เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หรือ เครื่องปั่นไฟ (อังกฤษ: electric generator) คืออุปกรณ์ที่แปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า อุปกรณ์ดังกล่าวจะบังคับกระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านวงจรภายนอก แหล่งที่มาของพลังงานกลอาจจะเป็นลูกสูบหรือเครื่องยนต์กังหันไอน้ำ หรือแรงน้ำตกผ่านกังหันน้ำหรือล้อน้ำ หรือเครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือกังหันลม หรือข้อเหวี่ยงมือ หรืออากาศอัด หรือแหล่งพลังงานกลอื่นๆ โดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้านั้นจะเป็นวิธีหลักที่ใช้ในการกำเนิดไฟฟ้าเพื่อจ่ายเข้าโครงข่ายพลังงานไฟฟ้าของประเทศ การแปลงย้อนกลับของพลังงานไฟฟ้ากลับไปเป็นพลังงานกลจะกระทำโดยมอเตอร์ไฟฟ้า มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความคล้ายคลึงกันมาก มอเตอร์หลายตัวสามารถขับเคลื่อนเครื่องจักรเพื่อผลิตไฟฟ้าและบ่อยครั้งที่ได้รับการยอมรับให้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ก่อนที่จะมีการค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กกับไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตถูกนำมาใช้ อุปกรณ์ดังกล่าวทำงานบนหลักการของไฟฟ้าสถิต มันจะผลิตไฟฟ้าแรงดันสูงมากแต่กระแสต่ำ มันทำงานโดยใช้การเคลื่อนย้ายเข็มขัด, จานหรือแผ่นดิสก์ที่ถูกชาร์จด้วยประจุไฟฟ้า ที่จะขนส่งประจุไฟฟ้าไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีศักย์สูง ประจุไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้สองกลไกอย่างใดอย่างหนึ่งดังนี้ : เนื่องจากการขาดประสิทธิภาพและความยากลำบากของเครื่องที่เป็นฉนวนที่ผลิตแรงดันไฟฟ้าที่ สูงมากของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต ทำให้มันมีระดับเรทติ้งของพลังงานที่ต่ำและไม่เคยถูกนำมาใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าในปริมาณที่มีนัยสำคัญในเชิงพาณิชย์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Wimshurst และ แวนเดอ Graaff เป็นตัวอย่างของเครื่องเหล่านี้ที่ยังมีชีวิตอยู่ ใน ปี 1827 Anyos Jedlik ชาวฮังการีเริ่มทดลองกับอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าหมุน ซึ่งเขาเรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้าใบพัดหมุนเอง, ตอนนี้เรียกว่าไดนาโมของ Jedlik ในเครื่องต้นแบบของตัวสตาร์ตเตอร์เสาไฟฟ้าเดียว(เสร็จระหว่างปี 1852 ถึงปี 1854 )ทั้งชิ้นส่วนอยู่กับที่และชิ้นส่วนหมุนเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า เขาคิดสูตรที่เป็นแนวคิดของไดนาโมไว้ไม่น้อยกว่า 6 ปีก่อนซีเมนส์และ Wheatstone แต่ไม่ได้จดสิทธิบัตรเพราะเขาคิดว่าเขาไม่ได้เป็นคนแรกที่รับรู้ถึงเรื่องนี้ ในสาระสำคัญ แนวคิดคือแทนที่จะใช้แม่เหล็กถาวร สองแม่เหล็กไฟฟ้าวางตรงข้ามกันเหนี่ยวนำทำให้เกิดสนามแม่เหล็กรอบโรเตอร์ มันยังเป็นการค้นพบหลักการของการกระตุ้นตัวเองอีกด้วย ในปี 1831-1832, ไมเคิล ฟาราเดย์ ค้นพบหลักการทำงานของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากแม่เหล็กไฟฟ้า หลักการที่ต่อมาเรียกว่า กฎของฟาราเดย์ นั่นคือแรงเหนี่ยวนำไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นในตัวนำ ไฟฟ้าที่ล้อมรอบสนามแม่เหล็กที่กำลังแปรเปลี่ยนไป นอกจากนี้เขายังสร้างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจากแม่เหล็กไฟฟ้าเป็นเครื่องแรก เรียกว่าจานฟาราเดย์ ซึ่งเป็นประเภทหนึ่งของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ homopolar โดยใช้แผ่นจานทองแดงหมุนระหว่างขั้วของแม่เหล็กเกือกม้า มันผลิตแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงที่มีขนาดเล็ก การออกแบบแบบนี้ไม่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากมีกระแสหักล้างกันเองในพื้นที่ที่ไม่ได้อยู่ภายใต้ อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก ในขณะที่กระแสถูกชักนำโดยตรงภายใต้แม่เหล็ก, กระแสจะไหลเวียนกลับทางในพื้นที่ที่อยู่นอกอิทธิพลของสนามแม่เหล็ก การไหลกลับทางนี้จำกัดการส่งออกของพลังงานไปยังสายไฟที่จ่ายโหลดและเหนี่ยวนำความร้อนสูญเปล่าขึ้นบนแผ่นจานทองแดง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ homopolar ต่อมาจะแก้ปัญหานี้ โดยใช้อาร์เรย์ของแม่เหล็กจัดวางเรียงตัวรอบๆแผ่นจานเพื่อรักษาระดับสนามแม่เหล็กให้คงที่ในทิศทางการไหลของกระแสเพียงทางเดียว ข้อเสียอีกอย่างก็คือ แรงดันที่ออกมาต่ำมาก เนื่องจากมีเส้นทางของกระแสเพียงทางเดียวผ่านสนามแม่เหล็ก ผู้ทำการทดลองพบว่าการใช้ขดลวดหลายๆรอบจะสามารถผลิตแรงดันได้สูงขึ้น และมีประโยชน์มากขึ้น เนื่องจากแรงดันออกเป็นสัดส่วนกับจำนวนรอบ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า สามารถออกแบบได้อย่างง่ายดายในการผลิตแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการโดยการปรับจำนวนรอบ การพันรอบสายไฟจึงกลายเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของการออกแบบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหมดที่ตามมา ไดนาโมเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเครื่องแรกที่มีความสามารถในการส่งมอบพลังงานสำหรับอุตสาหกรรม มันใช้การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าเพื่อแปลงการหมุนทางเครื่องกลเป็นกระแสตรง ผ่านการใช้ตัวเปลี่ยนทิศทางกระแส ไดนาโมตัวแรกถูกสร้างขึ้นโดย Hippolyte Pixii ในปี ค.ศ. 1832 เครื่องไดนาโมประกอบด้วยโครงสร้างติดอยู่กับที่ซึ่งมีสนามแม่เหล็กคงที่และชุดของเส้นลวดหมุนที่หมุนอยูในสนามแม่เหล็กนั้น ในไดนาโมขนาดเล็ก สนามแม่เหล็กคงที่อาจจะถูกจัดให้โดย แม่เหล็กถาวรหนึ่งชุดหรือมากกว่า สำหรับไดนาโมขนาดใหญ่มีสนามแม่เหล็กคงที่จัดให้โดย แม่เหล็กไฟฟ้าหนึ่งชุดหรือมากกว่า ซึ่งมักจะถูกเรียกว่าขดลวดสนาม โดยผ่านการค้นพบโดยบังเอิญหลายๆครั้งอย่างต่อเนื่อง, ไดนาโมกลายเป็นแหล่งที่มาของสิ่งประดิษฐ์จำนวนมากต่อมา รวมทั้งมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง, เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ, มอเตอร์ AC ซิงโครนัส และตัวแปลงไฟฟ้าแบบหมุน(อังกฤษ: rotary converter) ระบบการผลิตไฟฟ้ากระแสสลับเป็นที่รู้จักกันในรูปแบบที่เรียบง่ายจากการค้นพบของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กเนื่องจากกระแสไฟฟ้า เครื่องรุ่นแรกๆถูกพัฒนาขึ้นโดยผู้บุกเบิกเช่นไมเคิล ฟาราเดย์ และ Hippolyte Pixii ฟาราเดย์ได้พัฒนา "สี่เหลี่ยมผืนผ้าหมุน" ซึ่งมีการทำงานเป็น heteropolar นั่นคือแต่ละตัวนำที่แอคทีฟเคลื่อนผ่านอย่างต่อเนื่องในบริเวณที่สนามแม่เหล็กจะอยู่ในทิศทางตรงข้าม การสาธิตสาธารณะเป็นครั้งแรกของ"ระบบเครื่องผลิตไฟฟ้ากระแสสลับ"ที่มีความแข็งแกร่งระบบหนึ่งเกิดขึ้นในปี ค.ศ. 1886 เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับสองเฟสขนาดใหญ่ถูกสร้างขึ้นโดยช่างชาวอังกฤษ JEH กอร์ดอน ในปี ค.ศ. 1882 ลอร์ดเคลวิน และ เซบาสเตียน Ferranti ยังพัฒนา alternators รุ่นแรกๆ ผลิตความถี่ระหว่าง 100 และ 300 Hz. ใน ปี ค.ศ. 1891, Nikola Tesla ได้สิทธิบัตรเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ "ความถี่สูง"ในทางปฏิบัติ (ซึ่งทำงานที่ประมาณ 15 กิโลเฮิร์ทซ์) หลังจากปี 1891 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหลายเฟสถูกนำไป ใช้จ่ายกระแสของหลายเฟสที่แตกต่างกัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวต่อมาได้รับการออกแบบให้สามารถจ่ายกระแสสลับที่ความถี่เปลี่ยนแปลงได้ระหว่าง สิบหกถึงประมาณหนึ่งร้อยเฮิรตซ์ สำหรับใช้กับ แสงสว่างแบบอาร์ก, หลอดไฟจุดใส้และมอเตอร์ไฟฟ้า ไดนาโมผลิตกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ตอนนี้ไม่ค่อยมีให้เห็น เนื่องจากขณะนี้การใช้งานเกือบเป็นสากลคือใช้กระแสสลับ ก่อนที่จะมีการนำไฟ AC มาใช้ ไดนาโมไฟกระแสตรงที่มีขนาดใหญ่มากเป็นวิธีการเดียวในการผลิตและการจำหน่ายกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า AC ได้เข้ามาครองตลาดเนื่องจากความสามารถของมันที่จะเปลี่ยนให้ได้แรงดันที่ต่ำลงหรือสูงขึ้นได้อย่างง่ายดาย เพื่อลดการสูญเสียพลังงานตามระยะทางที่ไกลมากๆ บทความหลัก: ไดนาโม ไดนาโมเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้ากระแสตรงด้วยการใช้คอมมิวเตเตอร์ ไดนาโมเป็นตัวให้กำเนิดไฟฟ้าเครื่องแรกที่สามารถส่งมอบพลังงานสำหรับอุตสาหกรรม และเป็นรากฐานให้หลายๆอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าต่อมา รวมทั้งมอเตอร์ไฟฟ้า, เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและต้วแปลงหมุน วันนี้เครื่องกำเนิดกระแสสลับที่เรียบง่ายครองตลาดการผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ ให้ประสิทธิภาพที่ดี เชื่อถือได้และค่าใช้จ่ายสมเหตุสมผล ไดนาโมมีข้อเสียอยู่ที่กลไกของคอมมิวเตเตอร์ นอกจากนี้ การแปลงกระแสสลับให้เป็นกระแสตรงโดยการใช้ตัวเรียงกระแสกำลัง(หลอดสุญญากาศหรืออุปกรณ์โซลิดสเตทล่าสุด) มีประสิทธิภาพและมักจะประหยัดทางเศรษฐกิจ บทความหลัก: Alternator โดยไม่ต้องใช้คอมมิวเตเตอร์, ไดนาโมกลายเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสซิงเกิลฟีด alternators ผลิตกระแสสลับด้วยความถี่หนึ่งที่จะขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุนของโรเตอร์และจำนวนขั้วแม่เหล็ก alternators ในรถยนต์ผลิตความถี่ที่แตกต่างกัน เปลี่ยนแปลงไปตามความเร็วรอบของเครื่องยนต์ แล้วจะถูกแปลงเป็น DC โดยตัวเรียงกระแส alternators ที่ป้อนให้กับเพาเวอร์กริดไฟฟ้าจะทำงานโดยทั่วไปที่ความเร็วที่ใกล้เคียงกับความถี่หนึ่งที่เฉพาะเจาะจงเพื่อประโยชน์ของ อุปกรณ์ AC ที่ควบคุมความเร็วและประสิทธิภาพการทำงานบนความถี่ของกริด อุปกรณ์บางอย่างเช่นหลอดไส้และหลอดเรืองแสงที่ทำงานด้วยบัลลาสต์ไม่จำเป็นต้องมีความถี่คงที่ แต่มอเตอร์แบบซิงโครนัส เช่นในนาฬิกาไฟฟ้าแขวนผนังจำเป็นต้องใช้ความถี่กริดคงที่ เมื่อต่อเข้ากับกริดไฟฟ้าขนาดใหญ่กว่าที่มี alternators อื่นๆ, alternator จะทำปฏิสัมพันธ์แบบไดนามิกกับความถี่ที่มีอยู่แล้วในกริด และจะต้องทำงานที่ความเร็วที่เข้ากันได้กับความถี่กริด ถ้าไม่มีพลังงานขับใส่เข้าไป alternator จะยังคงหมุนต่อไปที่ความเร็วคงที่อยู่ดี แต่จะถูกขับเหมือนกับว่าเป็นมอเตอร์ซิงโครนัสตัวหนึ่งตามความถี่กริด ปกติแล้ว มันจำเป็นสำหรับ alternator ที่จะ ถูกเร่งความเร็วให้ได้ถึงความเร็วและการจัดตำแหน่งเฟสที่ถูกต้องก่อนที่จะเชื่อมต่อเข้ากับกริด เพราะการที่มีความถี่ไม่ตรงกันจะทำให้ alternator ทำงานเป็นมอเตอร์ซิงโครนัส และจะ กระโดดทันทีทันใดไปที่การจัดตำแหน่งเฟสที่ถูกต้องเนื่องจากมันดูดซับกระแสไหลเข้าฉับพลันอย่างมากจากกริด ซึ่งอาจเกิดความเสียหายกับโรเตอร์และอุปกรณ์อื่น ๆ alternators ทั่วไปใช้ขดลวดสนามโรเตอร์ที่ถูกกระตุ้นด้วยกระแสตรง และขดลวดอยู่กับที่ (สเตเตอร์)เพื่อผลิตกระแสสลับ เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่โรเตอร์ต้องการเป็นเพียงส่วนเล็กๆของพลังงานที่ถูกสร้างขึ้นโดยเครื่อง, แปรงถ่านสำหรับต่อกับสนามจะสามารถมีขนาดค่อนข้างเล็กได้ ในกรณีที่ตัวกระตุ้นไม่ได้ใช้แปรงถ่า น แกนโรเตอร์จะมีตัวเรียงกระแสเกาะอยู่เพื่อกระตุ้นขดลวดสนามหลัก บทความหลัก: Induction generator เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสสลับประเภทหนึ่งที่ใช้หลักการของมอเตอร์เหนี่ยวนำในการผลิตพลังงาน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำทำงานโดยการหมุนโรเตอร์ด้วยแรงกลให้เร็วกว่าความเร็วซิงโครนัส ทำให้เกิด slip ในเชิงลบ มอเตอร์ AC อะซิงโครนัสโดยทั่วไปมักจะสามารถถูกใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวหนึ่งได้โดยไม่มีการแก้ไขใดๆภายใน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำมีประโยชน์ในการใช้งาน เช่นโรงงานไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็ก, กังหันลมหรือในการลดกระแสก๊าซแรงดันสูงให้มีแรงดันต่ำลง เพราะมันสามารถกู้คืนพลังงานด้วยการควบคุมที่ค่อนข้างง่าย ในการใชังานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ มันจะต้องถูกกระตุ้นด้วย leading voltage สิ่งนี้ มักจะทำโดยการเชื่อมต่อกับกริดไฟฟ้า หรือบางครั้งพวกมันจะถูกกระตุ้นได้ด้วยตัวเองโดยใช้ตัวเก็บประจุแก้ไขเฟส บทความหลัก: MHD generator เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ magnetohydrodynamic สกัดพลังงานไฟฟ้าโดยตรงจากก๊าซร้อนที่เคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็กโดยไม่ต้องใช้การหมุนของเครื่องจักรกลแม่เหล็กไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ MHD มีการพัฒนามาแต่เดิมเพราะเอาต์พุตของ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า MHD พลาสม่าเป็นเปลวไฟ ดีพอที่จะให้ความร้อนแก่หม้อไอน้ำของโรงไฟฟ้าไอน้ำ การออกแบบในทางปฏิบัติ ครั้งแรกคือ Avco Mk 25 ได้รับการพัฒนาในปี ค.ศ. 1965 รัฐบาลสหรัฐ ได้ให้ทุนสนับสนุน การพัฒนาที่สำคัญ สูงสุดในโรงงานสาธิตขนาด 25 MW ในปี ค