatur mengelilingi sempadan cakera bagi mengekalkan kesan medan manget berterusan bagi aliran arus satu arah.

Satu lagi kelemahannya adalah hasil voltan adalah amat rendah, disebabkan laluan arus tunggal melalui fluks magnet. Penguji kaji mendapati bahawa pembalutan wayar dalam gelung mampu menghasilkan voltan lebih tinggi dan berguna. Disebabkan voltan keluaran adalah bernisbah dengan bilangan putaran, penjana boleh direka dengan mudah bagi menghasilkan sebarang voltan yang diingini dengan mengubah bilangan gelung. Lilitan wayar menjadi ciri asas bagi kesemua reka bentuk penjana elektrik.

Dinamo

Dinamo tidak lagi digunakan bagi menghasilkan tenaga disebabkan saiz dan kerumitan komutator perlukan bagi aplikasi berkuasa tinggi. Dinamo berarus tinggi yang berpuncakan gegelung besar menghasilkan 310 ampere pada 7 volt, atau 2,170 watt, apabila ia berputar pada kelajuan 1,400 pusingan per minit (”RPM”).

Mesin elektrik Dinamo [Pandangan hujung, Sebahagian Seksyen] (U.S. Patent 284,110)

Dinamo merupakan penjana elektrik pertama yang mampu menghasilkan kuasa bagi industri. Dinamo menggunakan prinsip eletromagnetik bagi menukar putaran mekanikal kepada denyutan arus terus melalui penggunaan komutator elektrik. Dinamo pertama dibina oleh Hippolyte Pixii pada tahun 1832.

Melalui beberapa siri jumpaan yang tidak disengajakan, dinamo kemudiannya menjadi sumber kepada banyak ciptaan yang berikut, termasuk motor elektrik arus terus, pengulangalik berarus ulang-alik, motor segerak berarus ulang-alik, dan penukar rotari.

Mesin dinamo terdiri daripada struktur kekal, yang memberikan medan elektrik tetap, dan set gegelung yang berputar dalam medan tersebut. Bagi mesin kecil, medan magnet kekal mungkin boleh diberikan oleh satu atau lebih magnet kekal; mesin lebih besar memiliki medan magnet tetap yang diberikan oleh satu atau lebih eletromagnet, yang biasanya dipanggil gelung medan.

Dinamo penjana kuasa yang besar kini jarang dilihat kerana kegunaan arus ulang-alik hampir sejagat bagi penyebaran kuasa dan penukar kuasa dari arus ulang-alik ke arus terus eletronik keadaan pepejal (solid state). Tetapi sebelum prinsip arus ulang-alik ini dijumpai, dinamo arus terus amat besar merupakan satu-satunya cara bagi menghasilkan dan mengagihkan kuasa. Kini kebanyakan dinamo jenis penjana kuasa hanya digunakan sebagai bahan tarikan.

Pengulangalik

Tanpa komutator, dinamor menjadi pengulangalik, iaitu penjana suap tunggal segerak. Apabila digunakan bagi menyuap grid kuala elektrik, pengulangalik perlu sentiasa beroperasi pada kelajuan sekata yang ditala sekata dengan frekuensi eletril grid kuasa. Penjana arus terus boleh beroperasi pada sebarang kelajuan dalam had mekanikal, tetapi keluaran yang dihasilkan sentiasa arus langsung.

Pengulangalik biasa menggunakan medan berputar beredar mendorong dengan arus langsung, dan (stator) kaku beredar yang menghasilkan arus ulang alik. Oleh kerana medan rotor hanya memerlukan sejumlah kecil kuasa yang dihasilkan mesin, berus bagi hubungan medan boleh menjadi amat kecil. Bagi kes penggalak tanpa sentuh, tiada berus digunakan sama sekali dan gandar rotor membawa pembetul "rectifiers" untuk menggalak medan pengedar utama.

Penjana eletrokmagnetik berputar yang lain

Penjana jenis lain, seperti penjana suap tunggal penggalak (atau 'penjana tidak segerak'), penjana suap berganda, atau penjana suap berganda rotor-berputar tanpa berus, tidak menggunakan magnet kekal atau medan beredar (contohnya, elektromagnet) yang menetapkan medan magnet tetap, dan hasilnya, dilihat berjaya dalam penggunaan frekuensi tetap pelbagai kelajuan, seperti turbin angin atau teknologi tenaga diperbaharui.

Prestasi keluaran penuh bagi sebarang penjana boleh dioptimumkan dengan kawalan eletronik tetapi hanya penjana suap berganda atau penjana suap berganda rotor beredar tanpa wayar menggunakan kawalan elektrik dengan penetap kuasa yang jauh lebih kecil berbanding keluaran kuasa penjana yang dikawal, ciri-ciri yang secara sendiri, menawarkan kelebihan kos, ketahanan dan keberkesanan.

Penjana MHD

Rencana utama: Penjana MHD

Penjana magnetohidrodinamik secara langsung menghasilkan kuasa elektrik dengan mengerakkan gas panas melalui medan magnetik tanpa menggunakan mesin elektromagnetik berputar. Penjana MHD pada asalnya dibangunkan kerana keluaran plasma dari penjana MHD adalah api, yang turut boleh memanaskan dandang wap logi kuasa kitaran Rankine. Rekabentuk pratikal pertama adalah AVCO Mk. 25, yang dibangunkan pada tahun 1965. Kerajaan Amerika Syarikat membiayai sebahagian besar kos pembangunan, menghasilkan logi ujian 25 MW pada tahun 1987. Di Kesatuan Soviet dari tahun 1972 sehingga akhir 1980-an, logi MHD U 25 beroperasi secara komersial dengan tetap dinilai 25 MW, nilai logi MHD tertinggi di dunia pada masa itu. Penjana MHD beriperasi sebagai kitaran isian (topping cycle) (pada tahun 2007) adalah kurang efisen berbanding gabungan -kitaran turbin gas.

Istilah

Dua bahagian utama penjana atau motor boleh digambarkan menggunakan istilah mekanikal atau elektrik.

Mekanikal:

• Rotor: Bahagian berputar mesin elektrik.
• Stator: Bahagian pegun mesin elektrik

Elektrik:

• Lengan (armature): Komponen penjana kuasa bagi mesin elektrik. Pada penjana, pengulangalik, atau dinamo lengan "armature" bergelung menghasilkan arus elektrik. Lengan "armature" boleh pada rotor atau pada stator.
• Medan gelung (field coil): Komponen medan magnetik bagi mesin elektrik. Medan magnetik bagi dinamo atau pengulangalik boleh dibekalkan samaada melalui alektromagnetik atau magnet kekal yang dipasang pada samaada pada rotor atau stator.

Disebabkan pemindahan kuasa ke litar medan adalah kurang berbanding litar "armature", penjana arus ulang-alik hampir sentiasa memiliki medan gelendung pada rotor dan stator ketika lengan gelendung. Hanya medan arus kecil sahaja perlu dipindahkan kepada rotor bergerak, menggunakan cecincin selit ("slip ring"). Mesin arus langsung (dinamos) memerlukan komutator pada gandar berputar bagi menukar arus ulang alik yang dihasilkan oleh armature kepada arus langsung, dengan itu gelendung armature adalah pada rotor mesin.

Penjana putaran

Penjana putaran sering digunakan bagi membekalkan kuasa takometer bagi mengukur kelajuan motor elektrik, enjin, dan peralatan yang dikuasainya. Penjana menjana voltan secara kasarnya mengikut kelajuan gandar. Dengan pembinaan dan reka bentuk tepat, penjana boleh dibina bagi menghasilkan voltan yang amat tepat mengikut julat kelajuan gandar yang tertentu.

Pautan luar

• video of a simple generator Diarkibkan 2012-03-10 di Wayback Machine
• Masyarakat Texas menguna kuasa generator Biodiesel.
• Generator mudah.