Ποιος είναι ο σκοπός ενός μετασχηματιστή;

Οι περισσότεροι άνθρωποι πιθανότατα έχουν ακούσει για μετασχηματιστές και γνωρίζουν ότι είναι μέρος του αόριστου αλλά ακόμα μυστηριώδες δίκτυο τροφοδοσίας που παρέχει ηλεκτρική ενέργεια σε σπίτια, επιχειρήσεις και σε κάθε άλλο μέρος όπου βρίσκεται ο "χυμός" απαιτείται. Όμως, το τυπικό άτομο δυσκολεύεται να μάθει τα καλύτερα σημεία της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, ίσως επειδή η όλη διαδικασία φαίνεται επικίνδυνη. Τα παιδιά μαθαίνουν από νεαρή ηλικία ότι η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να είναι πολύ επικίνδυνη και όλοι συνειδητοποιούν ότι υπάρχουν Τα καλώδια της εταιρείας ηλεκτρικής ενέργειας διατηρούνται πολύ μακριά (ή μερικές φορές θαμμένα στο έδαφος) για έναν καλό λόγο.

Αλλά το ηλεκτρικό δίκτυο είναι στην πραγματικότητα ένας θρίαμβος της ανθρώπινης μηχανικής, χωρίς τον οποίο ο πολιτισμός δεν θα μπορούσε να αναγνωριστεί από αυτόν που ζείτε σήμερα. Ο μετασχηματιστής είναι ένα βασικό στοιχείο για τον έλεγχο και την παροχή ηλεκτρικής ενέργειας από το σημείο στο οποίο παράγεται σε σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος μέχρι λίγο πριν εισέλθει σε σπίτι, κτίριο γραφείων ή άλλο άκρο προορισμός.

Σκεφτείτε ένα φράγμα που συγκρατεί εκατομμύρια γαλόνια νερού για να σχηματίσει μια τεχνητή λίμνη. Επειδή ο ποταμός που τροφοδοτεί αυτήν τη λίμνη δεν μεταφέρει πάντα την ίδια ποσότητα νερού στην περιοχή, με τα νερά της να τείνουν να ανεβαίνουν στην περιοχή την άνοιξη μετά την τήξη του χιονιού σε πολλές περιοχές και την άμπωτη το καλοκαίρι κατά τη διάρκεια των ξηρότερων χρόνων, κάθε αποτελεσματικό και ασφαλές φράγμα πρέπει να είναι εφοδιασμένο με συσκευές που επιτρέπουν τον καλύτερο έλεγχο του νερού από το να σταματήσουμε απλώς να ρέει έως ότου η στάθμη αυξηθεί τόσο πολύ που το νερό απλώς χύνεται πάνω από αυτό. Τα φράγματα επομένως περιλαμβάνουν όλους τους τύπους θυροφράξεων και άλλους μηχανισμούς που υπαγορεύουν το πόσιμο νερό περάστε στην κατάντη πλευρά του φράγματος, ανεξάρτητα από την ποσότητα της πίεσης του νερού στα ανάντη πλευρά.

Αυτό είναι περίπου πώς λειτουργεί ένας μετασχηματιστής, εκτός από το ότι το υλικό που ρέει δεν είναι νερό αλλά ηλεκτρικό ρεύμα. Οι μετασχηματιστές χρησιμεύουν για τον χειρισμό του επιπέδου τάσης που ρέει σε οποιοδήποτε σημείο ενός δικτύου ισχύος (περιγράφεται με μεγάλη λεπτομέρεια παρακάτω) με τρόπο που εξισορροπεί την αποτελεσματικότητα της μετάδοσης με τη βασική ασφάλεια. Είναι σαφές ότι είναι οικονομικά και πρακτικά πλεονεκτικό τόσο για τους καταναλωτές όσο και για τους ιδιοκτήτες του σταθμού παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και πλέγμα για να αποφευχθούν απώλειες ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ του ηλεκτρικού ρεύματος που εγκαταλείπει το εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας και των σπιτιών που φτάνουν ή άλλου προορισμοί. Από την άλλη πλευρά, εάν το ποσό της τάσης που διέρχεται μέσω ενός τυπικού καλωδίου υψηλής τάσης δεν μειώνεται πριν εισέλθετε στο σπίτι σας, θα προκύψει χάος και καταστροφή.

Η τάση είναι ένα μέτρο της διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού. Η ονοματολογία μπορεί να προκαλέσει σύγχυση επειδή πολλοί μαθητές έχουν ακούσει τον όρο «πιθανή ενέργεια», καθιστώντας εύκολο να συγχέουμε την τάση με την ενέργεια. Στην πραγματικότητα, η τάση είναι ηλεκτρικό δυναμικό ανά μονάδα φόρτισης, ή joules ανά coulomb (J / C). Το coulomb είναι η τυπική μονάδα ηλεκτρικού φορτίου στη φυσική. Ένα απλό ηλεκτρόνιο εκχωρείται -1,609 × 10^-19 coulombs, ενώ ένα πρωτόνιο φέρει ένα φορτίο ίσο σε μέγεθος αλλά αντίθετο προς την κατεύθυνση (δηλαδή, ένα θετικό φορτίο).

Η λέξη-κλειδί εδώ, στην πραγματικότητα, είναι "διαφορά". Ο λόγος που τα ηλεκτρόνια ρέουν από το ένα μέρος στο άλλο είναι η διαφορά τάσης μεταξύ των δύο σημείων αναφοράς. Η τάση αντιπροσωπεύει την απαιτούμενη εργασία ανά χρέωση ανά μονάδα για να μετακινήσετε το φορτίο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο από το πρώτο σημείο στο δεύτερο. Για να αποκτήσετε μια αίσθηση κλίμακας, γνωρίζετε ότι τα καλώδια μετάδοσης μεγάλων αποστάσεων συνήθως μεταφέρουν από 155.000 έως 765.000 βολτ, ενώ η τάση που εισέρχεται σε ένα σπίτι είναι συνήθως 240 βολτ.

Στη δεκαετία του 1880, οι πάροχοι ηλεκτρικών υπηρεσιών χρησιμοποίησαν το συνεχές ρεύμα (DC). Αυτό ήταν γεμάτο υποχρεώσεις, συμπεριλαμβανομένου του γεγονότος ότι το DC δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για φωτισμό και ήταν πολύ επικίνδυνο, απαιτώντας παχιά στρώματα μόνωσης. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ένας εφευρέτης με το όνομα William Stanley παρήγαγε το επαγωγικό πηνίο, μια συσκευή ικανή να δημιουργεί εναλλασσόμενο ρεύμα (AC). Τη στιγμή που ο Stanley βρήκε αυτήν την εφεύρεση, οι φυσικοί γνώριζαν το φαινόμενο του AC και τα πλεονεκτήματά του θα είχε από την άποψη της παροχής ηλεκτρικού ρεύματος, αλλά κανείς δεν μπόρεσε να βρει ένα μέσο παροχής AC σε ένα μεγάλο κλίμακα. Το επαγωγικό πηνίο του Stanley θα χρησιμεύσει ως πρότυπο για όλες τις μελλοντικές παραλλαγές της συσκευής.

Ο Στάνλεϋ σχεδόν έγινε δικηγόρος πριν αποφασίσει να εργαστεί ως ηλεκτρολόγος. Ξεκίνησε στη Νέα Υόρκη πριν μετακομίσει στο Πίτσμπουργκ, όπου άρχισε να εργάζεται στον μετασχηματιστή του. Κατασκεύασε το πρώτο δημοτικό σύστημα εναλλασσόμενου ρεύματος το 1886 στην πόλη Great Barrington της Μασαχουσέτης. Μετά την αλλαγή του αιώνα, η εταιρεία ηλεκτρικής ενέργειας αγοράστηκε από την General Electric.

Ένας μετασχηματιστής μπορεί να αυξήσει και να μειώσει (να μειώσει) την τάση που κινείται μέσω καλωδίων ισχύος. Αυτό είναι χαλαρά ανάλογο με τον τρόπο με τον οποίο το κυκλοφορικό σύστημα μπορεί να αυξήσει ή να μειώσει την παροχή αίματος σε ορισμένα μέρη του σώματος ανάλογα με τη ζήτηση. Αφού το αίμα ("δύναμη") εγκαταλείψει την καρδιά (το "εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας"), για να φτάσει σε μια σειρά σημείων διακλάδωσης, μπορεί να καταλήξει να ταξιδεύει στο κάτω σώμα αντί για το άνω σώμα, και στη συνέχεια στο δεξί πόδι αντί για το αριστερό, και στη συνέχεια στο μοσχάρι αντί του μηρού, και τα λοιπά. Αυτό διέπεται από τη διαστολή ή τη συστολή των αιμοφόρων αγγείων στα όργανα και τους ιστούς στόχους. Όταν παράγεται ηλεκτρική ενέργεια σε μια μονάδα παραγωγής ενέργειας, οι μετασχηματιστές αυξάνουν την τάση από μερικές χιλιάδες έως εκατοντάδες χιλιάδες για σκοπούς μετάδοσης μεγάλων αποστάσεων. Καθώς αυτά τα καλώδια φτάνουν σε σημεία που ονομάζονται υποσταθμοί ισχύος, οι μετασχηματιστές μειώνουν την τάση σε λιγότερο από 10.000 βολτ. Πιθανότατα έχετε δει αυτούς τους υποσταθμούς και τους μετασχηματιστές ενδιάμεσου επιπέδου στα ταξίδια σας. Οι μετασχηματιστές συνήθως στεγάζονται σε κουτιά και μοιάζουν λίγο με ψυγεία που φυτεύονται στην άκρη του δρόμου.

Όταν η ηλεκτρική ενέργεια εγκαταλείπει αυτούς τους σταθμούς, κάτι που συνήθως μπορεί να κάνει σε διάφορες κατευθύνσεις, αυτό συναντά άλλους μετασχηματιστές πιο κοντά στο τελικό του σημείο σε υποδιαιρέσεις, γειτονιές και άτομα σπίτια. Αυτοί οι μετασχηματιστές μειώνουν την τάση από κάτω από 10.000 βολτ έως περίπου 240 - πάνω από 1.000 φορές μικρότερη από τα τυπικά μέγιστα επίπεδα που παρατηρούνται σε καλώδια υψηλής τάσης μεγάλων αποστάσεων.

Οι μετασχηματιστές είναι, φυσικά, μόνο ένα στοιχείο του λεγόμενου δικτύου ισχύος, το όνομα του συστήματος καλωδίων, διακόπτες και άλλες συσκευές που παράγουν, στέλνουν και ελέγχουν ηλεκτρισμό από το σημείο που παράγεται στο σημείο που είναι τελικά χρησιμοποιήθηκε.

Το πρώτο βήμα για τη δημιουργία ηλεκτρικής ενέργειας είναι να περιστραφεί ο άξονας μιας γεννήτριας. Από το 2018, πιο συχνά αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας ατμό που απελευθερώνεται στην καύση ορυκτού καυσίμου, όπως άνθρακας, πετρέλαιο ή φυσικό αέριο. Οι πυρηνικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας και άλλες "καθαρές" γεννήτριες ενέργειας, όπως οι υδροηλεκτρικές εγκαταστάσεις και οι ανεμόμυλοι μπορούν επίσης να εκμεταλλευτούν ή να παράγουν την ενέργεια που απαιτείται για την κίνηση της γεννήτριας. Όποια και αν είναι η περίπτωση, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται σε αυτές τις εγκαταστάσεις ονομάζεται τριφασική ισχύς. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτές οι γεννήτριες AC δημιουργούν ηλεκτρική ενέργεια που κυμαίνεται μεταξύ ενός ελάχιστου και μέγιστου συνόλου επίπεδο τάσης και κάθε μία από τις τρεις φάσεις αντισταθμίζεται κατά 120 μοίρες από αυτές που βρίσκονται μπροστά και πίσω από αυτήν χρόνος. (Φανταστείτε να περπατάτε μπρος-πίσω σε έναν δρόμο 12 μέτρων, ενώ δύο άλλοι άνθρωποι κάνουν το ίδιο, κάνοντας ένα 24-μέτρο μετ 'επιστροφής, εκτός από το ότι ένα από τα άλλα δύο άτομα είναι πάντα 8 μέτρα μπροστά σας και το άλλο είναι 8 μέτρα πίσω εσείς. Κάποιες φορές, δύο από εσάς θα περπατάτε προς τη μία κατεύθυνση, ενώ άλλες φορές θα περπατάτε προς την άλλη κατεύθυνση, μεταβάλλοντας το άθροισμα των κινήσεών σας, αλλά με προβλέψιμο τρόπο. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί η τριφασική ισχύς AC.)

Πριν φύγει η ηλεκτρική ενέργεια από τον σταθμό ηλεκτροπαραγωγής, συναντά έναν μετασχηματιστή για πρώτη φορά. Αυτό είναι το μόνο σημείο στο οποίο οι μετασχηματιστές σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο αυξάνουν σημαντικά την τάση και όχι τη μείωση. Αυτό το βήμα είναι απαραίτητο επειδή η ηλεκτρική ενέργεια εισέρχεται στη συνέχεια σε μεγάλες γραμμές μετάδοσης σε σετ τριών, μία για κάθε φάση ισχύος, και μερικές από αυτές μπορεί να χρειαστεί να ταξιδέψουν έως και 300 μίλια περίπου.

Σε κάποιο σημείο η ηλεκτρική ενέργεια συναντά έναν υποσταθμό ισχύος, όπου οι μετασχηματιστές μειώνουν την τάση σε α επίπεδο κατάλληλο για τις πιο χαμηλής πίεσης γραμμές που βλέπετε σε γειτονιές ή τρέχει κατά μήκος της υπαίθρου αυτοκινητόδρομοι. Εδώ συμβαίνει η φάση διανομής (σε αντίθεση με τη μετάδοση) παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, καθώς οι γραμμές συνήθως αφήνουν ρεύμα υποσταθμούς σε διάφορες κατευθύνσεις, όπως και αρκετές αρτηρίες που διακλαδίζονται από ένα κύριο αιμοφόρο αγγείο σε λίγο πολύ το ίδιο διασταύρωση.

Από τον υποσταθμό ρεύματος, ο ηλεκτρισμός περνά σε γειτονιές και φεύγει από τις τοπικές γραμμές τροφοδοσίας (οι οποίες συνήθως βρίσκονται σε "τηλεφωνικούς πόλους") για να εισέλθουν σε μεμονωμένες κατοικίες. Οι μικρότεροι μετασχηματιστές (πολλοί από τους οποίους μοιάζουν με μικρά μεταλλικά δοχεία απορριμμάτων) μειώνουν την τάση σε περίπου 240 βολτ, ώστε να μπορεί να εισέλθει στα σπίτια χωρίς μεγάλο κίνδυνο πρόκλησης πυρκαγιάς ή κάποιου άλλου σοβαρού ατυχήματος.

Οι μετασχηματιστές όχι μόνο πρέπει να κάνουν τη δουλειά του χειρισμού τάσης, αλλά πρέπει επίσης να είναι ανθεκτικοί σε ζημιές, είτε πρόκειται για πράξεις της φύσης, όπως καταιγίδες ή σκόπιμες ανθρωπογενείς επιθέσεις. Δεν είναι εφικτό να διατηρείτε το ηλεκτρικό δίκτυο μακριά από στοιχεία ή ανθρώπινους κακοποιούς, αλλά το ίδιο, το ηλεκτρικό δίκτυο είναι απολύτως ζωτικής σημασίας για τη σύγχρονη ζωή. Αυτός ο συνδυασμός ευπάθειας και αναγκαιότητας οδήγησε το Υπουργείο Εσωτερικής Ασφάλειας των ΗΠΑ να λάβει ενδιαφέρον για τους μεγαλύτερους μετασχηματιστές στο αμερικανικό δίκτυο ισχύος, που ονομάζονται μετασχηματιστές μεγάλης ισχύος, ή LPT. Η λειτουργία αυτών των τεράστιων μετασχηματιστών, που βρίσκονται σε σταθμούς παραγωγής ενέργειας και μπορεί να ζυγίζει 100 έως 400 τόνους και κοστίζει εκατομμύρια δολάρια, είναι απαραίτητο για τη διατήρηση της καθημερινής ζωής, καθώς η αποτυχία ενός μπορεί να οδηγήσει σε διακοπή ρεύματος σε μεγάλο βαθμό περιοχή. Αυτοί είναι οι μετασχηματιστές που αυξάνουν δραστικά την τάση προτού η ηλεκτρική ενέργεια εισέλθει σε καλώδια υψηλής τάσης μεγάλων αποστάσεων.

Από το 2012, η ​​μέση ηλικία ενός LPT στις ΗΠΑ ήταν περίπου 40 χρόνια. Μερικοί από τους σημερινούς μετασχηματιστές εξαιρετικά υψηλής τάσης (EHV) βαθμολογούνται στα 345.000 βολτ και η ζήτηση για μετασχηματιστές αυξάνεται και στους δύο ΗΠΑ και παγκοσμίως, αναγκάζοντας την αμερικανική κυβέρνηση να αναζητήσει τρόπους για να αντικαταστήσουν τα υπάρχοντα LPT όπως απαιτείται και να αναπτύξουν νέα σε συγκριτικά χαμηλά επίπεδα κόστος.

Ο μετασχηματιστής είναι βασικά ένας μεγάλος τετραγωνικός μαγνήτης με μια τρύπα στη μέση. Η ηλεκτρική ενέργεια εισέρχεται από τη μία πλευρά μέσω καλωδίων τυλιγμένα πολλές φορές γύρω από τον μετασχηματιστή και αφήνει στην αντίθετη πλευρά μέσω καλωδίων τυλιγμένο με διαφορετικό αριθμό φορών γύρω από τον μετασχηματιστή. Η είσοδος ηλεκτρικής ενέργειας προκαλεί ένα μαγνητικό πεδίο στον μετασχηματιστή, το οποίο με τη σειρά του προκαλεί ένα ηλεκτρικό πεδίο στα άλλα καλώδια, τα οποία στη συνέχεια μεταφέρουν ισχύ μακριά από τον μετασχηματιστή.

Στο επίπεδο της φυσικής, ένας μετασχηματιστής λειτουργεί εκμεταλλευόμενος τον νόμο του Faraday, ο οποίος αναφέρει ότι ο λόγος τάσης δύο πηνίων ισούται με τον λόγο του αριθμού των στροφών στα αντίστοιχα πηνία. Έτσι, εάν απαιτείται μειωμένη τάση σε έναν μετασχηματιστή, το δεύτερο (εξερχόμενο) πηνίο περιέχει λιγότερες στροφές από το πρωτεύον (εισερχόμενο) πηνίο.