วิศวกรรมกำลังไฟฟ้า

วิศวกรรมกำลังไฟฟ้า (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

กังหันไอน้ำ ถูกนำมาใช้เพื่อผลิตกำลังไฟฟ้า

ประวัติ

 

ภาพร่างของโรงไฟฟ้าถนน Pearl, โรงไฟฟ้าพลังไอน้ำแห่งแรกในมหานครนิวยอร์ก

ไฟฟ้า กลายเป็นเรื่องที่น่าสนใจทางวิทยาศาสตร์ในช่วงปลายศตวรรษที่ 17 กับงานของ วิลเลียม กิลเบิร์ต อีกสองศตวรรษ มีการค้นพบที่สำคัญจำนวนมากรวมทั้ง หลอดไฟแบบมีไส้ และแบตเตอรีของโวลตาที่เรียกว่า voltaic pile บางทีการค้นพบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่เกี่ยวกับวิศวกรรมกำลังไฟฟ้าอาจมาจาก ไมเคิล ฟาราเดย์ ผู้ที่ในปี 1831 ได้ค้นพบว่าการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำให้เกิด แรงเคลื่อนไฟฟ้า ในขดลวด เป็นหลักการที่รู้จักกันว่าเป็น การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ช่วยอธิบายถึงการที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าและหม้อแปลงทำงานได้อย่างไร

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

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

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

พื้นฐานของกำลังไฟฟ้า

 

ตัวแปลงไฟฟ้า AC ให้เป็น DC ภายนอกที่ใช้สำหรับเครื่องไฟฟ้าในครัวเรือน

กำลังไฟฟ้าเป็นผลคูณของปริมาณทางคณิตศาสตร์สองชนิดคือ กระแสไฟฟ้า และ แรงดันไฟฟ้า (${\displaystyle P=VI}$ ) ปริมาณสองตัวนี้สามารถเปลี่ยนทิศทางไปตามเวลา (ไฟสลับ) หรือไหลในทิศทางเดียว (ไฟตรง)

ตู้เย็น, เครื่องปรับอากาศ, เครื่องสูบน้ำและเครื่องจักรอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับในขณะที่เครื่องคอมพิวเตอร์และอุปกรณ์ดิจิตอลใช้ไฟฟ้ากระแสตรง (อุปกรณ์ดิจิตอลที่คุณเสียบเข้ากับไฟเมนมักจะมีอะแดปเตอร์ไฟฟ้าภายในหรือภายนอกเพื่อแปลงไฟฟ้าจาก AC ไปเป็น DC) ไฟ AC มีความได้เปรียบที่ง่ายที่จะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าให้สูงขึ้นหรือต่ำลงและสามารถที่จะถูกสร้างขึ้นและนำมาใช้โดยมอเตอร์ไร้แปรง (อังกฤษ: brushless motor) ไฟ DC ยังคงเป็นทางเลือกในทางปฏิบัติเฉพาะในระบบดิจิตอลและสามารถประหยัดมากกว่าในการส่งระยะทางไกลที่แรงดันสูงมาก (ดู HVDC)

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

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

พลังงานไฟฟ้า

 

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

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

การผลิต

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 การจัดส่งการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (อังกฤษ: Emission dispatch) เป็นกระบวนการของการจัดสรรความต้องการโหลดระหว่างหน่วยการผลิตที่มีอยู่เพื่อที่ว่ามลพิษทางอากาศที่เกิดขึ้นจากการดำเนินงานจะถูกทำให้ลดลงต่ำสุด ในระบบขนาดใหญ่โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแบบตะวันตก การจัดส่งทางเศรษฐกิจและการจัดส่งการปล่อยก๊าซเรือนกระจกอาจถูกนำมาใช้รวมกัน

การส่งกำลัง

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 รีเลย์ทำหน้าที่เป็นตัวตรวจจับระดับแรงดัน พวกมันจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์เมื่อแรงดันไฟฟ้า (หรือกระแส) ด้านขาเข้ามีค่าเกินกว่าค่าที่ปรับตั้งไว้ ตัวตัดวงจรทำหน้าที่เป็นสวิตช์ไฟฟ้าที่ทำงานโดยอัตโนมัติ มันถูกออกแบบมาเพื่อปกป้องวงจรไฟฟ้าจากความเสียหายที่เกิดจากโหลดเกินหรือลัดวงจร การเปลี่ยนแปลงในสถานะของส่วนประกอบใดส่วนประกอบหนึ่งมีนัยสำคัญที่สามารถส่งผลกระทบต่อการดำเนินงานของระบบทั้งหมด ถ้าปราศจากการป้องกันจุดสัมผ้สที่ทำการตัดต่อวงจรไฟฟ้าที่เพียงพอ การเกิดประกายไฟฟ้าที่ไม่พึงประสงค์สามารถทำให้เกิดการลดสภาพอย่างมีนัยสำคัญของจุดตัดต่อวงจรเหล่านั้น ซึ่งสามารถทำให้เกิดความเสียหายร้ายแรง มีสามสาเหตุที่เป็นไปได้สำหรับข้อจำกัดการไหลของพลังงานในสายส่งกำลัง ได้แก่ความร้อนเกินพิกัด, ความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้าและความไม่เสถียรของมุมโรเตอร์ ความร้อนเกินพิกัดจะเกิดจากการไหลของกระแสที่มากเกินไปในวงจรหนึ่งทำให้เกิดความร้อนสูงเกิน ความไม่เสถียรของแรงดันไฟฟ้าจะเกิดขึ้นเมื่อพลังงานที่จำเป็นในการรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้อยู่ที่หรือสูงกว่าระดับที่ยอมรับได้มีค่าสูงเกินกว่ากำลังไฟฟ้าที่มีอยู่ ความไม่เสถียรของมุมโรเตอร์เป็นปัญหาแบบไดนามิกที่อาจเกิดขึ้นต่อจากความผิดพลาดต่าง ๆ ในระบบส่งกำลังเช่นไฟฟ้าลัดวงจร นอกจากนี้ยังอาจเกิดขึ้นหลายสิบวินาทีหลังจากความผิดพลาดอันเนื่องมาจากการตอบสนองที่กวัดแกว่งแบบหน่วงหรือไม่หน่วงของการเคลื่อนไหวโรเตอร์ ตราบใดที่เกณฑ์ทางพื้นที่เท่ากันได้ถูกรักษาไว้ ระบบที่เชื่อมต่อเข้าด้วยกันจะยังคงมีเสถียรภาพ ถ้าเกณฑ์ทางพื้นที่เท่ากันถูกละเมิด มันจึงกลายเป็นสิ่งจำเป็นที่จะต้องแยกองค์ประกอบที่ไม่เสถียรออกจากส่วนที่เหลือของระบบ

การกระจาย

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

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

• การส่งกำลังไฟฟ้า
• เศรษฐศาสตร์พลังงาน
• การกระจายกำลังไฟฟ้า
• พลังงานไฟฟ้า
• การผลิตกระแสไฟฟ้า
• การป้องกันระบบไฟฟ้า

อ้างอิง

1. "Pioneers in Electricity and Magnetism: William Gilbert". National High Magnetic Field Laboratory. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
2. "The History Of The Light Bulb". Net Guides Publishing, Inc. 2004. สืบค้นเมื่อ 2007-05-02.
3. Greenslade, Thomas. "The Voltaic Pile". Kenyon College. สืบค้นเมื่อ 2008-03-31.
4. "Faraday Page". The Royal Institute. 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. สืบค้นเมื่อ 2008-03-31.
7. Grant, Casey. "The Birth of NFPA". National Fire Protection Association. 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). . คลังข้อมูลเก่า เก็บจาก แหล่งเดิม เมื่อ 2008-04-22. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
10. Foran, Jack. "The Day They Turned The Falls On". สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
11. Voith Siemens (company) (2007-02-01). HyPower (PDF). p. 7.
12. "Adams Hydroelectric Generating Plant, 1895". IEEE. สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
13. "A Novel but Short-Lived Power Distribution System". IEEE. 2005-05-01. 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". สืบค้นเมื่อ 2008-05-25.
18. 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 requires |journal= (help) (also here)
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.