Каква е целта на трансформатора?

Повечето хора вероятно са чували за трансформатори и са наясно, че те са част от все по-очевидните, но все още загадъчна електропреносна мрежа, която доставя електричество до домовете, бизнеса и всяко друго място, където е „сокът“ необходими. Но типичният човек не иска да научи по-фините точки на подаване на електрическа енергия, може би защото целият процес изглежда прикрит в опасност. Децата от малки научават, че електричеството може да бъде много опасно и всеки осъзнава, че има такова Проводниците на енергийните компании се държат високо на място, недостъпни (или понякога заровени в земята) по основателна причина.

Но електрическата мрежа всъщност е триумф на човешкото инженерство, без който цивилизацията не би била разпознаваема от тази, която обитавате днес. Трансформаторът е ключов елемент в контрола и доставката на електричество от точката, в която той е се произвежда в електроцентрали, точно преди да влезе в дом, офис сграда или друг край дестинация.

Помислете за язовир, който задържа милиони галони вода, за да образува изкуствено езеро. Тъй като реката, захранваща това езеро, не винаги носи едно и също количество вода в района, като водите му са склонни да се издигат в пролет след топене на сняг в много райони и отлив през лятото по време на по-сухи времена, всеки ефективен и безопасен язовир трябва да бъде оборудван с устройства които позволяват по-фин контрол на водата, отколкото просто да я спрете да тече, докато нивото се повиши толкова много, че водата просто да се разлее над него. Следователно язовирите включват всякакви шлюзови врати и други механизми, които диктуват колко вода ще бъде преминават към долната страна на язовира, независимо от количеството водно налягане в горната част на течението страна.

Приблизително така работи трансформаторът, с изключение на това, че материалът, който тече, не е вода, а електрически ток. Трансформаторите служат за манипулиране на нивото на напрежението, преминаващо през която и да е точка в електропреносната мрежа (подробно описано по-долу) по начин, който балансира ефективността на предаването с основната безопасност. Ясно е, че това е финансово и практически изгодно както за потребителите, така и за собствениците на електроцентралата и мрежа, за да се предотвратят загуби на електроенергия между излизането на електричество от електроцентралата и достигането до домове или други дестинации. От друга страна, ако количеството напрежение, преминаващо през типичен захранващ проводник с високо напрежение, не бъде намалено, преди да влезете в дома си, би възникнал хаос и бедствие.

Напрежението е мярка за електрическа потенциална разлика. Номенклатурата може да обърка, защото много ученици са чували термина „потенциална енергия“, което улеснява объркването на напрежението с енергията. Всъщност напрежението е електрическа потенциална енергия за единица заряд или джаули на кулон (J / C). Кулонът е стандартната единица на електрически заряд във физиката. На един електрон се присвоява -1,609 × 10^-19 кулони, докато протонът носи заряд, равен по големина, но противоположен по посока (т.е. положителен заряд).

Ключовата дума тук наистина е „разлика“. Причината, поради която електроните преминават от едно място на друго, е разликата в напрежението между двете референтни точки. Напрежението представлява количеството работа, което би било необходимо за единица такса за преместване на заряда срещу електрическо поле от първата точка към втората. За да придобиете усещане за мащаб, знайте, че проводниците за пренос на дълги разстояния обикновено носят от 155 000 до 765 000 волта, докато напрежението, което влиза в дома, обикновено е 240 волта.

През 1880-те години доставчиците на електрически услуги са използвали постоянен ток (DC). Това беше изпълнено със задължения, включително факта, че DC не може да се използва за осветление и е много опасен, изискващ дебели слоеве изолация. През това време изобретател на име Уилям Стенли произвежда индукционната намотка, устройство, способно да създава променлив ток (AC). По времето, когато Стенли излезе с това изобретение, физиците знаеха за явлението AC и предимствата му би имал по отношение на захранването, но никой не е успял да измисли начин за доставяне на променлив ток на голям мащаб. Индукционната намотка на Стенли ще служи като шаблон за всички бъдещи варианти на устройството.

Стенли почти стана адвокат, преди да реши да работи като електротехник. Започва в Ню Йорк, преди да се премести в Питсбърг, където започва да работи върху трансформатора си. Той построи първата общинска електрическа система за променлив ток през 1886 г. в град Грейт Барингтън, Масачузетс. След края на века енергийната му компания е закупена от General Electric.

Трансформаторът може както да увеличи (засили), така и да намали (намали) напрежението, преминаващо през захранващи проводници. Това е слабо аналогично на начина, по който кръвоносната система може да увеличи или намали кръвоснабдяването на определени части на тялото в зависимост от търсенето. След като кръвта ("мощността") напусне сърцето ("електроцентралата"), за да достигне серия от разклонени точки, тя може да приключи, пътувайки до долната част на тялото вместо горната част на тялото, а след това на десния крак вместо на левия и след това на прасеца вместо бедрото, и т.н. Това се регулира от разширяването или свиването на кръвоносните съдове в целевите органи и тъкани. Когато се генерира електричество в електроцентрала, трансформаторите увеличават напрежението от няколко хиляди до стотици хиляди за целите на предаването на дълги разстояния. Тъй като тези проводници достигат до точки, наречени силови подстанции, трансформаторите намаляват напрежението до под 10 000 волта. Вероятно сте виждали тези подстанции и техните трансформатори от средно ниво по време на пътуванията си; трансформаторите обикновено са настанени в кутии и приличат малко на хладилници, засадени край пътя.

Когато електричеството напусне тези станции, което обикновено може да направи в редица различни посоки, то среща други трансформатори по-близо до крайната си точка в подразделения, квартали и отделни домове. Тези трансформатори намаляват напрежението от под 10 000 волта до около 240 - над 1000 пъти по-малко от типичните максимални нива, наблюдавани в проводници с високо напрежение на дълги разстояния.

Трансформаторите са, разбира се, само един компонент на така наречената електрическа мрежа, името на системата от проводници, ключове и други устройства, които произвеждат, изпращат и контролират електричеството от мястото, където се генерира до мястото, където е в крайна сметка се използва.

Първата стъпка в създаването на електрическа енергия е да накарате вала на генератора да се върти. От 2018 г. най-често това се прави с помощта на пара, отделена при изгарянето на изкопаеми горива, като въглища, нефт или природен газ. Ядрените централи и други "чисти" енергийни генератори като водноелектрически централи и вятърни мелници също могат да използват или произвеждат енергията, необходима за задвижване на генератора. Независимо от случая, електричеството, което се генерира в тези централи, се нарича трифазна мощност. Това е така, защото тези генератори на променлив ток създават електричество, което колебае между зададения минимум и максимум ниво на напрежение и всяка от трите фази се компенсира със 120 градуса спрямо онези отпред и отзад време. (Представете си, че вървите напред-назад по 12-метрова улица, докато двама други хора правят същото, правейки 24-метрова двупосочно пътуване, с изключение на това, че единият от другите двама души винаги е на 8 метра пред вас, а другият е на 8 метра назад Вие. Понякога двама от вас ще вървят в една посока, докато в други случаи двама ще ходят в другата посока, като променят сумата от движенията си, но по предсказуем начин. Трифазното променливотоково захранване работи слабо.)

Преди електричеството да напусне централата, то за първи път се сблъсква с трансформатор. Това е единствената точка, в която трансформаторите в електрическата мрежа значително увеличават напрежението, вместо да го намаляват. Тази стъпка е необходима, тъй като след това електричеството навлиза в големи преносни линии на групи от по три, по една за всяка фаза на захранването, а някои от тях може да се наложи да изминат до около 300 мили.

В даден момент електричеството се сблъсква с подстанция, където трансформаторите намаляват напрежението до a ниво, подходящо за по-ниските електропроводи, които виждате в кварталите или преминавате покрай селските райони магистрали. Тук се случва фазата на разпределение (за разлика от предаването) на доставката на електроенергия, тъй като линиите обикновено напускат захранването подстанции в редица посоки, точно като редица артерии, разклоняващи се от основен кръвоносен съд при горе-долу еднакви кръстовище.

От електрическата подстанция електричеството преминава в квартали и оставя местните електропроводи (които обикновено са на "телефонни стълбове"), за да влезе в отделни жилища. По-малките трансформатори (много от които приличат на малки метални кошчета за боклук) намаляват напрежението до около 240 волта, за да може да влезе в домовете без голям риск от пожар или някаква друга сериозна злополука.

Трансформаторите не само трябва да свършат работата по манипулиране на напрежението, но също така трябва да са устойчиви на повреди, независимо дали това са природни актове като вятърни бури или целенасочени атаки, създадени от човека. Не е възможно електрическата мрежа да се държи извън обсега на стихиите или човешките злодеи, но същото е, че електрическата мрежа е абсолютно жизненоважна за съвременния живот. Тази комбинация от уязвимост и необходимост накара Министерството на вътрешната сигурност на САЩ да вземе решение интерес към най-големите трансформатори в американската електрическа мрежа, наречени големи силови трансформатори, или LPT. Функцията на тези масивни трансформатори, които се намират в електроцентралите и могат да тежат от 100 до 400 тона и струват милиони долара, е от съществено значение за поддържането на ежедневието, тъй като отказът на един единствен може да доведе до прекъсване на електрозахранването в широк диапазон ■ площ. Това са трансформаторите, които драстично увеличават напрежението, преди електричеството да попадне в проводници с голямо напрежение на дълги разстояния.

Към 2012 г. средната възраст на LPT в САЩ е около 40 години. Някои от днешните трансформатори с високо високо напрежение (EHV) са с мощност 345 000 волта и търсенето на трансформатори нараства както в САЩ и в световен мащаб, принуждавайки правителството на САЩ да търси начини както да замени съществуващите LPT при необходимост, така и да разработи нови на сравнително ниски нива разходи.

Трансформаторът е основно голям квадратен магнит с отвор в средата. Електричеството постъпва от едната страна чрез жици, увити няколко пъти около трансформатора, и тръгва от противоположната страна чрез жици, увити различен брой пъти около трансформатора. Постъпването на електричество индуцира магнитно поле в трансформатора, което от своя страна индуцира електрическо поле в останалите проводници, които след това отнасят мощността от трансформатора.

На физическо ниво трансформаторът работи, като се възползва от закона на Фарадей, който гласи, че съотношението на напрежението на две намотки е равно на съотношението на броя на завъртанията в съответните намотки. По този начин, ако се изисква намалено напрежение на трансформатора, втората (изходяща) намотка съдържа по-малко обороти от основната (входяща) намотка.