Kāds ir transformatora mērķis?

Lielākā daļa cilvēku, iespējams, ir dzirdējuši par transformatoriem un zina, ka tie ir daļa no arvien acīmredzamā, tomēr joprojām noslēpumains elektrotīkls, kas piegādā elektrību mājām, uzņēmumiem un visām citām vietām, kur atrodas "sula" nepieciešams. Bet tipiskais cilvēks sāk mācīties smalkākos elektroenerģijas padeves punktus, iespējams, tāpēc, ka viss process, šķiet, ir apdraudēts. Bērni jau no mazotnes mācās, ka elektrība var būt ļoti bīstama, un visi saprot, ka tāda ir enerģētikas uzņēmuma vadi laba iemesla dēļ tiek turēti nepieejamā vietā (vai dažreiz tiek aprakti zemē).

Bet elektrotīkls faktiski ir cilvēku inženierijas triumfs, bez kura civilizācija nebūtu atpazīstama no tās, kuru jūs šodien apdzīvojat. Transformators ir galvenais elements elektroenerģijas kontrolē un piegādē no vietas, kurā tas notiek tiek ražots elektrostacijās līdz tieši pirms tās nonāk mājās, biroju ēkā vai citā galā galamērķis.

Padomājiet par aizsprostu, kas aiztur miljoniem galonu ūdens, lai izveidotu mākslīgu ezeru. Tā kā upe, kas baro šo ezeru, ne vienmēr uz apgabalu ved tādu pašu ūdens daudzumu, un tā ūdeņiem ir tendence pieaugt Pavasaris pēc sniega kušanas daudzviet un bēgums vasarā sausākā laikā, jebkurš efektīvs un drošs aizsprosts jāaprīko ar ierīcēm kas ļauj precīzāk kontrolēt ūdeni, nekā vienkārši apturēt tā tecēšanu, līdz līmenis tik ļoti paaugstinās, ka ūdens vienkārši izlīst pāri tam. Tāpēc aizsprostos ietilpst visa veida slūžu vārti un citi mehānismi, kas nosaka ūdens daudzumu iet uz aizsprosta lejteces pusi neatkarīgi no ūdens spiediena daudzuma augšpusē pusē.

Transformators darbojas aptuveni šādi, izņemot to, ka plūstošais materiāls ir nevis ūdens, bet gan elektriskā strāva. Transformatori kalpo, lai manipulētu ar sprieguma līmeni, kas plūst cauri jebkuram elektrotīkla punktam (ļoti detalizēti aprakstīts turpmāk) tādā veidā, lai līdzsvarotu pārraides efektivitāti ar pamata drošību. Skaidrs, ka tas ir finansiāli un praktiski izdevīgi gan patērētājiem, gan spēkstacijas īpašniekiem un lai novērstu enerģijas zudumus starp elektrības aiziešanu no elektrostacijas un tās nonākšanu mājās vai citur galamērķi. No otras puses, ja pirms ieejas jūsu mājās netiks samazināts sprieguma daudzums, izmantojot tipisku augstsprieguma strāvas vadu, tas izraisītu haosu un katastrofu.

Spriegums ir elektriskā potenciāla starpības mērs. Nomenklatūra var būt mulsinoša, jo daudzi studenti ir dzirdējuši terminu "potenciālā enerģija", tādējādi viegli sajaukt spriegumu ar enerģiju. Faktiski spriegums ir elektriskā potenciālā enerģija uz vienu lādiņa vienību vai džouli uz kulonu (J / C). Kulons ir fizikas standarta elektriskā lādiņa vienība. Vienam elektronam tiek piešķirts -1,609 × 10^-19 kuloni, savukārt protons nes lādiņu, kura lielums ir vienāds, bet virzienā pretējs (t.i., pozitīvs lādiņš).

Atslēgas vārds šeit patiešām ir "atšķirība". Iemesls, kāpēc elektroni plūst no vienas vietas uz otru, ir sprieguma starpība starp abiem atskaites punktiem. Spriegums norāda nepieciešamo darba apjomu par maksu par vienību lai pārvietotu lādiņu pret elektrisko lauku no pirmā punkta uz otro. Lai iegūtu mēroga izjūtu, ziniet, ka tālsatiksmes pārraides vadi parasti pārvadā no 155 000 līdz 765 000 voltiem, turpretī mājās ienākošais spriegums parasti ir 240 volti.

1880. gados elektrisko pakalpojumu sniedzēji izmantoja līdzstrāvu (DC). Tas bija saistīts ar saistībām, tostarp ar to, ka līdzstrāvu nevarēja izmantot apgaismojumam un tas bija ļoti bīstams, un tam bija vajadzīgi biezi izolācijas slāņi. Šajā laikā izgudrotājs vārdā Viljams Stenlijs ražoja indukcijas spoli - ierīci, kas spēj radīt maiņstrāvu (AC). Laikā, kad Stenlijs nāca klajā ar šo izgudrojumu, fiziķi zināja par maiņstrāvas parādību un tās priekšrocībām energoapgādes ziņā, taču neviens nebija spējis izdomāt līdzekļus, kā piegādāt maiņstrāvu lielos vilcienos mērogs. Stenlija indukcijas spole kalpos par veidni visām turpmākajām ierīces variācijām.

Stenlijs gandrīz kļuva par juristu, pirms nolēma strādāt par elektriķi. Viņš sāka Ņujorkā, pirms pārcēlās uz Pitsburgu, kur sāka strādāt pie sava transformatora. Pirmo pašvaldības maiņstrāvas sistēmu viņš uzbūvēja 1886. gadā Great Barrington pilsētā, Masačūsetsā. Pēc gadsimtu mijas viņa elektroenerģijas uzņēmumu nopirka General Electric.

Transformators var gan palielināt (pastiprināt), gan samazināt (samazināt) spriegumu, kas pārvietojas caur strāvas vadiem. Tas ir brīvi līdzīgs tam, kā asinsrites sistēma atkarībā no pieprasījuma var palielināt vai samazināt asins piegādi noteiktām ķermeņa daļām. Pēc tam, kad asinis ("spēks") atstāj sirdi ("spēkstacija"), lai sasniegtu virkni atzarojuma punktu, tas var beigties ceļojumā uz ķermeņa augšdaļas vietā un pēc tam labajā kājā, nevis kreisajā, un augšstilba vietā - teļam, utt. To regulē asinsvadu paplašināšanās vai sašaurināšanās mērķa orgānos un audos. Kad elektrostacijā tiek ģenerēta elektrostacija, transformatori tālsatiksmes pārraides nolūkos palielina spriegumu no dažiem tūkstošiem līdz simtiem tūkstošu. Kad šie vadi sasniedz punktus, ko sauc par elektroenerģijas apakšstacijām, transformatori samazina spriegumu zem 10 000 voltu. Jūs, iespējams, esat redzējuši šīs apakšstacijas un to vidējā līmeņa transformatorus savos ceļojumos; transformatori parasti tiek ievietoti kastēs un izskatās nedaudz līdzīgi ceļmalās stādītiem ledusskapjiem.

Kad elektrība atstāj šīs stacijas, ko tā parasti var darīt dažādos virzienos, tā sastopas ar citiem transformatoriem tuvāk galapunktam apakšnodaļās, rajonos un indivīdos mājas. Šie transformatori samazina spriegumu no mazāk nekā 10 000 voltiem līdz 240 tuvumam - vairāk nekā 1000 reizes mazāk nekā tipiskie maksimālie līmeņi, kas redzami tālsatiksmes augstsprieguma vados.

Transformatori, protams, ir tikai viens no tā sauktā elektrotīkla komponentiem, vadu sistēmas nosaukums, slēdži un citas ierīces, kas ražo, nosūta un kontrolē elektrību no vietas, kur tā tiek ražota, līdz vietai, kur tā atrodas galu galā tiek izmantots.

Pirmais solis elektroenerģijas radīšanā ir ģeneratora vārpstas griešanās. Sākot ar 2018. gadu, tas visbiežāk tiek veikts, izmantojot tvaiku, kas izdalās fosilā kurināmā, piemēram, ogļu, naftas vai dabasgāzes, sadedzināšanā. Atomelektrostacijas un citi "tīras" enerģijas ģeneratori, piemēram, hidroelektrostacijas un vējdzirnavu parki, var arī izmantot vai saražot enerģiju, kas nepieciešama ģeneratora darbināšanai. Lai kā arī būtu, elektrību, kas rodas šajās stacijās, sauc par trīsfāzu jaudu. Tas ir tāpēc, ka šie maiņstrāvas ģeneratori rada elektrību, kas svārstās starp noteikto minimālo un maksimālo sprieguma līmeni, un katra no trim fāzēm ir nobīdīta par 120 grādiem no tām, kas atrodas priekšā un aizmugurē laiks. (Iedomājieties, ejiet turp un atpakaļ pa 12 metru ielu, kamēr divi citi cilvēki dara to pašu, padarot 24 metrus garu turp un atpakaļ, izņemot to, ka viens no diviem pārējiem cilvēkiem vienmēr ir priekšā 8 metrus, bet otrs - 8 metrus aiz muguras jūs. Dažreiz divi no jums staigās vienā virzienā, bet citreiz divi no jums - otrā virzienā, mainot kustību summu, bet paredzamā veidā. Tā brīvi darbojas trīsfāzu maiņstrāva.)

Pirms elektrība atstāj elektrostaciju, tā pirmo reizi sastopas ar transformatoru. Tas ir vienīgais punkts, kurā strāvas tīkla transformatori ievērojami palielina spriegumu, nevis samazina to. Šis solis ir nepieciešams, jo pēc tam elektrība nonāk lielās pārvades līnijās pa trim, pa vienam katrai jaudas fāzei, un dažām no tām var būt jābrauc līdz aptuveni 300 jūdzēm.

Kādā brīdī elektrība sastopas ar elektroenerģijas apakšstaciju, kur transformatori samazina spriegumu līdz a līmenis, kas piemērots zemākas atslēgas elektropārvades līnijām, kuras redzat apkaimēs vai darbojas gar lauku šosejas. Šeit notiek elektroenerģijas piegādes (atšķirībā no pārraides) izplatīšanas fāze, jo līnijas parasti atstāj enerģiju apakšstacijas vairākos virzienos, tāpat kā vairākas artērijas, kas vairāk vai mazāk vienādi sazarojas no galvenā asinsvada krustojums.

No elektrības apakšstacijas elektrība pāriet rajonos un atstāj vietējās elektropārvades līnijas (kas parasti atrodas uz "telefona stabiem"), lai nonāktu atsevišķās dzīvesvietās. Mazāki transformatori (no kuriem daudzi izskatās kā mazas metāla atkritumu tvertnes) samazina spriegumu līdz aptuveni 240 voltiem, lai tas varētu iekļūt mājās, neradot lielu risku izraisīt ugunsgrēku vai kādu citu nopietnu avāriju.

Transformatoriem ir jāstrādā ne tikai ar sprieguma manipulācijām, bet arī tiem jābūt izturīgiem pret bojājumiem, piemēram, ar dabas darbībām, piemēram, vēja vētrām vai mērķtiecīgiem cilvēku radītiem uzbrukumiem. Nav iespējams elektrotīklu turēt nepieejamam no elementiem vai cilvēku ļaundariem, bet tas pats, elektrotīkls ir absolūti nepieciešams mūsdienu dzīvei. Šī neaizsargātības un nepieciešamības kombinācija ir likusi ASV Iekšzemes drošības departamentam rīkoties interese par lielākajiem transformatoriem Amerikas elektrotīklā, ko sauc par lielajiem jaudas transformatoriem, vai LPT. Šo masveida transformatoru funkcija, kas atrodas elektrostacijās un kuru svars var būt 100 līdz 400 tonnas un kas maksā miljoniem dolāru, ir būtiska ikdienas uzturēšanai, jo viena neveiksme var izraisīt elektroenerģijas padeves pārtraukumus plašā līmenī apgabalā. Tie ir transformatori, kas dramatiski palielina spriegumu, pirms elektrība nonāk tālsatiksmes augstsprieguma vados.

Sākot ar 2012. gadu, LPT vidējais vecums ASV bija aptuveni 40 gadi. Daži mūsdienu augstā sprieguma (EHV) transformatori ir novērtēti ar 345 000 voltu, un pieprasījums pēc transformatoriem pieaug gan ASV un visā pasaulē, liekot ASV valdībai meklēt veidus, kā pēc vajadzības aizstāt esošos LPT, un izstrādāt jaunus salīdzinoši zemā līmenī izmaksas.

Transformators būtībā ir liels, kvadrātveida magnēts ar caurumu vidū. Elektrība vienā pusē caur vadiem, kas vairākas reizes apvilkti ap transformatoru, ieplūst, bet pretējā pusē - pa vadiem, kas ap transformatoru ir iesaiņoti atšķirīgu skaitu reižu. Elektrības ievadīšana transformatorā izraisa magnētisko lauku, kas savukārt inducē elektrisko lauku pārējos vados, kas pēc tam aizvada strāvu no transformatora.

Fizikas līmenī transformators darbojas, izmantojot Faradeja likumu, kas nosaka, ka divu spoles sprieguma attiecība ir vienāda ar pagriezienu skaita attiecību attiecīgajās spolēs. Tādējādi, ja pie transformatora ir nepieciešams pazemināts spriegums, otrajā (izejošajā) spolē ir mazāk pagriezienu nekā primārajā (ienākošajā) spolē.