Jaký je účel transformátoru?

Většina lidí pravděpodobně slyšela o transformátorech a je si vědoma, že jsou součástí stále zjevného, ​​ale přesto stále tajemná elektrická síť, která dodává elektřinu do domácností, podniků a na všechna další místa, kde je „šťáva“ potřeboval. Ale typický člověk se brání tomu, aby poznal jemnější body dodávky elektrické energie, snad proto, že se zdá, že celý proces je maskovaný v nebezpečí. Děti se od mladého věku učí, že elektřina může být velmi nebezpečná, a každý si uvědomuje, že vůbec vodiče energetické společnosti jsou z dobrého důvodu drženy vysoko mimo dosah (nebo někdy zakopané v zemi).

Ale energetická síť je ve skutečnosti triumfem lidského inženýrství, bez něhož by civilizace nebyla k nepoznání od té, kterou dnes obýváte. Transformátor je klíčovým prvkem při řízení a dodávce elektřiny z bodu, ve kterém je se vyrábí v elektrárnách až těsně před vstupem do domu, kancelářské budovy nebo na jiný konec destinace.

Vzpomeňte si na přehradu, která zadržuje miliony galonů vody a vytváří umělé jezero. Protože řeka napájející toto jezero ne vždy nese stejné množství vody do této oblasti, přičemž její vody mají tendenci stoupat v jaro po roztavení sněhu v mnoha oblastech a odliv v létě během období sucha, musí být každá účinná a bezpečná přehrada vybavena zařízeními které umožňují jemnější kontrolu nad vodou, než jednoduše zastavit její průtok, dokud hladina nezvýší natolik, že se voda jednoduše rozlije přes to. Přehrady proto zahrnují nejrůznější stavidla a další mechanismy, které určují, kolik vody bude projít na spodní stranu přehrady, nezávisle na množství tlaku vody na proti proudu boční.

Zhruba takto funguje transformátor, až na to, že materiál, který teče, není voda, ale elektrický proud. Transformátory slouží k manipulaci s úrovní napětí protékajícího jakýmkoli bodem v energetické síti (popsáno velmi podrobně níže) způsobem, který vyvažuje účinnost přenosu se základní bezpečností. Je zjevné, že je to finančně a prakticky výhodné jak pro spotřebitele, tak pro majitele elektrárny a mřížka, aby se zabránilo ztrátám energie mezi elektřinou opouštějící elektrárnu a jejími domovy nebo jinými cíle. Na druhou stranu, pokud by se množství napětí proudícího přes typický vysokonapěťový napájecí vodič před vstupem do vašeho domova nesnížilo, vznikl by chaos a katastrofa.

Napětí je měřítkem rozdílu elektrického potenciálu. Nomenklatura může být matoucí, protože mnoho studentů již slyšelo výraz „potenciální energie“, což usnadňuje záměnu napětí s energií. Ve skutečnosti je napětí elektrická potenciální energie na jednotku nabití nebo jouly na coulomb (J / C). Coulomb je standardní jednotka elektrického náboje ve fyzice. Jedinému elektronu je přiřazeno -1,609 × 10^-19 coulombs, zatímco proton nese náboj stejné velikosti, ale opačný ve směru (tj. kladný náboj).

Klíčovým slovem ve skutečnosti je „rozdíl“. Důvodem, proč elektrony proudí z jednoho místa na druhé, je rozdíl napětí mezi dvěma referenčními body. Napětí představuje množství práce, které by bylo zapotřebí za jednotku poplatku přesunout náboj proti elektrickému poli z prvního bodu do druhého. Chcete-li získat smysl pro měřítko, vězte, že přenosové vodiče na dlouhé vzdálenosti obvykle přenášejí od 155 000 do 765 000 voltů, zatímco napětí vstupující do domu je obvykle 240 voltů.

V 80. letech 19. století poskytovatelé elektrických služeb využívali stejnosměrný proud. To bylo plné závazků, včetně skutečnosti, že DC nemohl být použit pro osvětlení a byl velmi nebezpečný a vyžadoval silné vrstvy izolace. Během této doby vytvořil vynálezce jménem William Stanley indukční cívku, zařízení schopné vytvářet střídavý proud (AC). V době, kdy Stanley přišel s tímto vynálezem, fyzici věděli o fenoménu střídavého proudu a jeho výhodách by měl, pokud jde o napájení, ale nikdo nebyl schopen přijít s prostředkem, který by dodával střídavý proud ve velkém měřítko. Stanleyho indukční cívka by sloužila jako šablona pro všechny budoucí variace zařízení.

Stanley se téměř stal právníkem, než se rozhodl pracovat jako elektrikář. Začal v New Yorku, než se přestěhoval do Pittsburghu, kde začal pracovat na svém transformátoru. První obecní střídavý napájecí systém zkonstruoval v roce 1886 ve městě Great Barrington v Massachusetts. Po přelomu století jeho energetickou společnost koupila General Electric.

Transformátor může jak zvyšovat (zvyšovat), tak snižovat (snižovat) napětí procházející napájecími dráty. To je volně analogické se způsobem, jakým může oběhový systém zvyšovat nebo snižovat přísun krve do určitých částí těla v závislosti na poptávce. Poté, co krev („síla“) opustí srdce („elektrárna“), aby dosáhla řady odbočovacích bodů, může skončit cestou k dolní část těla namísto horní části těla, a pak na pravou nohu místo levé a pak na lýtko místo stehna, atd. To se řídí rozšířením nebo zúžením krevních cév v cílových orgánech a tkáních. Když se v elektrárně vyrábí elektřina, transformátory zvyšují napětí z několika tisíců na stovky tisíc pro účely dálkového přenosu. Vzhledem k tomu, že tyto vodiče dosahují bodů nazývaných napájecí stanice, transformátory snižují napětí na méně než 10 000 voltů. Pravděpodobně jste na svých cestách viděli tyto rozvodny a jejich transformátory na střední úrovni; transformátory jsou obvykle umístěny v krabicích a vypadají trochu jako ledničky umístěné u silnice.

Když elektřina opouští tyto stanice, což může obvykle dělat v mnoha různých směrech, je to naráží na další transformátory blíže ke svému koncovému bodu v subdivizích, čtvrtích a jednotlivcích domovy. Tyto transformátory snižují napětí z méně než 10 000 voltů na vzdálenost 240 - více než 1 000krát méně, než je obvyklá maximální úroveň viditelná u vysokonapěťových vodičů na velké vzdálenosti.

Transformátory jsou samozřejmě pouze jednou součástí takzvané energetické sítě, názvem pro systém vodičů, přepínače a další zařízení, která vyrábějí, odesílají a kontrolují elektřinu z místa, kde je generována, tam, kde je nakonec použit.

Prvním krokem při vytváření elektrické energie je roztočení hřídele generátoru. Od roku 2018 se to nejčastěji provádí pomocí páry uvolněné při spalování fosilního paliva, jako je uhlí, ropa nebo zemní plyn. Jaderné elektrárny a další „čisté“ generátory energie, jako jsou vodní elektrárny a větrné farmy, mohou také využívat nebo vyrábět energii potřebnou k pohonu generátoru. V každém případě se elektřina, která se v těchto zařízeních vyrábí, nazývá třífázová energie. Je to proto, že tyto generátory střídavého proudu vytvářejí elektřinu, která osciluje mezi stanoveným minimem a maximem úroveň napětí a každá ze tří fází je posunuta o 120 stupňů od fází před a za ní čas. (Představte si, že jdete sem a tam po 12metrové ulici, zatímco další dva lidé dělají totéž, což znamená 24 metrů okružní cesta, kromě toho, že jeden z dalších dvou lidí je vždy 8 metrů před vámi a druhý je 8 metrů za vámi vy. Někdy budete dva z vás kráčet jedním směrem, zatímco jindy dva z vás budou kráčet opačným směrem, přičemž bude měnit součet vašich pohybů, ale předvídatelným způsobem. Takto volně funguje třífázové střídavé napájení.)

Než elektřina opustí elektrárnu, poprvé narazí na transformátor. Toto je jediný bod, ve kterém transformátory v energetické síti výrazně zvyšují napětí, nikoli ho snižují. Tento krok je nutný, protože elektřina poté vstupuje do velkých přenosových vedení v sadách po třech, jedno pro každou fázi energie, a některé z nich mohou muset cestovat až přibližně 300 mil.

V určitém okamžiku se elektřina setká s rozvodnou, kde transformátory snižují napětí na a úroveň vhodná pro nízkonapěťové elektrické vedení, které vidíte ve čtvrtích nebo podél venkova dálnice. Zde dochází k distribuční (na rozdíl od přenosu) fázi dodávky elektřiny, protože linky obvykle opouštějí energii rozvodny v mnoha směrech, stejně jako řada tepen odbočujících z hlavní krevní cévy víceméně stejně křižovatka.

Z rozvodny elektřiny prochází elektřina do čtvrtí a opouští místní elektrická vedení (která jsou obvykle na „telefonních sloupech“), aby vstoupila do jednotlivých rezidencí. Menší transformátory (z nichž mnohé vypadají jako malé kovové popelnice) snižují napětí na přibližně 240 voltů, takže se mohou dostat do domácností bez velkého rizika požáru nebo jiné závažné nehody.

Transformátoři musí nejen manipulovat s napětím, ale musí být také odolní proti poškození, ať už je to působením přírody, jako jsou vichřice nebo úmyslné útoky vytvořené člověkem. Není možné udržovat elektrickou rozvodnou síť mimo dosah živlů nebo lidských ničemů, ale stejná síť je naprosto nezbytná pro moderní život. Tato kombinace zranitelnosti a nutnosti vedla americké ministerstvo vnitřní bezpečnosti k přijetí zájem o největší transformátory v americké energetické síti, nazývané velké výkonové transformátory, nebo LPT. Funkce těchto masivních transformátorů, které leží v elektrárnách a mohou vážit 100 až 400 tun a stát miliony dolarů, je nezbytné pro udržení každodenního života, protože selhání jediného může vést k výpadkům proudu v širokém měřítku plocha. Jedná se o transformátory, které dramaticky zvyšují napětí, než se elektřina dostane do vodičů vysokého napětí na velké vzdálenosti.

Od roku 2012 byl průměrný věk LPT v USA asi 40 let. Některé z dnešních špičkových transformátorů vysokého napětí (EHV) jsou dimenzovány na 345 000 voltů a poptávka po transformátorech roste jak v USA a celosvětově, což nutí vládu USA hledat způsoby, jak podle potřeby nahradit stávající LPT, a vyvíjet nové na relativně nízké úrovni náklady.

Transformátor je v podstatě velký čtvercový magnet s otvorem uprostřed. Elektřina vstupuje na jedné straně vodiči ovinutými několikrát kolem transformátoru a odchází na opačné straně vodiči ovinutými několikrát kolem transformátoru. Vstupující elektřina indukuje magnetické pole v transformátoru, což zase indukuje elektrické pole v ostatních vodičích, které poté přenášejí energii z transformátoru.

Na úrovni fyziky pracuje transformátor s využitím Faradayova zákona, který říká, že poměr napětí dvou cívek se rovná poměru počtu závitů v příslušných cívkách. Pokud je tedy u transformátoru požadováno snížené napětí, obsahuje druhá (odchozí) cívka méně závitů než primární (příchozí) cívka.