Koja je svrha transformatora?

Većina ljudi je vjerojatno čula za transformatore i svjesni su da su oni dio uvijek evidentnog, a opet mirnog stanja tajanstvena elektroenergetska mreža koja isporučuje električnu energiju kućama, tvrtkama i svim ostalim mjestima gdje je "sok" potrebno. Ali tipična osoba zaokuplja učenje o finijim točkama isporuke električne energije, možda zato što se čini da je čitav taj proces prikriven opasnošću. Djeca od malih nogu uče da električna energija može biti vrlo opasna i svi to shvate Žice elektroenergetskog poduzeća s dobrim se razlogom drže visoko izvan dosega (ili ponekad zakopane u zemlju).

Ali elektroenergetska mreža zapravo je trijumf ljudskog inženjerstva, bez kojega civilizacija ne bi bila prepoznatljiva od one u kojoj danas živite. Transformator je ključni element u kontroli i isporuci električne energije od točke u kojoj je proizvodi se u elektranama do neposredno prije ulaska u dom, poslovnu zgradu ili neki drugi kraj odredište.

Zamislite branu koja zadržava milijune litara vode kako bi stvorila umjetno jezero. Budući da rijeka koja hrani ovo jezero ne nosi uvijek jednaku količinu vode na to područje, a njegove vode imaju tendenciju rasta u proljeće nakon otapanja snijega u mnogim područjima i padanja ljeti tijekom sušnijeg vremena, svaka učinkovita i sigurna brana mora biti opremljena uređajima koji omogućuju finiju kontrolu vode nego što je jednostavno zaustavljanje da teče dok se razina toliko ne povisi da se voda jednostavno prolije preko toga. Brane stoga uključuju sve vrste vratašca i druge mehanizme koji određuju koliko će vode prijeći na nizvodnu stranu brane, neovisno o količini tlaka vode na uzvodnoj strana.

Otprilike tako radi transformator, osim što materijal koji teče nije voda već električna struja. Transformatori služe za manipulaciju razinom napona koji prolazi kroz bilo koju točku u elektroenergetskoj mreži (detaljno opisano u nastavku) na način da se uravnoteži učinkovitost prijenosa s osnovnom sigurnošću. Jasno je da je to financijski i praktično povoljno i za potrošače i za vlasnike elektrane i mreža za sprečavanje gubitaka električne energije između napuštanja električne energije iz elektrane i njenih domova ili drugih odredišta. S druge strane, ako se količina napona koja prolazi kroz tipičnu visokonaponsku žicu za napajanje ne umanji prije ulaska u vaš dom, nastao bi kaos i katastrofa.

Napon je mjera razlike električnog potencijala. Nomenklatura može zbuniti jer su mnogi studenti čuli izraz "potencijalna energija", što olakšava miješanje napona s energijom. Zapravo je napon električna potencijalna energija po jedinici naboja ili džula po kulonu (J / C). Kulon je standardna jedinica električnog naboja u fizici. Jednom elektronu je dodijeljeno -1,609 × 10^-19 kuloma, dok proton nosi naboj jednak po veličini, ali suprotan u smjeru (tj. pozitivan naboj).

Ključna je riječ ovdje, zapravo, "razlika". Razlog zašto elektroni prelaze s jednog mjesta na drugo je razlika u naponu između dvije referentne točke. Napon predstavlja količinu posla koji bi trebao biti potreban po jedinici punjenja za pomicanje naboja protiv električnog polja iz prve točke u drugu. Da biste stekli osjećaj razmjera, znajte da dalekovodne prijenosne žice obično nose od 155 000 do 765 000 volti, dok napon koji ulazi u kuću obično iznosi 240 volta.

U 1880-ima davatelji električnih usluga koristili su istosmjernu struju (DC). To je bilo ispunjeno obvezama, uključujući činjenicu da se istosmjerna struja ne može koristiti za osvjetljenje i da je vrlo opasna, zahtijevajući debele slojeve izolacije. Za to vrijeme izumitelj po imenu William Stanley proizveo je indukcijsku zavojnicu, uređaj sposoban za stvaranje izmjenične struje (AC). U vrijeme kad je Stanley smislio ovaj izum, fizičari su znali za fenomen izmjenične struje i njegove prednosti u smislu napajanja, ali nitko nije uspio smisliti način isporuke izmjeničnog napajanja na veliko ljestvica. Stanleyjeva indukcijska zavojnica poslužila bi kao predložak za sve buduće inačice uređaja.

Stanley je zamalo postao odvjetnik prije nego što je odlučio raditi kao električar. Počeo je u New Yorku prije nego što se preselio u Pittsburgh, gdje je počeo raditi na svom transformatoru. Izgradio je prvi općinski sustav izmjeničnog napajanja 1886. godine u gradu Great Barrington u Massachusettsu. Nakon prijelaza stoljeća, njegovu električnu tvrtku kupio je General Electric.

Transformator može povećati (povećati) ili smanjiti (smanjiti) napon koji putuje kroz električne žice. To je slabo analogno načinu na koji krvožilni sustav može povećati ili smanjiti opskrbu određenim dijelovima tijela krvlju, ovisno o potražnji. Nakon što krv ("snaga") napusti srce ("elektrana"), da bi dosegla niz točaka odvojaka, može završiti putujući do donji dio tijela umjesto gornjeg dijela tijela, a zatim na desnu nogu umjesto na lijevu, a zatim na tele umjesto bedra, itd. To se regulira širenjem ili suženjem krvnih žila u ciljanim organima i tkivima. Kada se električna energija generira u elektrani, transformatori pojačavaju napon od nekoliko tisuća do stotina tisuća u svrhu dalekog prijenosa. Kako ove žice dosežu točke koje se nazivaju trafostanice, transformatori smanjuju napon na ispod 10 000 volti. Vjerojatno ste na svojim putovanjima vidjeli ove trafostanice i njihove transformatore srednje razine; transformatori su obično smješteni u kutijama i pomalo nalikuju hladnjacima postavljenim uz cestu.

Kad struja napusti ove stanice, što obično može učiniti u više različitih smjerova, to i čini nailazi na druge transformatore bliže krajnjoj točki u pododjeljenjima, četvrtima i pojedincima domova. Ovi transformatori smanjuju napon s ispod 10 000 volti na oko 240 - više od 1000 puta manje od tipičnih maksimalnih razina koje se vide u visokonaponskim žicama na velike udaljenosti.

Transformatori su, naravno, samo jedna komponenta takozvane električne mreže, naziv za sustav žica, prekidači i drugi uređaji koji proizvode, šalju i kontroliraju električnu energiju od mjesta na kojem se proizvodi do mjesta na kojem je u konačnici korišteno.

Prvi korak u stvaranju električne energije je okretanje osovine generatora. Od 2018. godine to se najčešće radi pomoću pare koja se oslobađa izgaranjem fosilnog goriva, poput ugljena, nafte ili prirodnog plina. Nuklearne elektrane i drugi "čisti" generatori energije, kao što su hidroelektrane i farme vjetrenjača, također mogu iskoristiti ili proizvesti energiju potrebnu za pogon generatora. Bez obzira na slučaj, električna energija koja se proizvodi u tim postrojenjima naziva se trofazna snaga. To je zato što ovi generatori izmjenične struje stvaraju električnu energiju koja oscilira između postavljenog minimuma i maksimuma razine napona, a svaka od tri faze pomaknuta je za 120 stupnjeva od onih ispred i iza vrijeme. (Zamislite da hodate naprijed-natrag 12-metarskom ulicom dok još dvije osobe rade isto, praveći 24-metara kružno putovanje, osim što je jedna od druge dvije osobe uvijek 8 metara ispred vas, a druga 8 metara iza vas. Ponekad ćete dvoje hodati u jednom smjeru, dok ćete drugi puta hodati u drugom smjeru, mijenjajući zbroj svojih pokreta, ali na predvidljiv način. Trofazna izmjenična struja slabo funkcionira na ovaj način.)

Prije nego što struja napusti elektranu, prvi put nailazi na transformator. To je jedina točka u kojoj transformatori u elektroenergetskoj mreži znatno pojačavaju napon, a ne smanjuju ga. Ovaj je korak potreban jer električna energija tada ulazi u velike dalekovode u setovima od po tri, po jedan za svaku fazu napajanja, a neki od njih možda će morati prijeći i do 300 kilometara.

U nekom trenutku električna energija nailazi na trafostanicu, gdje transformatori smanjuju napon na a razina prikladna za vrlo niske elektroenergetske vodove koje vidite u susjedstvu ili koji idu duž ruralnih područja autoceste. Tu se događa faza distribucije (za razliku od prijenosa) isporuke električne energije, jer vodovi obično napuštaju struju trafostanice u više smjerova, baš kao i brojne arterije koje se odvajaju od glavne krvne žile na više ili manje istim spoj.

Iz trafostanice električna energija prelazi u susjedstvo i ostavlja lokalne dalekovode (koji su obično na "telefonskim stupovima") kako bi ušla u pojedinačna prebivališta. Manji transformatori (od kojih mnogi izgledaju kao male metalne kante za smeće) smanjuju napon na oko 240 volti, tako da može ući u domove bez velikog rizika da izazove požar ili neku drugu ozbiljnu nesreću.

Transformatori ne samo da trebaju raditi na manipulaciji naponom, već moraju biti i otporni na oštećenja, bilo to prirodnim djelima kao što su vjetrometine ili svrhoviti napadi koje je stvorio čovjek. Nije moguće držati elektroenergetsku mrežu izvan dosega elemenata ili ljudskih zločinca, ali isto tako, električna je mreža apsolutno od vitalnog značaja za suvremeni život. Ova kombinacija ranjivosti i nužnosti dovela je do američkog Ministarstva unutarnje sigurnosti interes za najveće transformatore u američkoj elektroenergetskoj mreži, zvane velike energetske transformatore, ili LPT. Funkcija ovih masivnih transformatora koji se nalaze u elektranama i mogu težiti od 100 do 400 tona i koštaju milijune dolara, neophodno je za održavanje svakodnevnog života, jer neuspjeh niti jednog može dovesti do nestanka struje u širokom rasponu područje. To su transformatori koji dramatično pojačavaju napon prije nego što električna energija uđe u velike naponske žice na velike udaljenosti.

Od 2012. godine prosječna starost LPT-a u SAD-u bila je oko 40 godina. Neki od današnjih vrhunskih visokonaponskih (EHV) transformatora procjenjuju se na 345 000 volti, a potražnja za transformatorima raste kako u SAD-u i globalno, prisiljavajući američku vladu da traži načine kako zamijeniti postojeće LPT-ove po potrebi, tako i razviti nove na relativno niskom nivou trošak.

Transformator je u osnovi veliki, četvrtasti magnet s rupom u sredini. Električna energija ulazi s jedne strane preko žica omotanih nekoliko puta oko transformatora, a odlazi s suprotne strane preko žica omotanih različiti broj puta oko transformatora. Ulazak u električnu energiju inducira magnetsko polje u transformatoru, koje pak inducira električno polje u ostalim žicama, koje zatim odvode snagu od transformatora.

Na razini fizike, transformator radi iskorištavanjem Faradayevog zakona koji kaže da je omjer napona dviju zavojnica jednak omjeru broja zavoja u odgovarajućim zavojnicama. Stoga, ako je na transformatoru potreban smanjeni napon, druga (odlazeća) zavojnica sadrži manje zavoja od primarne (dolazne) zavojnice.