Koks yra transformatoriaus tikslas?

Daugelis žmonių tikriausiai yra girdėję apie transformatorius ir žino, kad jie yra vis akivaizdaus, tačiau vis dar esančio daikto dalis paslaptingas elektros tinklas, tiekiantis elektrą namams, įmonėms ir visoms kitoms vietoms, kur yra „sultys“ reikia. Tačiau tipiškas žmogus mėgaujasi išmokdamas smulkesnių elektros energijos tiekimo taškų, galbūt dėl ​​to, kad visas procesas atrodo uždengtas pavojumi. Vaikai nuo mažų dienų mokosi, kad elektra gali būti labai pavojinga, ir visi supranta, kad bet kokia energetikos įmonės laidai dėl geros priežasties laikomi aukštai ir nepasiekiami (arba kartais užkasami žemėje).

Bet elektros tinklas iš tikrųjų yra žmogaus inžinerijos triumfas, be kurio civilizacija būtų neatpažįstama nuo tos, kurioje šiandien gyvenate. Transformatorius yra pagrindinis elementas valdant ir tiekiant elektrą iš taško, kuriame jis yra gaminamas elektrinėse iki pat patekimo į namus, biurų pastatą ar kitą galą Kelionės tikslas.

Pagalvokite apie užtvanką, sulaikančią milijonus litrų vandens, kad susidarytų dirbtinis ežeras. Kadangi upė, maitinanti šį ežerą, ne visada tiekia tą patį vandens kiekį į vietovę, o jos vandenys linkę pakilti pavasarį, tirpstant sniegui daugelyje vietovių, o vasarą atoslūgiu, esant sausesniam laikui, bet kurioje veiksmingoje ir saugioje užtvankoje turi būti įrengti kurie leidžia geriau kontroliuoti vandenį nei paprasčiausiai sustabdyti jo tekėjimą, kol lygis pakils tiek, kad vanduo tiesiog išsilieja per jį. Todėl užtvankose yra visokie šliuziniai vartai ir kiti mechanizmai, kurie lemia vandens kiekį pereiti į žemupio užtvankos pusę, nepriklausomai nuo vandens slėgio aukštupyje pusėje.

Apytiksliai taip veikia transformatorius, išskyrus tai, kad tekanti medžiaga yra ne vanduo, o elektros srovė. Transformatoriai naudojami manipuliuojant įtampos, tekančios per bet kurį elektros tinklo tašką (aprašyta toliau labai išsamiai), lygiu perdavimo efektyvumui ir pagrindinei saugai. Akivaizdu, kad tai yra finansiškai ir praktiškai naudinga tiek vartotojams, tiek elektrinės savininkams ir tinklą, kad būtų išvengta energijos nuostolių tarp elektros energijos išėjimo iš jėgainės ir jos pasiekimo namuose ar kituose paskirties vietos. Kita vertus, jei įtampa, einanti per įprastą aukštos įtampos maitinimo laidą, prieš patenkant į jūsų namus nebūtų sumažinta, sukeltų chaosą ir nelaimę.

Įtampa yra elektrinio potencialo skirtumo matas. Nomenklatūra gali būti paini, nes daugelis studentų girdėjo terminą „potenciali energija“, todėl lengva supainioti įtampą su energija. Tiesą sakant, įtampa yra elektros potencialo energija vienam įkrovos vienetui arba džauliai kulonui (J / C). Kulonas yra standartinis fizinio krūvio vienetas. Vienam elektronui priskiriama -1,609 × 10^-19 kulonais, tuo tarpu protonas neša krūvį, kurio dydis yra vienodas, bet kryptis priešinga (t. y. teigiamas krūvis).

Pagrindinis žodis čia iš tikrųjų yra „skirtumas“. Priežastis, kad elektronai teka iš vienos vietos į kitą, yra įtampos skirtumas tarp dviejų atskaitos taškų. Įtampa nurodo reikalingą darbo kiekį mokesčio už vienetą perkelti krūvį prieš elektrinį lauką iš pirmo taško į antrą. Norėdami įgyti masto jausmą, žinokite, kad tolimojo perdavimo laidai paprastai perduoda nuo 155 000 iki 765 000 voltų, tuo tarpu į namus patenkanti įtampa paprastai yra 240 voltų.

1880-aisiais elektros paslaugų teikėjai naudojo nuolatinę srovę (DC). Tai buvo kupina įsipareigojimų, įskaitant tai, kad nuolatinė srovė negalėjo būti naudojama apšvietimui ir buvo labai pavojinga, todėl reikėjo storų izoliacijos sluoksnių. Per šį laiką išradėjas, vardu Williamas Stanley, pagamino indukcinę ritę - prietaisą, galintį sukurti kintamą srovę (AC). Tuo metu, kai Stanley sugalvojo šį išradimą, fizikai žinojo apie AC reiškinį ir jo pranašumus energijos tiekimo požiūriu, tačiau niekas negalėjo sugalvoti, kaip tiekti kintamąją srovę skalė. „Stanley“ indukcinė ritė būtų visų būsimų prietaiso variantų šablonas.

Stanley vos netapo teisininku, prieš nusprendęs dirbti elektriku. Jis pradėjo Niujorke prieš persikeldamas į Pitsburgą, kur pradėjo dirbti su savo transformatoriumi. Pirmąją savivaldybės kintamosios srovės sistemą jis pastatė 1886 m. Didžiojo Barringtono mieste, Masačusetse. Po amžių sandūros jo energetikos bendrovę nusipirko „General Electric“.

Transformatorius gali tiek padidinti (sustiprinti), tiek sumažinti (sumažinti) įtampą, einančią per maitinimo laidus. Tai yra visiškai analogiška tam, kaip kraujotakos sistema gali padidinti arba sumažinti kraujo tiekimą tam tikroms kūno dalims, priklausomai nuo poreikio. Kai kraujas („jėga“) palieka širdį („jėgainę“), pasiekia daugybę šakos taškų, jis gali baigtis keliaudamas į apatinė kūno dalis, o ne viršutinė kūno dalis, tada į dešinę koją, o ne kairę, ir tada į blauzdą, o ne šlaunį, ir kt. Tai reguliuoja tikslinių organų ir audinių kraujagyslių išsiplėtimas ar susiaurėjimas. Kai elektrinėje gaminama elektra, transformatoriai tolimojo perdavimo tikslais padidina įtampą nuo kelių tūkstančių iki šimtų tūkstančių. Kai šie laidai pasiekia taškus, vadinamus elektros pastotėmis, transformatoriai sumažina įtampą iki 10 000 voltų. Jūs tikriausiai matėte šias pastotes ir jų vidutinio lygio transformatorius kelionėse; transformatoriai dažniausiai būna dėžėse ir panašūs į kelkraščiuose pasodintus šaldytuvus.

Kai elektra išeina iš šių stočių, o tai paprastai gali padaryti įvairiomis kryptimis, ji susiduria su kitais transformatoriais, esančiais arčiau jo galinio taško padaliniuose, rajonuose ir atskiruose namus. Šie transformatoriai sumažina įtampą nuo mažiau nei 10 000 voltų iki 240 armatūros - daugiau nei 1 000 kartų mažiau nei įprasti maksimalūs lygiai, matomi didelio atstumo aukštos įtampos laiduose.

Transformatoriai, žinoma, yra tik vienas vadinamojo elektros tinklo komponentas, laidų sistemos pavadinimas, jungikliai ir kiti prietaisai, gaminantys, siunčiantys ir valdantys elektros energiją iš ten, kur ji yra sukurta, ten, kur yra galiausiai naudojamas.

Pirmasis žingsnis kuriant elektros energiją yra sukti generatoriaus veleną. Nuo 2018 m. Dažniausiai tai daroma naudojant iškastinio kuro, pvz., Akmens anglies, naftos ar gamtinių dujų, degimo metu išsiskiriančius garus. Atominės elektrinės ir kiti „švarios“ energijos generatoriai, tokie kaip hidroelektrinės ir vėjo malūnų parkai, taip pat gali panaudoti arba pagaminti energiją, reikalingą generatoriui valdyti. Bet kokiu atveju šiose jėgainėse generuojama elektra vadinama trifaze. Taip yra todėl, kad šie kintamosios srovės generatoriai sukuria elektrą, kuri svyruoja tarp nustatyto minimalaus ir didžiausio įtampos lygį, o kiekvieną iš trijų fazių nuo priekyje esančių ir už jo esančių poslinkių atsveria 120 laipsnių laikas. (Įsivaizduokite, kad einate pirmyn ir atgal per 12 metrų gatvę, o kiti du žmonės daro tą patį - 24 metrų pirmyn ir atgal, išskyrus tai, kad vienas iš kitų dviejų žmonių visada priekyje yra 8 metrai, o kitas - 8 metrais tu. Kai kuriais atvejais du iš jūsų eisite viena kryptimi, o kitu metu judėsite kita kryptimi, keisdami judesių sumą, tačiau nuspėjamai. Tai laisvai veikia trifazis kintamosios srovės maitinimas.)

Prieš elektrai išeinant iš elektrinės, ji pirmą kartą susiduria su transformatoriumi. Tai vienintelis taškas, kai elektros tinklo transformatoriai žymiai padidina įtampą, o ne sumažina ją. Šis žingsnis reikalingas, nes tada elektra patenka į dideles perdavimo linijas po tris, po vieną kiekvienai galios fazei, o kai kurioms iš jų gali tekti nuvažiuoti maždaug 300 mylių.

Tam tikru momentu elektra susiduria su elektros pastotimi, kur transformatoriai sumažina įtampą iki a lygis tinkamas mažesnio klavišo elektros linijoms, kurias matote mikrorajonuose arba einančiose kaimo vietovėse greitkeliai. Čia įvyksta elektros energijos paskirstymo (priešingai nei perdavimo) etapas, nes linijos paprastai palieka galią pastotės įvairiomis kryptimis, kaip ir daugybė arterijų, išsišakojančių nuo pagrindinės kraujagyslės, daugmaž vienodos sandūra.

Iš elektros pastotės elektra patenka į mikrorajonus ir palieka vietines elektros linijas (kurios paprastai yra „telefono stulpuose“), kad patektų į atskiras rezidencijas. Mažesni transformatoriai (kurių dauguma atrodo kaip mažos metalinės šiukšliadėžės) sumažina įtampą iki maždaug 240 voltų, todėl gali patekti į namus nerizikuodami sukelti gaisro ar kitos rimtos nelaimės.

Transformatoriai turi ne tik dirbti su įtampa, bet ir būti atsparūs žalai, nesvarbu, ar tai būtų gamtos veiksmai, pavyzdžiui, vėjo audros ar tikslingi žmogaus sukurti išpuoliai. Neįmanoma išlaikyti elektros tinklo nepasiekiamiems elementų ar žmonių piktadarių, tačiau tas pats, elektros tinklas yra gyvybiškai svarbus šiuolaikiniam gyvenimui. Šis pažeidžiamumo ir būtinybės derinys paskatino JAV Tėvynės saugumo departamentą imtis veiksmų susidomėjimas didžiausiais Amerikos elektros tinklo transformatoriais, vadinamais dideliais galios transformatoriais, arba LPT. Šių masyvių transformatorių, esančių elektrinėse, funkcija gali sverti nuo 100 iki 400 tonų ir kainuoti milijonus dolerių, yra būtinas palaikant kasdienį gyvenimą, nes vieno nesėkmė gali sukelti elektros energijos tiekimo sutrikimus srityje. Tai transformatoriai, kurie smarkiai padidina įtampą, kol elektra nepatenka į tolimojo aukšto įtempimo laidus.

Nuo 2012 m. Vidutinis LPT amžius JAV buvo apie 40 metų. Kai kurie šiuolaikiniai aukščiausios klasės aukštos įtampos (EHV) transformatoriai yra įvertinti 345 000 voltų įtampa, o transformatorių paklausa auga tiek JAV ir visame pasaulyje verčia JAV vyriausybę ieškoti būdų, kaip pakeisti esamus LPT, jei reikia, ir kurti naujus palyginti žemai išlaidos.

Transformatorius iš esmės yra didelis, kvadratinis magnetas, kurio viduryje yra skylė. Elektra patenka iš vienos pusės laidais, apvyniotais kelis kartus aplink transformatorių, ir išeina iš priešingos pusės laidais, apvyniotais skirtingą skaičių kartų aplink transformatorių. Įvedus elektrą, transformatoriuje sužadinamas magnetinis laukas, kuris savo ruožtu sužadina elektrinį lauką kituose laiduose, kurie paskui atiduoda energiją nuo transformatoriaus.

Fizikos lygiu transformatorius veikia pasinaudodamas Faradėjaus dėsniu, kuris teigia, kad dviejų ritių įtampos santykis yra lygus atitinkamų ritinių posūkių skaičiaus santykiui. Taigi, jei transformatoriuje reikalinga sumažinta įtampa, antrojoje (išeinančioje) ritėje yra mažiau posūkių nei pirminėje (įeinančioje) ritėje.