Hvad er formålet med en transformer?

De fleste mennesker har sandsynligvis hørt om transformere og er opmærksomme på, at de er en del af det stadigt tydelige, men alligevel stadig mystisk elnet, der leverer elektricitet til hjem, virksomheder og alle andre steder, hvor "juice" er havde brug for. Men den typiske person balker med at lære de finere punkter ved elektrisk strømforsyning, måske fordi hele processen synes omsluttet af fare. Børn lærer fra en ung alder, at elektricitet kan være meget farligt, og alle indser, at nogen kraftselskabets ledninger holdes højt uden for rækkevidde (eller undertiden begravet i jorden) af en god grund.

Men elnettet er faktisk en triumf inden for human engineering, uden hvilken civilisation ikke kan genkendes fra den, du bor i dag. Transformatoren er et nøgleelement i styring og levering af elektricitet fra det punkt, hvor den er produceres på kraftværker indtil lige før det kommer ind i et hjem, en kontorbygning eller en anden ende bestemmelsessted.

Tænk på en dæmning, der holder tilbage millioner af liter vand for at danne en kunstig sø. Fordi floden, der fodrer denne sø, ikke altid fører den samme mængde vand til området, hvor vandet har tendens til at stige i området forår efter sneen smelter i mange områder og aftager om sommeren i tørre tider, skal enhver effektiv og sikker dæmning udstyres med udstyr der giver mulighed for finere kontrol af vandet end blot at forhindre det i at strømme, indtil niveauet stiger så meget, at vand simpelthen spildes over det. Dæmninger inkluderer derfor alle mulige sluseporte og andre mekanismer, der dikterer, hvor meget vand der vil passere til nedstrøms siden af ​​dæmningen uafhængigt af mængden af ​​vandtryk på opstrøms side.

Dette er omtrent, hvordan en transformer fungerer, bortset fra at materialet, der flyder, ikke er vand, men elektrisk strøm. Transformere tjener til at manipulere spændingsniveauet, der strømmer gennem ethvert punkt i et elnet (beskrevet detaljeret nedenfor) på en måde, der afbalancerer transmissionens effektivitet med grundlæggende sikkerhed. Det er klart, at det er økonomisk og praktisk fordelagtigt for både forbrugere og indehavere af kraftværket og net for at forhindre tab af strøm mellem elektricitet, der forlader kraftværket, og når det når hjem eller andet destinationer. På den anden side, hvis mængden af ​​spænding, der strømmer gennem en typisk højspændingsledning ikke blev formindsket, inden du kom ind i dit hjem, ville kaos og katastrofe resultere.

Spænding er et mål for den elektriske potentialeforskel. Nomenklaturen kan være forvirrende, fordi mange studerende har hørt udtrykket "potentiel energi", hvilket gør det let at forveksle spænding med energi. Faktisk er spænding elektrisk potentiel energi pr. Enhedsopladning eller joule pr. Coulomb (J / C). Coulomb er standardenheden for elektrisk ladning i fysik. En enkelt elektron er tildelt -1,609 × 10^-19 coulombs, mens en proton bærer en ladning, der er lig med størrelsen, men modsat i retning (dvs. en positiv ladning).

Nøgleordet her er virkelig "forskel". Årsagen til, at elektroner strømmer fra et sted til et andet, er forskellen i spænding mellem de to referencepunkter. Spænding repræsenterer den mængde arbejde, der ville være påkrævet pr. enhedsafgift at flytte ladningen mod et elektrisk felt fra det første punkt til det andet. For at få en følelse af skala skal du vide, at langdistance transmissionstråde typisk bærer fra 155.000 til 765.000 volt, mens spændingen, der kommer ind i et hjem, normalt er 240 volt.

I 1880'erne benyttede elektriske tjenesteudbydere jævnstrøm (DC). Dette var fyldt med forpligtelser, herunder det faktum, at DC ikke kunne bruges til belysning og var meget farligt og krævede tykke isoleringslag. I løbet af denne tid producerede en opfinder ved navn William Stanley induktionsspolen, en enhed, der er i stand til at skabe vekselstrøm (AC). På det tidspunkt, hvor Stanley kom op med denne opfindelse, vidste fysikere fænomenet AC og fordelene ved det ville have med hensyn til strømforsyning, men ingen havde været i stand til at komme op med et middel til at levere AC på en stor vægt. Stanleys induktionsspole ville tjene som en skabelon til alle fremtidige variationer af enheden.

Stanley blev næsten advokat, inden han besluttede at arbejde som elektriker. Han startede i New York City, inden han flyttede til Pittsburgh, hvor han begyndte at arbejde på sin transformer. Han konstruerede det første kommunale vekselstrømssystem i 1886 i byen Great Barrington, Massachusetts. Efter århundredskiftet blev hans elselskab købt af General Electric.

En transformer kan både øge (optrappe) eller formindske (reducere) spændingen, der kører gennem strømledninger. Dette er løst analogt med den måde, hvorpå kredsløbssystemet kan øge eller mindske blodtilførslen til bestemte dele af kroppen afhængigt af efterspørgslen. Når blod ("kraft") forlader hjertet ("kraftværket") for at nå en række forgreningspunkter, kan det ende med at rejse til underkrop i stedet for overkrop og derefter til højre ben i stedet for til venstre og derefter til kalven i stedet for låret etc. Dette styres af udvidelse eller indsnævring af blodkar i målorganerne og vævene. Når der genereres elektricitet på et kraftværk, øger transformatorer spændingen fra nogle få tusind op til hundreder af tusinder med henblik på transmission over lange afstande. Da disse ledninger når til punkter kaldet kraftstationer, reducerer transformatorer spændingen til under 10.000 volt. Du har sandsynligvis set disse transformerstationer og deres mellemliggende transformatorer på dine rejser; transformatorerne er normalt anbragt i kasser og ligner lidt køleskabe plantet ved vejkanten.

Når elektricitet forlader disse stationer, hvilket det normalt kan gøre i en række forskellige retninger, det møder andre transformatorer tættere på slutpunktet i underinddelinger, kvarterer og individuelle hjem. Disse transformatorer reducerer spændingen fra under 10.000 volt til nærhed af 240 - over 1.000 gange mindre end de typiske maksimale niveauer set i langdistance højspændingsledninger.

Transformere er naturligvis kun en komponent i det såkaldte strømnet, navnet på ledningssystemet, afbrydere og andre enheder, der producerer, sender og styrer elektricitet, hvorfra den genereres, til hvor den er i sidste ende brugt.

Det første skridt i at skabe elektrisk kraft er at få skaftet på en generator til at dreje. Fra og med 2018 gøres dette oftest ved hjælp af damp, der frigives ved forbrændingen af ​​et fossilt brændsel, såsom kul, olie eller naturgas. Kernekraftværker og andre "rene" energiproducenter såsom vandkraftværker og vindmølleparker kan også udnytte eller producere den energi, der kræves til at drive generatoren. Uanset hvad kaldes den elektricitet, der genereres på disse anlæg, trefaset strøm. Dette skyldes, at disse vekselstrømsgeneratorer skaber elektricitet, der svinger mellem et bestemt minimum og maksimum spændingsniveau, og hver af de tre faser modregnes 120 grader fra de forude og bag det ind tid. (Forestil dig at gå frem og tilbage over en 12 meter gade, mens to andre mennesker gør det samme, hvilket giver en 24 meter tur / retur, bortset fra at den ene af de to andre altid er 8 meter foran dig, og den anden er 8 meter bagud du. På nogle tidspunkter vil to af jer gå i den ene retning, mens andre gange to af jer vil gå i den anden retning og variere summen af ​​dine bevægelser, men på en forudsigelig måde. Sådan fungerer trefaset vekselstrøm løst.)

Før elektriciteten forlader kraftværket, møder den en transformer for første gang. Dette er det eneste punkt, hvor transformere i et elnet markant øger spændingen i stedet for at reducere den. Dette trin er nødvendigt, fordi elektriciteten derefter kommer ind i store transmissionslinjer i sæt på tre, en for hver strømfase, og noget af det kan være nødvendigt at rejse op til 300 miles eller deromkring.

På et tidspunkt støder elektriciteten på en kraftstation, hvor transformere reducerer spændingen til a niveau, der passer til de mere lavmælte kraftledninger, du ser i kvarterer eller løber langs landdistrikterne motorveje. Det er her distributionen (i modsætning til transmission) finder sted, da ledninger normalt efterlader strøm understationer i en række retninger, ligesom et antal arterier, der forgrener sig fra et større blodkar i stort set det samme knudepunkt.

Fra kraftstationen går elektriciteten ind i kvarterer og forlader de lokale kraftledninger (som normalt er på "telefonstænger") for at komme ind i individuelle boliger. Mindre transformere (hvoraf mange ligner små metalaffaldsdåser) reducerer spændingen til ca. 240 volt, så den kan komme ind i hjem uden stor risiko for at forårsage brand eller andet alvorligt uheld.

Transformere har ikke kun brug for at manipulere spænding, men de skal også være modstandsdygtige over for skader, det være sig af naturhandlinger såsom vindstorm eller målrettet menneskeskabte angreb. Det er ikke muligt at holde elnettet uden for elementernes rækkevidde eller menneskelige forstyrrelser, men det samme er elnettet absolut nødvendigt for det moderne liv. Denne kombination af sårbarhed og nødvendighed har ført det amerikanske Department of Homeland Security til at tage en interesse i de største transformatorer i det amerikanske elnet, kaldet store effekt transformere, eller LPT. Funktionen af ​​disse massive transformatorer, der ligger inden for kraftværker og kan veje 100 til 400 tons og koster millioner af dollars, er afgørende for vedligeholdelsen af ​​hverdagen, da en enkelt svigt kan føre til strømafbrydelser overalt areal. Dette er transformatorerne, der øger spændingen dramatisk, før elektricitet kommer ind i højspændingsledninger over lang afstand.

Fra 2012 var gennemsnitsalderen for en LPT i USA omkring 40 år. Nogle af nutidens top-end ekstrahøjspændingstransformatorer (EHV) er bedømt til 345.000 volt, og efterspørgslen efter transformere stiger både i USA og globalt, der tvinger den amerikanske regering til at søge måder til både at erstatte eksisterende LPT'er efter behov og udvikle nye til et forholdsvis lavt koste.

En transformer er dybest set en stor, firkantet magnet med et hul i midten. Elektricitet kommer ind på den ene side via ledninger viklet et antal gange rundt om transformeren og efterlader på den modsatte side via ledninger viklet et andet antal gange rundt om transformeren. Indtastning af elektricitet inducerer et magnetfelt i transformeren, som igen inducerer et elektrisk felt i de andre ledninger, som derefter fører strøm væk fra transformatoren.

På fysikniveau fungerer en transformer ved at drage fordel af Faradays lov, som siger, at spændingsforholdet mellem to spoler er lig med forholdet mellem antallet af omdrejninger i de respektive spoler. Således hvis der kræves reduceret spænding ved en transformer, indeholder den anden (udgående) spole færre omdrejninger end den primære (indkommende) spole.