ข้ามไปเนื้อหา

วิศวกรรมกำลังไฟฟ้า

จากวิกิพีเดีย สารานุกรมเสรี
กังหันไอน้ำ ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตกำลังไฟฟ้า

วิศวกรรมไฟฟ้ากำลัง (อังกฤษ: Power engineering) หรือที่เรียกว่า วิศวกรรมระบบไฟฟ้า เป็นสาขาย่อยของ วิศวกรรมพลังงาน และ วิศวกรรมไฟฟ้า ที่เกี่ยวข้องกับ การผลิตไฟฟ้า, การส่งกำลังไฟฟ้า, การกระจายกำลังไฟฟ้า, การใช้ให้เป็นประโยชน์ (อังกฤษ: utilization) และอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับระบบดังกล่าวจะรวมถึง เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, มอเตอร์ และ หม้อแปลงไฟฟ้า แม้ว่าสาขานี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับปัญหาของ ไฟ AC สามเฟส - ซึ่งเป็นมาตรฐานสำหรับการจัดส่งและการจัดจำหน่ายไฟฟ้าขนาดใหญ่ทั่วโลกสมัยใหม่ - ชิ้นส่วนเล็ก ๆ ที่สำคัญของสาขานี้จะเกี่ยวข้องกับการแปลงระหว่าง กำลังไฟ AC และ DC และการพัฒนาระบบกำลังพิเศษเช่นที่ใช้ในยานอากาศหรือสำหรับเครือข่ายไฟฟ้าระบบราง วิศวกรรมกำลังไฟฟ้าดึงส่วนใหญ่ของฐานทฤษฎีของมันจากวิศวกรรมไฟฟ้าและในขณะที่วิศวกรกำลังไฟฟ้าบางคนอาจได้รับการพิจารณาว่าเป็นวิศวกรพลังงาน, วิศวกรพลังงานมักจะไม่มีพื้นหลังทางทฤษฎีของวิศวกรรมไฟฟ้าที่จะเข้าใจวิศวกรรมกำลังไฟฟ้าได้

ประวัติ

[แก้]
ภาพร่างของโรงไฟฟ้าถนน Pearl, โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำแห่งแรกในมหานครนิวยอร์ก

ไฟฟ้า กลายเป็นเรื่องที่น่าสนใจทางวิทยาศาสตร์ในช่วงปลายศตวรรษที่ 17 กับงานของ วิลเลียม กิลเบิร์ต[1] อีกสองศตวรรษ มีการค้นพบที่สำคัญจำนวนมากรวมทั้ง หลอดไฟแบบมีไส้ และแบตเตอรีของโวลตาที่เรียกว่า voltaic pile[2][3] บางทีการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่เกี่ยวกับวิศวกรรมกำลังไฟฟ้าอาจมาจาก ไมเคิล ฟาราเดย์ ผู้ที่ในปี 1831 ได้ค้นพบว่าการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำให้เกิด แรงเคลื่อนไฟฟ้า ในขดลวด เป็นหลักการที่รู้จักกันว่าเป็น การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ช่วยอธิบายถึงการที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลงทำงานได้อย่างไร[4]

ในปี 1881 สองช่างไฟฟ้​​าได้สร้างโรงไฟฟ้​​าแห่งแรกของโลกที่เมือง Godalming ในประเทศอังกฤษ โรงไฟฟ้าได้ติดตั้งวงล้อน้ำสองชุดเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าสลับเพื่อส่งกระแสไฟฟ้าให้กับตะเกียงโค้งของซีเมนส์เจ็ดตัวที่ 250 โวลต์และหลอดไส้สามสิบสี่ตัวที่ 40 โวลต์[5] อย่างไรก็ตามการป้อนกระแสเป็นไปอย่างไม่ต่อเนื่อง และในปี 1882 โทมัส เอดิสัน และบริษัทของเขา, บริษัทเอดิสันไฟฟ้าแสงสว่าง, ได้พัฒนาโรงไฟฟ้าพลังงานไอน้ำเป็นครั้งแรกบนถนน Pearl ในนิวยอร์กซิตี้ โรงไฟฟ้าถนนเพิร์ลประกอบด้วยหลายเครื่องปั่นไฟและเบื้องต้นป้อนให้โคมไฟประมาณ 3,000 โคมสำหรับลูกค้า 59 ราย[6][7] โรงไฟฟ้าใช้ กระแสตรง และดำเนินการที่แรงดันไฟฟ้าเดียว เนื่องจากไฟฟ้ากระแสตรงไม่สามารถแปลงได้อย่างง่ายดายให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่า ที่จำเป็นเพื่อลดการสูญเสียพลังงานให้ต่ำสุดในระหว่างการส่ง ระยะทางที่เป็นไปได้ระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและโหลดถูกจำกัดเป็นประมาณครึ่งไมล์ (800 ม.) เท่านั้น[8]

ในปีเดียวกันนั้นในลอนดอน นายลูเชียน Gaulard และจอห์น ดิกสัน กิ๊บส์ได้สาธิตหม้อแปลงตัวแรกที่เหมาะสำหรับใช้ในระบบกำลังที่แท้จริง มูลค่าในทางปฏิบัติของหม้อแปลงของ Gaulard และกิ๊บส์ได้แสดงในปี 1884 ที่เมืองตูริน ที่เมืองนี้หม้อแปลงถูกใช้ในการให้แสงสว่างกับทางรถไฟระยะทางสี่สิบกิโลเมตร (25 ไมล์) จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กระแสสลับ เพียงตัวเดียว[9]

ในปึ 1890 อุตสาหกรรมพลังงานมีความเจริญรุ่งเรืองและบริษัทพลังงานในประเทศสหรัฐอเมริกาและยุโรปได้สร้างระบบไฟฟ้าขึ้นหลายพันชุด (ทั้งกระแสตรงและกระแสสลับ) - เครือข่ายเหล่านี้ได้อุทิศตนอย่างมีประสิทธิภาพในการจัดจำหน่ายไฟฟ้าแสงสว่าง ในช่วงเวลานั้นการแข่งขันที่รุนแรงในสหรัฐที่เรียกว่า "สงครามกระแส" ได้เกิดขึ้นระหว่างเอดิสันและเวสติ้งเฮาส์ในเรื่องรูปแบบว่ารูปแบบไหนของการส่งผ่านจะทำได้ดีกว่า (กระแสตรงหรือกระแสสลับ) ในปี 1891 เวสติงเฮาส์ได้ติดตั้งระบบไฟฟ้าหลักเป็นครั้งแรก มันได้รับการออกแบบที่จะขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าและไม่เพียงแต่ให้ไฟฟ้าแสงสว่าง การติดตั้งจะขับเคลื่อนมอเตอร์ซิงโครนัสที่ 100 แรงม้า (75 กิโลวัตต์) ที่เมือง Telluride รัฐโคโลราโดด้วยมอเตอร์ที่ถูกสตาร์ตโดยมอเตอร์เหนี่ยวนำของ Tesla[10] อีกด้านหนึ่งของมหาสมุทรแอตแลนติก, นายออสการ์ ฟอน มิลเลอร์ ได้สร้างสายส่งสามเฟสขนาด 20 กิโลโวลต์ระยะทาง 176 กม.จากเมือง Lauffen am Neckar ไปยังเมือง Frankfurt am Main สำหรับงานนิทรรศการวิศวกรรมไฟฟ้าในเมืองแฟรงค์เฟิร์ต[11] ในปี 1895 หลังจากที่กระบวนการตัดสินใจยืดเยื้อ โรงไฟฟ้าอดัมส์หมายเลข 1 ที่เมืองน้ำตกไนแองการา ได้เริ่มส่งไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสให้กับเมืองบัฟฟาโลที่ 11 กิโลโวลต์ หลังจากเสร็จโครงการที่ Niagara Falls, ระบบไฟฟ้าใหม่เลือกที่จะใช้กระแสสลับเพิ่มขึ้นตรงข้ามกับกระแสตรงในการจัดส่งไฟฟ้​​า[12] การพัฒนาในด้านวิศวกรรมกำลังไฟฟ้ามีอย่างต่อเนื่องตลอดศตวรรษที่ 20 และ 21. ในปี 1936 ระบบสายส่งกระแสตรงความดันสูง (HVDC) ในเชิงพาณิชย์เป็นครั้งแรกโดยใช้วาล์วปรอท-อาร์ค (อังกฤษ: mercury-arc valve) ถูกสร้างขึ้นระหว่างเมือง Schenectady รัฐนิวยอร์กและเมือง Mechanicville รัฐนิวยอร์ก HVDC เคยประสบความสำเร็จโดยการติดตั้งเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงหลายตัวต่อกันแบบอนุกรม (ระบบที่เรียกว่าระบบ Thury) ถีงแม้ว่าระบบนี้จะประสบกับปัญหาความน่าเชื่อถืออย่างจริงจังก็ตาม[13] ในปี 1957 บริษัทซีเมนส์ได้สาธิต วงจรเรียงกระแส แบบ solid-state วงจรแรก (ตอนนี้ วงจรเรียงกระแสแบบ solid-state เป็นมาตรฐานสำหรับระบบ HVDC ไปแล้ว) แต่มันไม่ได้ใช้จนกว่าต้นปี 1970 ที่เทคโนโลยีนี้ถูกใช้ในระบบไฟฟ้าในเชิงพาณิชย์[14] ในปี 1959 บริษัทเวสติงเฮาส์ได้สาธิตเซอร์กิตเบรกเกอร์ตัวแรกที่ใช้ sulfur hexafluoride (SF6) เป็นตัวกลางขัดจังหวะ[15] SF6 เป็น สารไดอิเล็กทริก ที่ดีกว่าอากาศมาก และในหลายครั้งที่ผ่านมาการใช้งานของมันได้รับการขยายเพื่อผลิตอุปกรณ์สวิตชิงที่มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้น (ที่รู้จักกันว่า สวิตช์เกียร์) และ หม้อแปลง[16][17] การพัฒนาที่สำคัญหลายครั้งยังมาจากการขยายนวัตกรรมในด้านไอซีทีสำหรับสาขาวิศวกรรมกำลังไฟฟ้า ยกตัวอย่างเช่นการพัฒนาคอมพิวเตอร์ทำให้ การศึกษาการไหลของโหลด สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งช่วยให้การวางแผนของระบบไฟฟ้าได้ดียิ่งขึ้น ความก้าวหน้าในเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสารโทรคมนาคมยังช่วยให้เกิดการควบคุมระยะไกลที่ดีมากขึ้นของสวิตช์เกียร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

พื้นฐานของกำลังไฟฟ้า

[แก้]
ตัวแปลงไฟฟ้า AC ให้เป็น DC ภายนอกที่ใช้สำหรับเครื่องไฟฟ้าในครัวเรือน

กำลังไฟฟ้าเป็นผลคูณของปริมาณทางคณิตศาสตร์สองชนิดคือ กระแสไฟฟ้า และ แรงดันไฟฟ้า () ปริมาณสองตัวนี้สามารถเปลี่ยนทิศทางไปตามเวลา (ไฟสลับ) หรือไหลในทิศทางเดียว (ไฟตรง)

ตู้เย็น, เครื่องปรับอากาศ, เครื่องสูบน้ำและเครื่องจักรอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับในขณะที่เครื่องคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ดิจิทัลใช้ไฟฟ้ากระแสตรง (อุปกรณ์ดิจิทัลที่คุณเสียบเข้ากับไฟเมนมักจะมีอะแดปเตอร์ไฟฟ้าภายในหรือภายนอกเพื่อแปลงไฟฟ้าจาก AC ไปเป็น DC) ไฟ AC มีความได้เปรียบที่ง่ายที่จะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าให้สูงขึ้นหรือต่ำลงและสามารถที่จะถูกสร้างขึ้นและนำมาใช้โดยมอเตอร์ไร้แปรง (อังกฤษ: brushless motor) ไฟ DC ยังคงเป็นทางเลือกในทางปฏิบัติเฉพาะในระบบดิจิทัลและสามารถประหยัดมากกว่าในการส่งระยะทางไกลที่แรงดันสูงมาก (ดู HVDC)[18][19]

ความสามารถที่ง่ายในการแปลงแรงดันไฟฟ้าของไฟ AC เป็นสิ่งสำคัญสำหรับเหตุผลสองประการ ประการแรกไฟฟ้าสามารถส่งได้ระยะทางไกลด้วยการสูญเสียที่น้อยกว่า เมื่อส่งที่แรงดันไฟฟ้าสูง ดังนั้นในเครือข่ายไฟฟ้าที่ตัวกำเนิดอยู่ห่างไกลจากโหลด มันจึงจำเป็นต้องเพิ่มแรงดันของไฟฟ้า (อังกฤษ: step up) ที่จุดกำเนิด จากนั้นก็ลดแรงดันไฟฟ้าลง (อังกฤษ: step down) ในจุดที่ใกล้กับโหลด ประการที่สอง มันมักจะประหยัดมากขึ้นถ้าทำการติดตั้งกังหันเพื่อผลิตแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันที่จะเครื่องใช้ไฟฟ้าโดยทั่วไปใช้อยู่ ดังนั้นความสามารถที่ง่ายในการแปลงแรงดันไฟฟ้าที่หมายถึงว่าการไม่ตรงกัน (mismatch) ระหว่างแรงดันไฟฟ้าด้วยกันจะสามารถจัดการได้อย่างง่ายดาย[18][18]

อุปกรณ์ Solid state ซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จากการปฏิวัติ สารกึ่งตัวนำ ทำให้มันเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยน ไฟฟ้ากระแสตรงให้มีแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน และเป็นไปได้ที่จะสร้าง อุปกรณ์ DC ไร้แปรง และเป็นไปได้ที่จะ แปลงระหว่างไฟ AC และไฟ DC อย่างไรก็ตามอุปกรณ์ที่ใช้เทคโนโลยีโซลิดสเตตมักจะมีราคาแพงกว่าเทคโนโลยีแบบดั้งเดิม ดังนั้นไฟ AC จึงยังคงอยู่ในการใช้งานอย่างแพร่หลาย[20]

พลังงานไฟฟ้า

[แก้]
สายส่ง Transmission lines ที่ใช้ส่งพลังงานไฟฟ้าไปตาม กริด (ไฟฟ้า)

วิศวกรรมกำลังไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับการผลิต การจัดส่ง การกระจายและการใช้ให้เป็นประโยชน์ของไฟฟ้า เช่นเดียวกับการออกแบบอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องในช่วงระดับความดันต่าง ๆ อุปกรณ์เหล่านี้รวมถึง หม้อแปลงไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า มอเตอร์ และ อิเล็กทรอนิกส์กำลัง

กริด (ไฟฟ้า) เป็นเครือช่ายไฟฟ้าที่เชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าทั้งหลายเข้ากับผู้ใช้พลังงานไฟฟ้า ผู้ใช้ซื้อไฟฟ้าจากกริดเพื่อที่ว่าพวกเขาไม่จำเป็นต้องผลิตไฟฟ้าของตัวเอง วิศวกรกำลังไฟฟ้าอาจทำงานในการออกแบบและการบำรุงรักษาของกริดพร้อมกับระบบพลังงานที่เชื่อมต่อกับมัน ระบบดังกล่าวจะเรียกว่าระบบไฟฟ้าในกริด (อังกฤษ: on-grid power systems) และอาจจ่ายพลังงานเพิ่มเติมให้กับกริด ดึงพลังงานจากกริดหรือทั้งสองอย่าง กริดจะถูกออกแบบและจัดการโดยใช้ซอฟแวร์ที่จำลองการไหลของพลังงานไฟฟ้า

วิศวกรกำลังไฟฟ้าอาจจะทำงานบนระบบที่ไม่ได้เชื่อมต่อกับกริด ระบบเหล่านี้จะเรียกว่าระบบไฟฟ้านอกกริด (อังกฤษ: off-grid power systems มันอาจจะใช้อย่างพอใจเหนือระบบในกริดด้วยเหตุผลหลายอย่าง ยกตัวอย่างเช่นในสถานที่ห่างไกล มันอาจจะถูกกว่าสำหรับเหมืองแร่ที่จะผลิตไฟฟ้าของตัวเองมากกว่าที่จะจ่ายเงินสำหรับการเชื่อมต่อกับตาราง และในการใช้งานเคลื่อนที่ส่วนใหญ่ที่การเชื่อมต่อกับในกริดเป็นสิ่งที่ทำไม่ได้

วันนี้ส่วนใหญ่ของกริดใช้ ไฟฟ้าสามเฟส ที่มีกระแสสลับ ทางเลือกนี้สามารถอุทิศความดีบางส่วนให้กับความง่ายของมันที่สามารถที่จะถูกผลิตขึ้น เปลี่ยนแปลงและใช้งานได้ง่าย บ่อยครั้ง (โดยเฉพาะในสหรัฐอเมริกา), ไฟฟ้าจะถูกแยกส่วนก่อนที่จะถึงบ้านลูกค้าที่เครื่องใช้ไฟฟ้าพลังงานต่ำจะพึ่งพาพลังงานไฟฟ้าเฟสเดียว อย่างไรก็ตามอุตสาหกรรมและองค์กรขนาดใหญ่จำนวนมากยังคงต้องการใช้ไฟฟ้าสามเฟสโดยตรงเพราะมันสามารถนำมาใช้ในการขับเคลื่อนมอเตอร์ไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงเช่น มอเตอร์เหนี่ยวนำ สามเฟส

หม้อแปลงไฟฟ้า มีบทบาทสำคัญใน การส่งกำลังไฟฟ้า (อังกฤษ: electric power transmission) เพราะพวกมันสามารถที่จะถูกแปลงจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงให้เป็นแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำลง หรือในทางกลับกัน นี้เป็นสิ่งสำคัญเพราะแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าจะประสบกับความสูญเสียพลังงานน้อยกว่าในระหว่างการส่ง นี้เป็นเพราะแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่ายอมให้มีกระแสที่ต่ำกว่าในการส่งมอบปริมาณกำลังไฟฟ้าเดียวกัน เนื่องจากกำลังไฟฟ้าเป็นผลคูณของแรงดันและกระแส ดังนั้น เมื่อแรงดันสูงขึ้น กระแสจะตกลง เมื่อกระแสไหลผ่านชิ้นส่วน มันจะส่งผลทั้งการสูญเสียและความร้อนที่ตามมา การสูญเสียเหล่านี้จะปรากฏในรูปของความร้อน มีค่าเท่ากับกระแสยกกำลังสองคูณด้วยความต้านทานไฟฟ้า ที่กระแสนั้นไหลผ่าน ดังนั้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น การสูญเสียก็จะลดลงอย่างมาก

ด้วยเหตุผลเหล่านี้ สถานีไฟฟ้าย่อย จึงเกิดขึ้นทั่วกริดไฟฟ้า เพื่อแปลงไฟฟ้าให้แรงดันที่สูงขึ้นก่อนที่จะส่งออกไป และเพื่อลดแรงดันลงให้เหมาะสมสำหรับเครื่องใช้หลังการส่ง

ส่วนประกอบ

[แก้]

วิศวกรรมกำลังไฟฟ้าเป็นเครือข่ายของส่วนประกอบหลายอบ่างที่เชื่อมต่อกันเพื่อแปลงรูปแบบที่แตกต่างกันของพลังงานไปเป็นพลังงานไฟฟ้า วิศวกรรมกำลังไฟฟ้าที่ทันสมัยจะ​​ประกอบด้วยสี่ระบบย่อยหลัก ได้แก่ ระบบย่อยการผลิต, ระบบย่อยการส่ง, ระบบย่อยการจัดจำหน่ายและระบบย่อยการใช้งาน ในระบบย่อยการผลิตโรงงานจะผลิตไฟฟ้า ระบบย่อยการส่งจะส่งกระแสไฟฟ้าไปยังศูนย์กลางของโหลด ระบบย่อยการกระจายจะส่งไฟฟ้าให้กับลูกค้าอย่างต่อเนื่อง ระบบย่อยการใช้งานจะเกี่ยวข้องกับการใช้งานที่แตกต่างกันของพลังงานไฟฟ้าเช่นไฟส่องสว่าง การแช่แข็ง การฉุดลาก การชับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ฯลฯ การใช้งานเป็นแนวคิดล่า​​สุดในด้านวิศวกรรมกำลังไฟฟ้า

การผลิต

[แก้]

การผลิตกระแสไฟฟ้าเป็นกระบวนการเปลี่ยนพลังงานให้เป็นรูปแบบหนึ่งของไฟฟ้า มีหลายกระบวนการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างกัน ได้แก่จากพลังงานเคมี พลังงานแสงอาทิตย์ และพลังงานไฟฟ้ากลศาสตร์ การแปลงจากพลังงานไฟฟ้ากลศาสตร์จะใช้ในการแปลงพลังงานจากถ่านหิน, น้ำมัน, ก๊าซธรรมชาติ, ยูเรเนียมหรือการไหลของน้ำให้เป็นพลังงานไฟฟ้า ทั้งหลายเหล่านี้ ยกเว้นขั้นตอนการแปลงจากพลังงานลม จะใช้ให้เป็นประโยชน์จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ AC ซิงโครนัสเชื่อมต่อกับกังหันไอน้ำหรือกังหันก๊าซหรือกังหันพลังน้ำ เพิ่อที่ว่ากังหันจะแปลงไอน้ำ, ก๊าซ, หรือการไหลของน้ำให้เป็นพลังงานหมุน จากนั้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าซิงโครนัสจะแปลงพลังงานหมุนจากกังหันเป็นพลังงานไฟฟ้า มันเป็นขั้นตอนการแปลงแบบกังหัน-เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ประหยัดที่สุดและจึงพบมากที่สุดในอุตสาหกรรมการผลิตไฟฟ้าทุกวันนี้

เครื่องยนต์ AC ซิงโครนัสเป็นเทคโนโลยีที่พบมากที่สุดสำหรับการผลิตพลังงานไฟฟ้า มันถูกเรียกว่าซิงโครนัสก็เพราะสนามแม่เหล็กผสมที่ผลิตโดยขดลวดสเตเตอร์ทั้งสามขดจะหมุนที่ความเร็วเดียวกันกับสนามแม่เหล็กที่ผลิตโดยสนามที่ขดลวดบนโรเตอร์ รูปแบบวงจรง่าย ๆจะมีการใช้ในการวิเคราะห์สภาพการทำงานที่มั่นคงของสถานะ (อังกฤษ: steady-state operating conditions) สำหรับเครื่องซิงโครนัส แผนภาพเฟสเซอร์ (อังกฤษ: phasor diagram) เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสำหรับการแสดงภาพความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันภายใน กับกระแสในอาร์มาเจอร์ และกับแรงดันไฟฟ้าที่ขั้ว ระบบการควบคุมแบบการกระตุ้นจะถูกนำมาใช้ในเครื่องซิงโครนัสเพื่อควบคุมแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วและระบบควบคุมกังหันจะถูกใช้ในการควบคุมความเร็วของเครื่อง อย่างไรก็ตามในระบบที่เชื่อมต่อกันอย่างมากเช่นระบบ "ตะวันตก" "ระบบเท็กซัส" และ "ระบบตะวันออก" จะมีเครื่องยนต์หนึ่งเครื่องที่มักจะได้รับมอบหมายให้ทำหน้าที่เป็น "เครื่องแกว่ง" ซึ่งจะเพิ่มหรือหรือลดการผลิตลงเพื่อชดเชยการเปลี่ยนแปลงเล็ก ๆ ในโหลด จึงเป็นการรักษาความถี่ของระบบให้แม่นยำที่ 50 หรือ 60 เฮิร์ตซ์แล้วแต่พื้นที่ โหลดอาจเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วอย่างเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับระบบแยก ดังนั้นผู้จ่ายโหลดของระบบจะใช้วิธีรวม "การปั่นสำรอง" และ "เครื่องแกว่ง"

ค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานในการผลิตพลังงานไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดยค่าใช้จ่ายเชื้อเพลิงและประสิทธิภาพของโรงไฟฟ้า ประสิทธิภาพจะขึ้นอยู่กับระดับการผลิตที่สามารถหาได้จากเส้นโค้งอัตราความร้อน เส้นโค้งค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้นยังอาจหาได้จากโค้งอัตราความร้อน การจัดส่งทางเศรษฐกิจ (อังกฤษ: Economic dispatch) เป็นกระบวนการของการจัดสรรความต้องการของโหลดในระหว่างหน่วยการผลิตที่มีอยู่ เพื่อที่ว่าค่าใช้จ่ายในการดำเนินงานจะถูกทำให้ลดลงต่ำสุด การจัดส่งการปล่อยแก๊สเรือนกระจก (อังกฤษ: Emission dispatch) เป็นกระบวนการของการจัดสรรความต้องการโหลดระหว่างหน่วยการผลิตที่มีอยู่เพื่อที่ว่ามลพิษทางอากาศที่เกิดขึ้นจากการดำเนินงานจะถูกทำให้ลดลงต่ำสุด ในระบบขนาดใหญ่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแบบตะวันตก การจัดส่งทางเศรษฐกิจและการจัดส่งการปล่อยแก๊สเรือนกระจกอาจถูกนำมาใช้รวมกัน

การส่งกำลัง

[แก้]

กระแสไฟฟ้าจะถูกขนส่งไปยังสถานที่โหลดจากโรงไฟฟ้าผ่านทางระบบย่อยการส่งกำลัง ดังนั้นเราอาจจะคิดถึงระบบการส่งกำลังว่าเป็นสื่อกลางในการขนส่งพลังงานไฟฟ้า ระบบการส่งกำลังอาจถูกแบ่งย่อยออกเป็นระบบการส่งกำลังเป็นกลุ่ม (อังกฤษ: bulk transmission system) และระบบการส่งกำลังย่อย (อังกฤษ: sub-transmission system) ฟังก์ชันของการส่งกำลังแบบกลุ่มจะมีการเชื่อมต่อระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าเข้าด้วยกัน การเชื่อมต่อระหว่างแต่ละพื้นที่ต่างๆของเครือข่ายเข้าด้วยกัน และการถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้าไปยังศูนย์โหลดที่สำคัญ ส่วนนี้ของระบบถูกเรียกว่า "กลุ่ม" เพราะมันจัดส่งพลังงานให้กับจุดที่จะเรียกว่ากลุ่มโหลดเท่านั้นเช่นระบบการกระจายไฟฟ้าของเมือง มหานครหรือโรงงานอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ฟังก์ชันของระบบการส่งกำลังย่อยก็คือการเชื่อมต่อระบบไฟฟ้าแบบกลุ่มเข้ากับระบบการกระจาย

เครือข่ายการส่งกำลังอาจถูกสร้างขึ้นได้ทั้งใต้ดินและบนอากาศ สายเคเบิลใต้ดินถูกนำมาใช้ส่วนใหญ่ในพื้นที่เขตเมืองในบริเวณที่การได้มาซึ่งสิทธิ์ของทาง (อังกฤษ: right of ways) บนอากาศมีค่าใช้จ่ายสูงหรือเป็นไปไม่ได้ สายเคเบิลใต้ดินยังถูกใช้สำหรับการส่งกำลังใต้แม่น้ำ ทะเลสาบและอ่าว อย่างไรก็ตามการส่งกำลังบนอากาศจะถูกนำมาใช้เพราะสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าที่เท่ากัน สายเคเบิลอากาศจะมีราคาถูกกว่าสายเคเบิลใต้ดินมาก

ระบบส่งกำลังเป็นระบบบูรณาการอย่างมาก มันถูกเรียกว่าเป็นอุปกรณ์และสายส่งกำลังของสถานีย่อย อุปกรณ์สถานีย่อยประกอบด้วยหม้อแปลง รีเลย์ และตัวตัดวงจร (อังกฤษ: circuit breaker) หม้อแปลงเป็นอุปกรณ์สำคัญที่คงที่ มันทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากวงจรหนึ่งไปยังอีกวงจรหนึ่งในระบบการส่งกำลังย่อย หม้อแปลงถูกใช้เพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้าในสายส่งกำลังเพื่อลดการสูญเสียพลังงานที่จะกระจายหมดเปลืองไปตามเส้นทาง[21] รีเลย์ทำหน้าที่เป็นตัวตรวจจับระดับแรงดัน พวกมันจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์เมื่อแรงดันไฟฟ้า (หรือกระแส) ด้านขาเข้ามีค่าเกินกว่าค่าที่ปรับตั้งไว้ ตัวตัดวงจรทำหน้าที่เป็นสวิตช์ไฟฟ้าที่ทำงานโดยอัตโนมัติ มันถูกออกแบบมาเพื่อปกป้องวงจรไฟฟ้าจากความเสียหายที่เกิดจากโหลดเกินหรือลัดวงจร การเปลี่ยนแปลงในสถานะของส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่งมีนัยสำคัญที่สามารถส่งผลกระทบต่อการดำเนินงานของระบบทั้งหมด ถ้าปราศจากการป้องกันจุดสัมผ้สที่ทำการตัดต่อวงจรไฟฟ้าที่เพียงพอ การเกิดประกายไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์สามารถทำให้เกิดการลดสภาพอย่างมีนัยสำคัญของจุดตัดต่อวงจรเหล่านั้น ซึ่งสามารถทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรง[22] มีสามสาเหตุที่เป็นไปได้สำหรับข้อจำกัดการไหลของพลังงานในสายส่งกำลัง ได้แก่ความร้อนเกินพิกัด, ความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้าและความไม่เสถียรของมุมโรเตอร์ ความร้อนเกินพิกัดจะเกิดจากการไหลของกระแสที่มากเกินไปในวงจรหนึ่งทำให้เกิดความร้อนสูงเกิน ความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้าจะเกิดขึ้นเมื่อพลังงานที่จำเป็นในการรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ที่หรือสูงกว่าระดับที่ยอมรับได้มีค่าสูงเกินกว่ากำลังไฟฟ้าที่มีอยู่ ความไม่เสถียรของมุมโรเตอร์เป็นปัญหาแบบไดนามิกที่อาจเกิดขึ้นต่อจากความผิดพลาดต่าง ๆ ในระบบส่งกำลังเช่นไฟฟ้าลัดวงจร นอกจากนี้ยังอาจเกิดขึ้นหลายสิบวินาทีหลังจากความผิดพลาดอันเนื่องมาจากการตอบสนองที่กวัดแกว่งแบบหน่วงหรือไม่หน่วงของการเคลื่อนไหวโรเตอร์ ตราบใดที่เกณฑ์ทางพื้นที่เท่ากันได้ถูกรักษาไว้ ระบบที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันจะยังคงมีเสถียรภาพ ถ้าเกณฑ์ทางพื้นที่เท่ากันถูกละเมิด มันจึงกลายเป็นสิ่งจำเป็นที่จะต้องแยกองค์ประกอบที่ไม่เสถียรออกจากส่วนที่เหลือของระบบ

การกระจาย

[แก้]

ระบบการกระจายพลังงานจะลำเลียงกำลังไฟฟ้าจากระบบส่งกำลัง/สถานีย่อยไปให้กับลูกค้า สายป้อนการกระจาย (อังกฤษ: distribution feeder) อาจเป็นแบบรัศมีหรือเครือข่ายวงกลมปลายเปิดที่มีแหล่งสำรองเดียวหรือหลายแหล่ง ระบบชนบทมักจะเป็นแบบแรกและระบบในเมืองจะเป็นแบบหลัง อุปกรณ์ที่เกี่ยวข้องกับระบบการกระจายพลังงานมักจะเริ่มต้นที่ด้านปลายของตัวตัดวงจรของสายป้อนการกระจาย หม้อแปลงไฟฟ้​​าและเซอร์กิตเบรกเกอร์มักจะอยู่ภายใต้การดูแลของ "แผนกสถานีย่อย" สายป้อนการกระจายจะประกอบด้วยเคเบิลอากาศและเคเบิลใต้ดินผสมกัน สวิตช์แบบ 3 เฟสและแบบเฟสเดียวที่มีความสามารถทำโหลดเบรกและไม่ทำ loadbreak อุปกรณ์ป้องกันแบบรีเลย์ ฟิวส์ หม้อแปลง (เพื่อการใช้ประโยชน์จากแรงดันไฟฟ้า) ตัวจับไฟกระชาก (อังกฤษ: surge arresters) ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า (อังกฤษ: voltage regulator) และตัวเก็บประจุ

เมื่อเร็ว ๆ นี้ มีความคิดริเริ่มที่จะนำสมาร์ทกริดมาใช้เพื่อให้: หนึ่ง ความผิดพลาดบนสายป้อนการกระจายจะถูกแยกออกโดยอัตโนมัติและจ่ายกำลังไฟคืนให้กับวงจรที่ไม่มีความผิดพลาดด้วยแพคเกจฮาร์ดแวร์/ซอฟแวร์/การสื่อสารโดยอัตโนมัติ และสอง ตัวเก็บประจุจะสวิตช์ให้เปิดหรือปิดโดยอัตโนมัติเพื่อควบคุมการไหลของ VAR และสำหรับ CVR (Conservation Voltage Reduction) แบบไดนามิก

การใช้ให้เป็นประโยชน์

[แก้]

การใช้ให้เป็นประโยชน์ (อังกฤษ: utilization) คือ "ผลลัพธ์สุดท้าย" ของการผลิต การจัดส่ง และการกระจายพลังงานไฟฟ้า พลังงานที่ดำเนินการโดยระบบการจัดส่งและการกระจายจะถูกเปลี่ยนให้เป็นงานที่เป็นประโยชน์, แสง, ความร้อน, หรือการรวมกันของรายการเหล่านี้ที่จุดใช้ประโยชน์ การทำความเข้าใจและการแยกแยะลักษณะเฉพาะของการใช้ประโยชน์จากพลังงานไฟฟ้าเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวางแผนและการดำเนินงานที่เหมาะสมของระบบไฟฟ้า ลักษณะที่ไม่เหมาะสมของการใช้ประโยชน์ จะส่งผลให้มีการสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับระบบไฟฟ้ารวมทั้งการเน้นหนักของอุปกรณ์ในระบบที่เกินหรือต่ำกว่าความสามารถในการออกแบบ คำว่าโหลดหมายถึงอุปกรณ์หรือกลุ่มของอุปกรณ์ที่ดึงพลังงานจากระบบไฟฟ้า โหลด (หรืออุปกรณ์) เฉพาะตัวเป็นตั้งแต่หลอดไฟขนาดเล็กจนถึงมอเตอร์เหนี่ยวนำขนาดใหญ่จนถึงเตาเผาไฟอาร์ค คำว่าโหลดยังมักถูกนำไปใช้ทำอะไรบางอย่างตามอำเภอใจ อย่างเช่นในช่วงเวลาที่ถูกนำไปใช้เพื่ออธิบายถึงอุปกรณ์อย่างใดอย่างหนึ่งที่เฉพาะเจาะจงและในอีกช่วงเวลาก็หมายถึงสิ่งอำนวยความสะดวกทั้งหมด และแม้กระทั่งในบางครั้งจะถูกใช้ในการอธิบายถึงความต้องการใช้พลังงานขนาดใหญ่ของส่วนประกอบของระบบไฟฟ้าและอุปกรณ์การใช้ประโยชน์ที่เชื่อมต่อถึงกันในช่วงท้ายน้ำของจุดที่เฉพาะเจาะจงในการศึกษาระบบขนาดใหญ่

การประยุกต์ใช้พลังงานไฟฟ้าที่สำคัญอยู่ที่การแปลงมันให้เป็นพลังงานกล อุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้า (อังกฤษ: Electromagnetic device) หรือ "EM" ที่ถูกออกแบบมาเพื่อการนี้​​้โดยทั่วไปเรียกว่า "มอเตอร์" อันที่จริงอุปกรณ์นี้เป็นองค์ประกอบที่เป็นศูนย์กลางของระบบบูรณาการที่ประกอบด้วยแหล่งพลังงาน ตัวควบคุม มอเตอร์และโหลด สำหรับการใช้งานเฉพาะ ระบบอาจจะถูก และมักจะถูก ออกแบบในลักษณะที่เป็นบูรณาการทั้งหมด เครื่องใช้ในครัวเรือนจำนวนมาก (เช่นเครื่องดูดฝุ่น) ในหนึ่งหน่วยจะประกอบด้วยตัวควบคุม มอเตอร์ และโหลด

ดูเพิ่ม

[แก้]

อ้างอิง

[แก้]
  1. ↑ "Pioneers in Electricity and Magnetism: William Gilbert". National High Magnetic Field Laboratory. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2014-12-21. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
  2. ↑ "The History Of The Light Bulb". Net Guides Publishing, Inc. 2004. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2009-10-02. สืบค้นเมื่อ 2007-05-02.
  3. ↑ Greenslade, Thomas. "The Voltaic Pile". Kenyon College. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2023-10-12. สืบค้นเมื่อ 2008-03-31.
  4. ↑ "Faraday Page". The Royal Institute. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-03-29. สืบค้นเมื่อ 2008-03-31.
  5. ↑ "Godalming Power Station". Engineering Timelines. สืบค้นเมื่อ 2009-05-03.
  6. ↑ Williams, Jasmin (2007-11-30). "Edison Lights The City". New York Post. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-03-09. สืบค้นเมื่อ 2008-03-31.
  7. ↑ Grant, Casey. "The Birth of NFPA". National Fire Protection Association. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2007-12-28. สืบค้นเมื่อ 2008-03-31.
  8. ↑ "Bulk Electricity Grid Beginnings" (PDF) (Press release). New York Independent System Operator. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
  9. ↑ Katz, Evgeny (2007-04-08). "Lucien Gaulard". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-04-22. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
  10. ↑ Foran, Jack. "The Day They Turned The Falls On". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-05-11. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
  11. ↑ Voith Siemens (company) (2007-02-01). HyPower (PDF). p. 7. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2012-07-25. สืบค้นเมื่อ 2016-04-01.
  12. ↑ "Adams Hydroelectric Generating Plant, 1895". IEEE. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
  13. ↑ "A Novel but Short-Lived Power Distribution System". IEEE. 2005-05-01. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2011-05-24. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
  14. ↑ Gene Wolf (2000-12-01). "Electricity Through the Ages". Transmission & Distribution World.
  15. ↑ John Tyner, Rick Bush and Mike Eby (1999-11-01). "A Fifty-Year Retrospective". Transmission & Distribution World.
  16. ↑ "Gas Insulated Switchgear". ABB. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
  17. ↑ Amin, Sayed. "SF6 Transformer". คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิมเมื่อ 2008-06-16. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
  18. ↑ 18.0 18.1 18.2 All About Circuits [Online textbook], Tony R. Kuphaldt et al., last accessed on 17 May 2009.
  19. ↑ Roberto Rudervall, J.P. Charpentier and Raghuveer Sharma (March 7–8, 2000). "High Voltage Direct Current (HVDC) Transmission Systems Technology Review Paper" (PDF). World Bank. {{cite journal}}: Cite journal ต้องการ |journal= (help) (also here เก็บถาวร 2016-03-03 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน)
  20. ↑ Ned Mohan, T. M. Undeland and William P. Robbins (2003). Power Electronics: Converters, Applications, and Design. United States of America: John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-22693-9.
  21. ↑ Transformers
  22. ↑ "Lab Note #105 Contact Life – Unsuppressed vs. Suppressed Arcing". Arc Suppression Technologies. April 2011. สืบค้นเมื่อ February 5, 2012.
เข้าถึงจาก "https://th.wikipedia.org/w/index.php?title=วิศวกรรมกำลังไฟฟ้า&oldid=11589625"