เครื่องกำเนิดไฟฟ้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า หรือ เครื่องปั่นไฟ () คืออุปกรณ์ที่แปลงพลังงานกลเป็นพลังงานไฟฟ้า อุปกรณ์ดังกล่าวจะบังคับกระแสไฟฟ้าให้ไหลผ่านวงจรภายนอก แหล่งที่มาของพลังงานกลอาจจะเป็นลูกสูบหรือเครื่องยนต์กังหันไอน้ำ หรือแรงน้ำตกผ่านกังหันน้ำหรือล้อน้ำ หรือเครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือกังหันลม หรือข้อเหวี่ยงมือ หรืออากาศอัด หรือแหล่งพลังงานกลอื่นๆ โดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้านั้นจะเป็นวิธีหลักที่ใช้ในการกำเนิดไฟฟ้าเพื่อจ่ายเข้าโครงข่ายพลังงานไฟฟ้าของประเทศ

การแปลงย้อนกลับของพลังงานไฟฟ้ากลับไปเป็นพลังงานกลจะกระทำโดยมอเตอร์ไฟฟ้า มอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่มีความคล้ายคลึงกันมาก มอเตอร์หลายตัวสามารถขับเคลื่อนเครื่องจักรเพื่อผลิตไฟฟ้าและบ่อยครั้งที่ได้รับการยอมรับให้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

ประวัติ 

ก่อนที่จะมีการค้นพบความสัมพันธ์ระหว่างแม่เหล็กกับไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตถูกนำมาใช้ อุปกรณ์ดังกล่าวทำงานบนหลักการของไฟฟ้าสถิต มันจะผลิตไฟฟ้าแรงดันสูงมากแต่กระแสต่ำ มันทำงานโดยใช้การเคลื่อนย้ายเข็มขัด, จานหรือแผ่นดิสก์ที่ถูกชาร์จด้วยประจุไฟฟ้า ที่จะขนส่งประจุไฟฟ้าไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีศักย์สูง ประจุไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้สองกลไกอย่างใดอย่างหนึ่งดังนี้ :
เหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต
triboelectric effect ที่หน้าสัมผัสระหว่างสองฉนวนจะถูกชาร์จด้วย

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()

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

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า

ไดนาโม

บทความหลัก: ไดนาโม

ไดนาโมเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ผลิตไฟฟ้ากระแสตรงด้วยการใช้คอมมิวเตเตอร์ ไดนาโมเป็นตัวให้กำเนิดไฟฟ้าเครื่องแรกที่สามารถส่งมอบพลังงานสำหรับอุตสาหกรรม และเป็นรากฐานให้หลายๆอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าต่อมา รวมทั้งมอเตอร์ไฟฟ้า, เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับและต้วแปลงหมุน วันนี้เครื่องกำเนิดกระแสสลับที่เรียบง่ายครองตลาดการผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ ให้ประสิทธิภาพที่ดี เชื่อถือได้และค่าใช้จ่ายสมเหตุสมผล ไดนาโมมีข้อเสียอยู่ที่กลไกของคอมมิวเตเตอร์ นอกจากนี้ การแปลงกระแสสลับให้เป็นกระแสตรงโดยการใช้ตัวเรียงกระแสกำลัง(หลอดสุญญากาศหรืออุปกรณ์โซลิดสเตทล่าสุด) มีประสิทธิภาพและมักจะประหยัดทางเศรษฐกิจ 
 เเละเป็นที่ต้องการของผู้ค้าปลาทั้งหลาย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ

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

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ

บทความหลัก: Induction generator

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสคือเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสสลับประเภทหนึ่งที่ใช้หลักการของมอเตอร์เหนี่ยวนำในการผลิตพลังงาน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำทำงานโดยการหมุนโรเตอร์ด้วยแรงกลให้เร็วกว่าความเร็วซิงโครนัส ทำให้เกิด slip ในเชิงลบ มอเตอร์ AC อะซิงโครนัสโดยทั่วไปมักจะสามารถถูกใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวหนึ่งได้โดยไม่มีการแก้ไขใดๆภายใน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำมีประโยชน์ในการใช้งาน เช่นโรงงานไฟฟ้าพลังน้ำขนาดเล็ก, กังหันลมหรือในการลดกระแสก๊าซแรงดันสูงให้มีแรงดันต่ำลง เพราะมันสามารถกู้คืนพลังงานด้วยการควบคุมที่ค่อนข้างง่าย

ในการใชังานเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำ มันจะต้องถูกกระตุ้นด้วย leading voltage สิ่งนี้ มักจะทำโดยการเชื่อมต่อกับกริดไฟฟ้า หรือบางครั้งพวกมันจะถูกกระตุ้นได้ด้วยตัวเองโดยใช้ตัวเก็บประจุแก้ไขเฟส

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ MHD

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.ศ. 1987 ในสหภาพโซเวียต จากปี 1972 จนถึงปลายปี 1980s โรงงาน MHD U25 อยู่ในการดำเนินงานเชิงพาณิชย์ ปกติในระบบไฟฟ้ามอสโกด้วยกำลังการผลิต 25 เมกะวัตต์ โรงงาน MHD ที่มีกำลังการผลิตที่ใหญ่ที่สุดในโลกในเวลานั้น. เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ MHD ที่ดำเนินการเป็น topping cycle ในปัจจุบัน(ปี 2007) มีประสิทธิภาพน้อยกว่ากังหันก๊าซความร้อนร่วม

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหมุนอื่นๆ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดอื่นๆเช่น เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัสหรือแบบเหนี่ยวนำซิงเกิลฟีด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบดับเบิลฟีด หรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพันโรเตอร์ไม่ใช้แปรงถ่านดับเบิลฟีดเหล่านี้ไม่รวมแม่เหล็กถาวรหรือขดลวดสนามแม่เหล็กที่ใช้สร้างสนามแม่เหล็กคง และ เป็นผลให้เห็นความสำเร็จในการปรับความเร็วในการใช้งานความถี่คงที่ เช่นกังหันลมหรือเทคโนโลยีพลังงานทดแทนอื่นๆ

ประสิทธิภาพการทำงานที่ส่งออกเต็มรูปแบบของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าใดๆ สามารถถูกปรับให้เหมาะสมกับการควบคุมทางอิเล็กทรอนิกส์ แต่เครื่องกำเนิดแบบดับเบิลฟีดหรือเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบพันโรเตอร์ไม่ใช้แปรงถ่านเท่านั้นจะรวมการควบคุมอิเล็กทรอนิกส์กับเพาเวอร์เรทติ้งที่มีน้อยกว่าเพาเวอร์เอาต์พุตของตัวกำเนิดที่อยู่ภายใต้การควบคุม คุณสมบัติซึ่งโดยตัวของมันเอง จะเสนอค่าใช้จ่าย, ความน่าเชื่อถือและผลประโยชน์ที่มีประสิทธิภาพ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ Homopolar

บทความหลัก: Homopolar Generator

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ homopolar เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่ประกอบไปด้วยแผ่น ตัวนำไฟฟ้าหรือกระบอกหมุนในระนาบที่ตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอติดอยู่กับที่ ความต่างศักย์จะถูกสร้างขึ้นระหว่างศูนย์กลางของแผ่นดิสก์และขอบ(หรือปลายของกระบอก) ขั้วไฟฟ้าจะขึ้นอยู่กับทิศทางการหมุนและการวางตัวของสนามแม่เหล็ก มันยังเป็นที่รู้จักกันว่าเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ unipolar, เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ acyclic, ดิสก์ไดนาโม หรือฟาราเดย์ดิสก์  แรงดันไฟฟ้าโดยทั่วไปจะต่ำ เพียงไม่กี่โวลต์ในกรณีของรุ่นสาธิตขนาดเล็ก แต่เครื่องกำเนิดเพื่อ การวิจัยขนาดใหญ่สามารถผลิตหลายร้อยโวลต์ และบางระบบมีหลายเครื่องกำเนิดต่อกันเป็นแถว เพื่อผลิตแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ พวกมันมีความผิดปกติ ในการที่พวกมันสามารถผลิตกระแสไฟฟ้าสูงอย่างมาก บางเครื่องมากกว่าหนึ่งล้านแอมแปร์ เพราะเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ homopolar สามารถถูกทำให้มีความต้านทานภายในที่ต่ำมาก

การกระตุ้น

บทความหลัก: Excitation (magnetic)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือมอเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้ขดลวดสนามแม่เหล็กแทนที่จะใช้แม่เหล็กถาวรต้องการกระแสไหลในขดลวดสนามเพื่อให้อุปกรณ์สามารถทำงานได้ ถ้าขดลวดสนามไม่ได้ถูกใส่พลังขับเคลื่อน โรเตอร์ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถหมุนได้โดยไม่ได้ผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ สามารถใช้งานได้ ในขณะที่ใบพัดของมอเตอร์อาจจะไม่หมุนเลย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่บางครั้งกระตุ้นตัวเองได้ ซึ่งหมายความว่าขดลวดสนามถูกใส่กำลังจากกระแสที่ผลิตโดยตัวเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเอง ขดลวดสนามจะถูกเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือแบบ ขนานกับขดลวดของอาเมเจอร์ เมื่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเริ่มจะทำงานในตอนแรก อำนาจแม่เหล็กขนาดเล็กที่ยังค้างอยู่ในแกนเหล็กจะให้สนามแม่เหล็กเพื่อสตาร์ทเครื่อง ทำให้เกิดกระแสขนาดเล็กในอาเมเจอร์ กระแสนี้จะไหลผ่านขดลวดสนาม, ไปสร้างสนามแม่เหล็กที่มีขนาดใหญ่ ซึ่งจะสร้างกระแสขนาดใหญ่กว่าในอาเมเจอร์  กระบวนการ"bootstrap"นี้ดำเนินต่อไปจนกว่าสนามแม่เหล็กในแกนกลางมีระดับมากพอจนอิ่มตัว และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าสู่สภาวะมั่นคงในการจ่ายพลังงานออกไป

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าในสถานีไฟฟ้าที่มีขนาดใหญ่มากมักจะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่แยกต่างหากเพื่อกระตุ้นขดลวดสนามของตัวที่ใหญ่กว่า ในกรณีที่ไฟฟ้าดับอย่างรวดเร็วรุนแรงเป็นบริเวณกว้างและสถานีพลังงานอยู่ในบริเวณที่ไฟดับ สถานีทั้งหลายอาจต้องสตาร์ทแบบ black start เพื่อกระตุ้นสนามแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าตัวที่ใหญ่ที่สุด เพื่อเรียกคืนพลังงานให้ลูกค้า

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิต

บทความหลัก: electrostatic generator

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตหรือเครื่องไฟฟ้าสถิต เป็นอุปกรณ์เครื่องจักรกลที่ผลิตกระแสไฟฟ้าที่อยู่กับที่หรือไฟฟ้าที่แรงดันสูงและกระแสต่อเนื่องต่ำ ความรู้เกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตย้อนหลังกลับไปที่ อารยธรรมเก่าแก่ที่สุดแต่สำหรับเมื่อพันปีก่อน มันก็ยังคงเป็นเพียงปรากฏการณ์ที่น่าสนใจและ ลึกลับโดยไม่มีทฤษฎีที่จะอธิบายพฤติกรรมของมันและมักจะสับสนกับแม่เหล็ก ในตอนท้ายของ ศตวรรษที่ 17 นักวิจัยมากมายได้พัฒนาวิธีการทางปฏิบัติของการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยแรงเสียดทาน แต่การพัฒนาของเครื่องไฟฟ้าสถิตไม่ได้เริ่มต้นอย่างจริงจังจนกระทั่งศตวรรษที่ 18 เมื่อ พวกมันกลายเป็นเครื่องมือพื้นฐานในการศึกษาเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ใหม่ของไฟฟ้า เครื่องกำเนิด ไฟฟ้าสถิตทำงานโดยใช้มือ(หรือกำลังอื่นๆ) ที่จะเปลี่ยนงานเชิงกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตพัฒนาประจุไฟฟ้าสถิตของสัญญลักษณ์ตรงข้ามให้กลายเป็นสองตัวนำไฟฟ้า โดยใช้กำลังไฟฟ้าเท่านั้นและงานโดยการใช้แผ่นเคลื่อนที่, กลองหรือสายพานขนประจุไฟฟ้าไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีศักย์ไฟฟ้าสูง ประจุจะถูกสร้างจากหนึ่งในสองวิธีคือผลของ triboelectric (แรงเสียดทาน)หรือการเหนี่ยวนำไฟฟ้าสถิต

เครื่อง Wimshurst

บทความหลัก: Wimshurst machine

เครื่องอิทธิพล Wimshurst เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตแบบหนึ่งสำหรับสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูง ถูกพัฒนาระหว่างปี 1880 และ 1883 โดยนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ เจมส์ Wimshurst (1832-1903) มันมีลักษณะที่โดดเด่นด้วยแผ่นจานขนาดใหญ่สองแผ่นที่หมุนไปคนละทางในแนวตั้ง มีแท่งเหล็กสองแท่งวางไขว้กันติดกับแปรงโลหะ และ ช่องว่างจุดประกาย ที่จะถูกสร้างขึ้นโดย โลหะทรงกลมสองลูก

เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แวนเดอ Graaff

บทความหลัก: Van de Graaff generator

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแวนเดอ Graaff เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสถิตที่ใช้สายพานเคลื่อนที่เพื่อสะสม แรงดันไฟฟ้าที่สูงมากบนลูกกลมโลหะกลวงบนยอดของของขาตั้ง มันถูกคิดค้นโดยนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน โรเบิร์ต เจ แวนเดอ Graaff ในปี ค.ศ. 1929 ความต่างศักย์ที่เกิดขึ้นในเครื่อง กำเนิดไฟฟ้า แวนเดอ Graaff ที่ทันสมัยสามารถทำได้ถึง 5 megavolts  เครื่องกำเนิดไฟฟ้า แวนเดอ Graaff สามารถคิดว่าเป็นแหล่งจ่ายกระแสคงที่ที่ต่อขนานกับตัวเก็บประจุอันหนึ่งและตัวต้านทานไฟฟ้าขนาดใหญ่มากอีกตัวหนึ่ง ดังนั้นมันจึงสามารถสร้างการปล่อยประจุไฟฟ้าที่มองเห็นได้ไปที่พื้นผิวดินในบริเวณใกล้เคียงซึ่งอาจจะทำให้เกิด "ประกายไฟ" ที่ขึ้นอยู่กับขนาดแรงดันไฟฟ้า

คำศัพท์

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าหรือมอเตอร์มีสองส่วนหลักที่สามารถอธิบายในแง่เชิงกลหรือไฟฟ้าดังนี้
เชิงกล:
โรเตอร์ : ส่วนที่หมุนของเครื่องใช้ไฟฟ้า
สเตเตอร์ : ส่วนที่ไม่เคลื่อนที่ของเครื่องใช้ไฟฟ้า
ไฟฟ้า
อาเมเจอร์ : ชิ้นส่วนที่สร้างพลังงานของเครื่องใช้ไฟฟ้า ในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ, alternator หรือไดนาโม ขดลวดที่พันรอบอาเมเจอร์จะสร้างกระแสไฟฟ้า อาเมเจอร์สามารถอยู่ บนโรเตอร์หรือสเตเตอร์ที่ใดที่หนึ่ง
สนาม : ชิ้นส่วนของสนามแม่เหล็กของเครื่องใช้ไฟฟ้า สนามแม่เหล็กของไดนาโมหรือของ alternator สามารถได้มาจากแม่เหล็กไฟฟ้าหรือจากแม่เหล็กถาวรที่ติดตั้งอยู่บนโรเตอร์หรือบน สเตเตอร์ที่ใดที่หนึ่ง

เป็นเพราะพลังงานที่ถูกถ่ายโอนเข้าไปในวงจรสนามมีน้อยกว่าในวงจรอาเมเจอร์มาก, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า AC เกือบมักจะมีขดลวดสนามบนโรเตอร์ และขดลวดาเมเจอร์บนสเตเตอร์ มีเพียงจำนวนเล็กน้อยของกระแสสนามเท่านั้นที่ต้องถูกถ่ายโอนไปยังโรเตอร์ที่กำลังเคลื่อนที่ โดยใช้ slip rings เครื่องกระแสตรง (ไดนาโม) ต้องการคอมมิวเตเตอร์บนแกนหมุนเพื่อแปลงกระแสสลับที่ผลิตโดยอาเมเจอร์ให้เป็นกระแสตรง ดังนั้นขดลวดอาเมเจอร์จึงอยู่บนโรเตอร์ของเครื่อง

วงจรสมมูล

วงจรสมมูลของเครื่องกำเนิดฟฟ้าและโหลดถูกแสดงในแผนภาพด้านขวา พารามิเตอร์  และ ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถถูกกำหนดโดยการวัดความต้านทานของขดลวด (แก้ไขให้อยู่ในอุณหภูมิในการทำงานแล้ว) และการวัดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดและแรงดันที่โหลดสำหรับกระแสโหลดที่กำหนดไว้

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าติดรถยนต์

ยานยนต์ช่วงต้นจนถึงปี 1960 มีแนวโน้มที่จะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่มีการควบคุมด้วยกลไกไฟฟ้า อุปกรณ์เหล่านี้ได้ถูกแทนที่โดย alternators ที่มีวงจรเรียงกระแสติดตั้งอยู่ข้างใน ที่มีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าและเบากว่าสำหรับเอ้าท์พุทที่เท่าเทียมกัน นอกจากนี้พลังงานที่ส่งออกมาของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงเป็นสัดส่วนกับความเร็วในการหมุน ในขณะที่พลังงานมี่ส่งออกมาจาก alternator ไม่ขึ้นอยู่กับความเร็วในการหมุน ผลก็คือ ผลผลิตที่กำลังชาร์จของ alternator ที่ความเร็วรอบเดินเบาเครื่องยนต์ อาจจะมากขึ้นกว่าของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง alternators ของยานยนต์ให้พลังงานระบบไฟฟ้าในยานยนต์และชาร์จแบตเตอรี่หลังจากสตาร์ทเครื่อง เอ้าท์พุทที่ได่ตามความจุโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วง 50-100 A ที่ 12 V ขึ้นอยู่กับโหลดไฟฟ้าที่ถูกออกแบบเอาไว้ภายในของรถ รถบางคันตอนนี้มีการขับเคลื่อนพวงมาลัยและเครื่องปรับอากาศด้วยระบบช่วยเหลือไฟฟ้า ซึ่งเป็นภาระอย่างสูงในระบบไฟฟ้า รถเพื่อการพาณิชย์ขนาดใหญ่ มีแนวโน้มที่จะใช้ 24 V เพื่อให้พลังงานเพียงพอที่จะจ่ายให้ตัวสตาร์ทของมอเตอร์ เพื่อเปิดการทำงานเครื่องยนต์ดีเซลขนาดใหญ่ alternators ของยานพาหนะไม่ได้ใช้แม่เหล็กถาวร และโดยทั่วไปจะมีประสิทธิภาพเพียง 50-60% เท่านั้นตลอดช่วงความเร็วที่กว้าง   alternators ของรถจักรยานยนต์มักจะใช้ stators แม่เหล็กถาวรที่ทำด้วยสารแม่เหล็กโลกที่หายาก เนื่องจากพวกมันสามารถที่จะทำให้มีขนาดเล็กและเบากว่าชนิดอื่นๆ (ดูรถไฮบริด)

เครื่อง magneto เช่น ไดนาโมจะใช้แม่เหล็กถาวร แต่สร้างกระแสกระแสสลับเหมือน alternator  เนื่องจากความแรงของสนามของแม่เหล็กถาวรถูกจำกัด เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ magneto ไม่ได้ถูกใช้สำหรับการใช้งานเพื่อผลิตพลังงานสูง แต่ได้มีการใช้โดยผู้เชี่ยวชาญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในประภาคาร เพราะพวกมันจะง่ายและเชื่อถือได้ ความน่าเชื่อถือนี้เป็นส่วนหนึ่งของเหตุผลที่พวกมันจะยังคงถูกใช้เป็น magnetos เพื่อจุดระเบิดในเครื่องยนต์ลูกสูบในการบิน

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กที่สุดบางตัวถูกพบทั่วไปในการให้พลังงานกับไฟจักรยาน ถูกเรียกว่า ไดนาโมขวด ซึ่งจะมีขนาดราว 0.5 แอมป์, เป็น alternators แม่เหล็กถาวรที่ให้ 3-6 W ที่ 6V หรือ 12V. ถูกขับให้ทำงานโดยผู้ขี่ ประสิทธิภาพระดับพรีเมี่ยม ดังนั้นไดนาโมเหล่านี้อาจใช้แม่เหล็กธาตุหายากและได้รับการออกแบบและผลิตด้วยความแม่นยำมาก ประสิทธิภาพสูงสุดคือ ประมาณ 80% สำหรับที่ดีที่สุดของเครื่องกำเนิดเหล่านี้ (60% เป็นเรื่องปกติมากกว่า) เนื่องจาก ในส่วนที่แรงเสียดทานที่เกิดขณะที่หมุนตรงจุดรอยต่อระหว่างเครื่องกำเนิดกับยางและการจัดตำแหน่งที่ไม่สมบูรณ์และขนาดที่เล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและความสูญเสียที่แบริ่ง การออกแบบที่ถูกกว่ามีแนวโน้มที่จะมีประสิทธิภาพน้อยลง เนื่องจากมีการใช้แม่เหล็กถาวร ประสิทธิภาพจะตกลงที่ความเร็วสูงเพราะความแรงของสนามแม่เหล็กไม่สามารถควบคุมได้เลย ในทางใดทางหนึ่ง ไดนาโมที่ดุมล้อช่วยแก้ไขหลายข้อบกพร่องเหล่านี้เนื่องจากเป็นข้อบกพร่องที่อยู่ภายในฮับของจักรยานและไม่ต้องการจุดเชื่อมต่อระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากับยาง การใช้ที่เพิ่มขึ้นของไฟ LED ที่มีประสิทธิภาพมากกว่าหลอดไส้, ช่วยลดการใช้พลังงานที่จำเป็นสำหรับ แสงสว่างของจักรยาน

เรือใบอาจจะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขับเคลื่อนด้วยน้ำหรือลมเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ ใบพัดขนาดเล็ก, กังหันลมถูกเชื่อมต่อกับ alternator หรือตัวเรียงกระแสพลังงานต่ำเพื่อจ่ายกระแสสูงถึง 12 A ที่ความเร็วล่องเรือปกติ

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดเล็กยังคงถูกนำมาใช้ในการใช้งานพลังงานขนาดจิ๋วอีกด้วย

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์

บทความหลัก: Engine-generator

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์คือการรวมกันของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและเครื่องยนต์(ตัวหมุนหลัก) ที่ติดตั้งอยู่ด้วยกันเพื่อให้เป็นชิ้นเดียวกันของอุปกรณ์ที่ทำงานได้ด้วยตนเอง เครื่องยนต์ที่ใช้มักจะเป็นเครื่องยนต์ลูกสูบ แต่กังหันก๊าซยังสามารถนำมาใช้ได้ และมีแม้เครื่องไฮบริดดีเซล-ก๊าซ ที่เรียกว่าเครื่องสองเชื้อเพลิง เครื่องกำเนิดไฟฟ้าด้วยเครื่องยนต์มีหลายรุ่นที่แตกต่างกัน ตั้งแต่แบบพกพาขนาดเล็กมากใช้น้ำมันไปจนกระทั่งเครื่องกังหันขนาดใหญ่ ข้อได้เปรียบหลักของมันคือความสามารถในการจัดหาไฟฟ้าอย่างอิสระ ช่วยให้ตัวมันให้บริการเป็นพลังงาน สำรอง

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขับเคลื่อนด้วยมนุษย์

บทความหลัก: Self-powered equipment

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ายังสามารถขับเคลื่อนด้วยพลังกล้ามเนื้อของมนุษย์ (เช่นในอุปกรณ์สถานีวิทยุสนาม)

เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงขับเคลื่อนด้วยมนุษย์มีใช้ในเชิงพาณิชย์ และได้เป็นโครงการของผู้ที่ชื่นชอบ DIY บางคน โดยทั่วไป การทำงานโดยใช้พลังการเหยียบแป้น, การปั่นจักรยานอยู่กับที่, หรือการใช้เท้าปั๊ม, เครื่องกำเนิดไฟฟ้าดังกล่าวสามารถนำมาใช้ในทางปฏิบัติในการชาร์จแบตเตอรี่และ ในบางกรณีได้รับการออกแบบด้วยอินเวอร์เตอร์ ผู้ใหญ่โดยเฉลี่ยจะสามารถสร้างพลังงานได้ประมาณ 125-200 วัตต์บนเครื่องกำเนิดแบบเหยียบแป้น แต่ที่กำลังไฟ 200 W, สุขภาพของมนุษย์โดยทั่วไปจะเข้าถึงความอ่อนเพลียที่สมบูรณ์และล้มเหลวที่จะผลิตไฟฟ้าได้อีกหลังจากนั้นประมาณ 1.3 ชั่วโมง เครื่องรับวิทยุแบบพกพาที่ทำงานด้วยข้อเหวี่ยงถูกผลิตมา เพื่อลดความต้องการซื้อแบตเตอรี่ (ดูวิทยุนาฬิกา) ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20, วิทยุพลังเหยียบ ถูกนำมาใช้ทั่วชนบทของออสเตรเลียเพื่อให้การศึกษา (โรงเรียนในอากาศ), การแพทย์ และความต้องการอื่นในสถานีและเมืองระยะไกล

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแนวราบ

บทความหลัก: Linear alternator

ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแนวราบ แม่เหล็กที่เลื่อนได้เคลื่อนที่ไปมาผ่านขดลวดโซลีนอยด์(หลอดลวดทองแดง) กระแสสลับถูกเหนี่ยวนำในลูปของลวดตามกฎของฟาราเดย์ ทุกครั้งที่แม่เหล็กเลื่อนผ่านมัน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าประเภทนี้จะถูกใช้ในไฟฉายฟาราเดย์ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแนวราบขนาดใหญ่ถูกใช้ในโครงการพลังงานคลื่นในมหาสมุทร

Tachogenerator

tachogenerator เป็นอุปกรณ์เครื่องกลไฟฟ้าที่ผลิตแรงดันออกมาเป็นสัดส่วนกับความเร็วของเพลา มันสามารถถูกใช้เป็นตัวบ่งชี้ความเร็วแบบแอนะล็อกและอุปกรณ์ป้อนกลับความเร็วหรือตัว รวบรวมสัญญาณ tachogenerators ที่ใช้กันทั่วไปมีสองแบบคือแบบ DC และแบบ AC 

Tachogenerators มักถูกใช้ขับเคลื่อนเครื่องวัดความเร็ว() เพื่อวัด ความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้า, เครื่องยนต์และอุปกรณ์ไฟฟ้าที่มันขับเคลื่อน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะสร้างแรงดันไฟฟ้าประมาณเป็นสัดส่วนกับความเร็วของเพลา ด้วยการก่อสร้างและการออกแบบ ที่แม่นยำ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถถูกสร้างขึ้นเพื่อผลิตแรงดันไฟฟ้าได้อย่างแม่นยำมากสำหรับบางช่วงของความเร็วเพลา

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าปัจจุบัน 
ปัจจุบันเครื่องกำเนิดไฟฟ้า แบ่งได้ออกเป้นมามายหลายชนิด โดยเราสามารถ จำแนกได้จากแหล่งพลังงานที่ใช้ในการขับเคลื่อนไดนาโม 

 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าใช้เครื่องยนต์ โดยเครื่องรูปแบบนี้จำแนกได้เป็น 3 รูปแบบคือใช้น้ำมันดีเซล ใช้น้ำมันเบนซิล และใช้เครื่องจักรไอน้ำในการขับเคลื่อน
 เซลล์แสงอาทิตย์ เครื่องรูปแบบนี้จะดูดพลังงานแสงอาทิตย์มาเก็บไว้ในแบตเตอรี่ แล้วนำกลับมาใช้ ขับเคลื่อนไดนาโมให้หมุนและสร้างกระแสไฟฟ้าขึ้นมา
 แบตเตอรี่ ปัจจุบันได้รับการพัฒนาให้สามารถเก็บไฟฟ้าได้นานขึ้นเพราะเทคโนโลยีของตัวแบตเตอรี่ที่สูงขึ้น จึงทำให้สามารถจ่ายไฟฟ้าได้ระยะเวลานานขึ้น จากการชาร์จต่อครั้ง

ดูเพิ่ม 

Diesel generator
มอเตอร์ไฟฟ้า
Faraday's law of induction
Goodness factor
Hybrid vehicle
Induction motor
Mechanical generator
Radioisotope thermoelectric generator
เซลล์แสงอาทิตย์
Superconducting electric machine
Thermogenerator
Tidal generator
Tidal power
Turbine hall
Wave power
กังหันลมผลิตไฟฟ้า

อ้างอิง

เครื่องกล
พลังงานไฟฟ้า