Mikä on muuntajan tarkoitus?

Useimmat ihmiset ovat luultavasti kuulleet muuntajista ja ovat tietoisia siitä, että ne ovat osa yhä ilmeistä, mutta silti salaperäinen sähköverkko, joka toimittaa sähköä koteihin, yrityksiin ja kaikkiin muihin paikkoihin, joissa on "mehua" tarvittu. Mutta tyypillinen ihminen oppii oppimaan sähköntoimituksen hienommat kohdat, ehkä siksi, että koko prosessi näyttää olevan vaarassa. Lapset oppivat nuoresta iästä lähtien, että sähkö voi olla erittäin vaarallista, ja kaikki ymmärtävät sen olevan sähköyhtiön johdot pidetään korkealla ulottumattomissa (tai joskus haudattu maahan) hyvästä syystä.

Mutta sähköverkko on itse asiassa inhimillisen tekniikan voitto, jota ilman sivilisaatiota ei voida tunnistaa nykyisestä. Muuntaja on avainasemassa sähkön ohjauksessa ja toimittamisessa siitä kohdasta, missä se on tuotetaan voimalaitoksissa vasta ennen kuin se tulee koti-, toimistorakennus- tai muuhun päähän määränpäähän.

Ajattele patoa, joka pidättää miljoonia litraa vettä tekojärven muodostamiseksi. Koska tätä järveä ruokkiva joki ei aina kulje samalla määrällä vettä alueelle, sen vedet pyrkivät nousemaan kevät lumen sulamisen jälkeen monilla alueilla ja laskuvesi kesällä kuivempina aikoina, kaikki tehokkaat ja turvalliset padot on varustettava laitteilla jotka mahdollistavat veden tarkemman hallinnan kuin vain estää virtaamasta, kunnes taso nousee niin paljon, että vesi vain vuotaa sen yli. Patoihin sisältyy siis kaikenlaisia ​​sulkuportteja ja muita mekanismeja, jotka määräävät kuinka paljon vettä tulee kulkea padon alavirran puolelle riippumatta ylävirran vesipaineen määrästä puolella.

Muuntaja toimii suunnilleen näin, paitsi että virtaava materiaali ei ole vesi vaan sähkövirta. Muuntajat auttavat manipuloimaan minkä tahansa sähköverkon kohdan läpi virtaavan jännitteen tason (kuvattu jäljempänä hyvin yksityiskohtaisesti) tavalla, joka tasapainottaa siirron tehokkuuden perusturvallisuuden kanssa. On selvää, että se on taloudellisesti ja käytännössä edullista sekä kuluttajille että voimalaitoksen omistajille ja sähköverkon estämiseksi sähkön menetyksen välillä voimalaitokselta ja sen saavuttaessa kodeihin tai muihin kohteisiin. Toisaalta, jos tyypillisen korkeajännitteisen virtajohdon läpi kulkevan jännitteen määrää ei vähennetty ennen kotiin saapumista, seurauksena olisi kaaos ja katastrofi.

Jännite on sähköisen potentiaalieron mitta. Nimikkeistö voi olla hämmentävä, koska monet opiskelijat ovat kuulleet termin "potentiaalinen energia", mikä tekee jännitteen ja energian sekoittamisesta helppoa. Itse asiassa jännite on sähköpotentiaalienergiaa latausyksikköä kohden tai joulea per coulomb (J / C). Kulma on fysiikan sähkövarausyksikkö. Yksittäiselle elektronille on määritetty -1,609 × 10^-19 Coulombit, kun taas protonilla on varaukseltaan yhtä suuri, mutta suuntaan päinvastainen varaus (ts. positiivinen varaus).

Avainsana tässä todella on "ero". Syy siihen, että elektronit virtaavat paikasta toiseen, on jännitteen ero kahden vertailupisteen välillä. Jännite edustaa vaadittavan työn määrää yksikköä kohti siirtää varausta sähkökenttää vastaan ​​ensimmäisestä pisteestä toiseen. Mittakaavan tunteen saamiseksi tiedä, että pitkän matkan lähetysjohdot kuljettavat tyypillisesti 155000 - 765 000 volttia, kun taas kotiin tuleva jännite on yleensä 240 volttia.

1880-luvulla sähköpalvelujen tarjoajat käyttivät tasavirtaa. Tämä oli täynnä vastuita, mukaan lukien se, että tasavirtaa ei voitu käyttää valaistukseen ja se oli erittäin vaarallinen, mikä vaati paksuja eristekerroksia. Tänä aikana keksijä nimeltä William Stanley tuotti induktiokelan, laitteen, joka kykenee luomaan vaihtovirtaa (AC). Tuolloin Stanley keksinyt tämän keksinnön, fyysikot tiesivät AC-ilmiöstä ja sen eduista mitä sähkönsyötöllä olisi, mutta kukaan ei olisi kyennyt keksimään keinoja toimittaa vaihtovirtaa suurella alueella mittakaavassa. Stanleyn induktiokäämi olisi mallina kaikille laitteen tuleville muunnelmille.

Stanley tuli melkein asianajajaksi ennen kuin päätti työskennellä sähköasentajana. Hän aloitti New Yorkissa, ennen kuin muutti Pittsburghiin, missä hän alkoi työskennellä muuntajaansa. Hän rakensi ensimmäisen kunnallisen vaihtovirtajärjestelmän vuonna 1886 Great Barringtonin kaupunkiin, Massachusettsiin. Vuosisadan vaihteen jälkeen General Electric osti hänen voimayhtiönsä.

Muuntaja voi sekä lisätä (lisätä) että vähentää (vähentää) virtajohtojen kautta kulkevaa jännitettä. Tämä on löyhästi analoginen tapaan, jolla verenkiertoelimistö voi lisätä tai vähentää veren tarjontaa tiettyihin kehon osiin kysynnästä riippuen. Kun veri ("voima") lähtee sydämestä ("voimalaitos"), saavuttaakseen sarjan haarautumispisteitä, se voi päättyä matkustaa alavartalo ylävartalon sijasta ja sitten oikeaan jalkaan vasemman sijasta ja sitten vasikalle reiden sijasta, jne. Tätä säätelee kohde-elinten ja kudosten verisuonten laajeneminen tai supistuminen. Kun sähköä tuotetaan voimalaitoksessa, muuntajat nostavat jännitettä muutamasta tuhanteen satoihin tuhansiin kaukolähetystä varten. Kun nämä johdot saavuttavat pisteitä, joita kutsutaan tehoasemiksi, muuntajat pienentävät jännitteen alle 10000 volttiin. Olet todennäköisesti nähnyt näitä sähköasemia ja niiden keskitason muuntajia matkoillasi; muuntajat on yleensä sijoitettu laatikoihin ja näyttävät vähän kuin tienvarsiin istutetut jääkaapit.

Kun sähkö lähtee näistä asemista, mitä se voi yleensä tehdä useisiin eri suuntiin, se kohtaa muita muuntajia lähempänä päätepistettään osastoissa, naapurustoissa ja yksilöissä kodeissa. Nämä muuntajat pienentävät jännitettä alle 10000 voltista 240: n läheisyyteen - yli 1000 kertaa vähemmän kuin tyypilliset maksimitasot, jotka nähdään pitkän matkan suurjännitelangoissa.

Muuntajat ovat tietysti vain yksi osa ns. Sähköverkkoa, johdinjärjestelmän nimi, kytkimet ja muut laitteet, jotka tuottavat, lähettävät ja ohjaavat sähköä mistä se on tuotettu, mihin se on lopulta käytetty.

Ensimmäinen vaihe sähkövirran luomisessa on saada generaattorin akseli pyörimään. Vuodesta 2018 lähtien tämä tapahtuu useimmiten fossiilisten polttoaineiden, kuten kivihiilen, öljyn tai maakaasun, palamisessa vapautuvalla höyryllä. Ydinvoimalaitokset ja muut "puhtaat" energiantuottajat, kuten vesivoimalaitokset ja tuulimyllylaitokset, voivat myös hyödyntää generaattorin käyttämiseen tarvittavaa energiaa tai tuottaa sitä. Joka tapauksessa näissä laitoksissa syntyvää sähköä kutsutaan kolmivaiheiseksi tehoksi. Tämä johtuu siitä, että nämä vaihtovirtageneraattorit tuottavat sähköä, joka värähtelee asetetun minimin ja maksimin välillä jännitetaso, ja jokainen kolmesta vaiheesta siirtyy 120 astetta eteenpäin ja sen takana olevista aika. (Kuvittele, että kävelet edestakaisin 12-metrisen kadun yli, kun taas kaksi muuta ihmistä tekevät saman, mikä tekee 24-metrisen meno-paluu, paitsi että toinen kahdesta muusta ihmisestä on aina 8 metriä edelläsi ja toinen on 8 metriä takana sinä. Joskus kaksi teistä kävelee yhteen suuntaan, kun taas toisinaan kaksi teistä kävelee toiseen suuntaan vaihtelemalla liikkeiden summaa, mutta ennakoitavalla tavalla. Näin kolmivaiheinen vaihtovirta toimii löyhästi.)

Ennen kuin sähkö lähtee voimalaitokselta, se kohtaa muuntajan ensimmäistä kertaa. Tämä on ainoa kohta, jossa muuntaja sähköverkossa lisää huomattavasti jännitettä sen sijaan, että vähentäisi sitä. Tätä vaihetta tarvitaan, koska sähkö pääsee sitten suuriin siirtolinjoihin kolmena ryhmänä, yksi kutakin tehovaihetta kohden, ja joidenkin siitä voi joutua kulkemaan noin 300 mailia.

Jossain vaiheessa sähkö kohtaa sähköaseman, jossa muuntajat pienentävät jännitteen a: ksi taso, joka soveltuu pienemmälle avainasemalle kuuluville sähkölinjoille, jotka näet naapurustossa tai maaseudulla moottoriteitä. Tässä tapahtuu sähköntoimitus (toisin kuin siirto), koska linjat yleensä jättävät virran sähköasemat useisiin suuntiin, aivan kuten monet valtimoista, jotka haarautuvat pääverisuonesta suurin piirtein samalle tasolle risteyksessä.

Voimalaitokselta sähkö siirtyy naapurustoon ja lähtee paikallisista sähkölinjoista (jotka ovat yleensä "puhelinpylväillä") päästäksesi yksittäisiin asuinpaikkoihin. Pienemmät muuntajat (joista monet näyttävät pieniltä metalliset roskakorit) vähentävät jännitteen noin 240 volttiin, jotta se pääsee koteihin ilman suurta tulipalon tai muun vakavan onnettomuuden vaaraa.

Muuntajien ei tarvitse pelkästään tehdä työtä jännitteen manipuloimiseksi, vaan niiden on myös oltava kestäviä vaurioille, olipa kyse luonnon tekoista, kuten tuulimyrskyt tai tarkoituksellisista ihmisen suunnittelemista hyökkäyksistä. Voimaverkkoa ei ole mahdollista pitää poissa elementtien tai ihmisten väärintekijöiden ulottuvilta, mutta sama kuin sähköverkko, on ehdottoman välttämätöntä nykyelämälle. Tämä haavoittuvuuden ja välttämättömyyden yhdistelmä on saanut Yhdysvaltain sisäisen turvallisuuden ministeriön ryhtymään kiinnostus amerikkalaisen sähköverkon suurimpiin muuntajiin, joita kutsutaan suuriksi tehomuuntajiksi, tai LPT. Näiden voimalaitoksissa sijaitsevien massiivisten muuntajien toiminta voi painaa 100-400 tonnia ja maksaa miljoonia dollaria, on välttämätöntä jokapäiväisen elämän ylläpitämiselle, koska yhden epäonnistuminen voi johtaa laajaan sähkökatkoon alueella. Nämä ovat muuntajia, jotka lisäävät jännitettä dramaattisesti ennen kuin sähkö pääsee pitkän matkan suurjännitekaapeleihin.

Vuodesta 2012 lähtien LPT: n keski-ikä Yhdysvalloissa oli noin 40 vuotta. Jotkut tämän päivän huippuluokan erittäin korkeajännitemuuntajista (EHV) ovat nimeltään 345 000 volttia, ja muuntajien kysyntä kasvaa sekä Yhdysvalloissa ja maailmanlaajuisesti pakottaen Yhdysvaltain hallituksen etsimään tapoja korvata nykyiset LPT: t tarpeen mukaan ja kehittää uusia suhteellisen alhaisella tasolla kustannus.

Muuntaja on pohjimmiltaan suuri, neliömäinen magneetti, jonka keskellä on reikä. Sähkö tulee toiselle puolelle johtojen läpi, jotka on kääritty useita kertoja muuntajan ympärille, ja lähtee vastakkaiselle puolelle johtojen kautta, jotka on kääritty eri kertoja muuntajan ympärille. Sähkön syöttö indusoi magneettikentän muuntajassa, mikä puolestaan ​​aiheuttaa sähkökentän muissa johtimissa, jotka sitten kuljettavat virtaa pois muuntajalta.

Fysiikan tasolla muuntaja toimii hyödyntämällä Faradayn lakia, jonka mukaan kahden kelan jännitesuhde on yhtä suuri kuin vastaavien kelojen kierrosten lukumäärä. Jos muuntajassa tarvitaan alennettua jännitettä, toinen (lähtevä) kela sisältää vähemmän kierroksia kuin ensiö (tuleva) kela.