変圧器の目的は何ですか？

ほとんどの人はおそらく変圧器について聞いたことがあるでしょうし、それらが今までにない証拠の一部であることを知っています 家庭、企業、その他「ジュース」が存在するあらゆる場所に電力を供給する不思議な電力網 必要です。 しかし、おそらくプロセス全体が危険にさらされているように見えるため、一般的な人は電力供給のより細かい点を学ぶことに躊躇します。 子供たちは幼い頃から電気は非常に危険である可能性があることを学び、誰もが 電力会社の電線は、正当な理由で手の届かないところに高く保たれています（または地面に埋もれていることもあります）。

しかし、電力網は実際には人間工学の勝利であり、それがなければ、今日あなたが住んでいる文明からは文明を認識できません。 変圧器は、変圧器が設置された時点からの電力の制御と供給における重要な要素です。 それが家、オフィスビルまたは他の端に入る直前まで発電所で生産されます 先。

数百万ガロンの水を抑えて人工湖を形成するダムを考えてみてください。 この湖に水を供給する川は、必ずしも同じ量の水をその地域に運ぶとは限らないため、その水は 多くの地域で雪が溶けた後の春、乾燥した時期の夏の衰退、効果的で安全なダムには装置を取り付ける必要があります これにより、水位が上がりすぎて水がこぼれるまで水が流れるのを単に止めるよりも、水をより細かく制御できます。 その上。 したがって、ダムには、あらゆる種類の水門や、水量を決定するその他のメカニズムが含まれています。 上流の水圧の量に関係なく、ダムの下流側に通過します 側。

これは、流れる材料が水ではなく電流であることを除いて、大まかに変圧器がどのように機能するかです。 変圧器は、送電効率と基本的な安全性のバランスをとる方法で、電力網の任意のポイントを流れる電圧のレベルを操作するのに役立ちます（以下で詳細に説明します）。 明らかに、それは発電所の消費者と所有者の両方にとって財政的および実際的に有利であり、 発電所を出てから家や他の場所に到達するまでの電力の損失を防ぐためのグリッド 目的地。 一方、一般的な高圧電線を流れる電圧が家に入る前に減らされていないと、混乱や災害が発生します。

電圧は電位差の尺度です。 多くの学生が「位置エネルギー」という用語を聞いたことがあるため、命名法が混乱する可能性があり、電圧とエネルギーを混同しやすくなります。 実際、電圧は単位電荷あたりの電位エネルギー、またはクーロンあたりのジュール（J / C）です。 クーロンは、物理学における電荷の標準単位です。 単一の電子には-1.609×10が割り当てられます

ここでのキーワードは、実は「違い」です。 電子がある場所から別の場所に流れる理由は、2つの基準点間の電圧の差です。 電圧は、必要となる作業量を表します 単位料金あたり 電界に対する電荷を最初のポイントから2番目のポイントに移動します。 スケール感を得るには、長距離送電線は通常155,000〜765,000ボルトを伝送しますが、家庭に入る電圧は通常240ボルトであることを知っておいてください。

1880年代、電気サービスプロバイダーは直流（DC）を利用していました。 これには、DCを照明に使用できず、非常に危険であり、厚い絶縁層が必要であるという事実などの責任が伴いました。 この間、ウィリアム・スタンリーという発明者が、交流（AC）を生成できるデバイスである誘導コイルを製造しました。 スタンリーが本発明を思いついたとき、物理学者はACの現象とその利点を知っていました。 電源に関しては持っていたでしょうが、誰も大規模なACを提供する手段を思い付くことができませんでした 規模。 スタンレーの誘導コイルは、デバイスの将来のすべてのバリエーションのテンプレートとして機能します。

スタンリーは、電気技師として働くことを決定する前に、ほぼ弁護士になりました。 彼はニューヨーク市で始まり、ピッツバーグに移り、そこで変圧器の作業を始めました。 彼は1886年にマサチューセッツ州グレートバリントンの町に最初の地方自治体のAC電力システムを建設しました。 世紀の変わり目の後、彼の電力会社はゼネラルエレクトリックに買収されました。

変圧器は、電力線を通過する電圧を増加（ステップアップ）または減少（減少）することができます。 これは、循環器系が需要に応じて体の特定の部分への血液の供給を増減できる方法と大まかに類似しています。 血液（「力」）が心臓（「発電所」）を離れた後、一連の分岐点に到達するために、血液は最終的に心臓に移動する可能性があります。 上半身の代わりに下半身、左の代わりに右脚、太ももの代わりにふくらはぎ、 等 これは、標的の臓器や組織の血管の拡張または収縮によって支配されます。 発電所で発電されると、変圧器は長距離送電の目的で電圧を数千から数十万にブーストします。 これらの電線が変電所と呼ばれる地点に到達すると、変圧器は電圧を10,000ボルト未満に下げます。 あなたはおそらくあなたの旅行でこれらの変電所とそれらの中間レベルの変圧器を見たことがあるでしょう。 変圧器は通常箱に収納されており、道端に植えられた冷蔵庫のように見えます。

電気がこれらの駅を出るとき、それは通常多くの異なる方向に行くかもしれません、それは サブディビジョン、近隣、個人のエンドポイントに近い他の変圧器に遭遇します 家。 これらの変圧器は、電圧を10,000ボルト未満から240付近に低減します。これは、長距離高圧配線で見られる一般的な最大レベルの1,000分の1以下です。

もちろん、変圧器は、ワイヤーのシステムの名前である、いわゆる電力網の1つのコンポーネントにすぎません。 電気を生成、送信、制御するスイッチやその他のデバイス。 最終的に使用されます。

電力を生成する最初のステップは、発電機のシャフトを回転させることです。 2018年の時点で、これはほとんどの場合、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料の燃焼で放出される蒸気を使用して行われます。 原子力発電所や、水力発電所や風車農場などの他の「クリーンな」エネルギー発電機も、発電機の駆動に必要なエネルギーを利用または生成できます。 いずれにせよ、これらの発電所で発電される電力は三相電力と呼ばれます。 これは、これらのAC発電機が、設定された最小値と最大値の間で振動する電気を生成するためです。 電圧レベル、および3つのフェーズのそれぞれは、その前後のフェーズから120度オフセットされています。 時間。 （他の2人が同じことをしているときに、12メートルの通りを行ったり来たりして、24メートルになると想像してみてください。 往復。ただし、他の2人の一方は常にあなたの8メートル先にあり、もう一方は8メートル後ろにあります。 君は。 2人が一方向に歩く場合もあれば、2人が反対方向に歩く場合もあり、動きの合計は予測可能な方法で変化します。 これは大まかに三相AC電源の仕組みです。）

電気が発電所を出る前に、それは初めて変圧器に遭遇します。 これは、電力網の変圧器が電圧を下げるのではなく、著しく上げる唯一のポイントです。 このステップが必要なのは、電力が電力の各フェーズに1つずつ、3つのセットで大きな送電線に入るためです。一部の送電線は最大300マイルほど移動する必要がある場合があります。

ある時点で、電力は変電所に遭遇し、そこで変圧器が電圧を 近所や田舎を走る、より控えめな電力線に適したレベル 高速道路。 これは、送電線が通常電力を離れるため、電力供給の（送電ではなく）配電フェーズが発生する場所です。 多かれ少なかれ同じで主要な血管から分岐する多くの動脈のように、多くの方向の変電所 ジャンクション。

変電所から、電気は近所に流れ、地元の電力線（通常は「電柱」にあります）を出て、個々の住居に入ります。 小型の変圧器（多くは小さな金属製のゴミ箱のように見えます）は、電圧を約240ボルトに下げるため、火災やその他の重大な事故を引き起こす大きなリスクなしに家に入ることができます。

変圧器は、電圧を操作する仕事をする必要があるだけでなく、暴風や意図的な人間による攻撃などの自然の行為による損傷に対しても耐性がなければなりません。 電力網を要素や人間の悪党の手の届かないところに置くことは現実的ではありませんが、同じように、電力網は現代の生活に絶対に不可欠です。 この脆弱性と必要性​​の組み合わせにより、米国国土安全保障省は 大型電力変圧器と呼ばれる、アメリカの電力網で最大の変圧器への関心、または LPT。 これらの巨大な変圧器の機能は、発電所内にあり、重量が100〜400トンで、数百万の費用がかかる可能性があります。 ドルは、日常生活の維持に不可欠です。1つでも故障すると、広範囲にわたる停電につながる可能性があるためです。 範囲。 これらは、電気が長距離高圧線に入る前に電圧を劇的に上昇させる変圧器です。

2012年の時点で、米国のLPTの平均年齢は約40歳でした。 今日のトップエンドの超高電圧（EHV）変圧器のいくつかは、定格が345,000ボルトであり、変圧器の需要は、 米国および世界的に、米国政府は、必要に応じて既存のLPTを置き換える方法と、比較的低いレベルで新しいLPTを開発する方法の両方を模索することを余儀なくされています。 費用。

変圧器は基本的に、中央に穴が開いた大きな正方形の磁石です。 電気は、変圧器の周りに何度も巻かれたワイヤーを介して一方の側に入り、変圧器の周りに異なる回数巻き付けられたワイヤーを介して反対側に出ます。 電気が入ると、変圧器に磁界が誘導され、それが他のワイヤに電界を誘導し、それが変圧器から電力を運び去ります。

物理学のレベルでは、変圧器は、2つのコイルの電圧比がそれぞれのコイルの巻数の比に等しいというファラデーの法則を利用して動作します。 したがって、変圧器で電圧を下げる必要がある場合、2番目の（発信）コイルには、1番目の（着信）コイルよりも少ない巻数が含まれます。