Wat is het doel van een transformator?

De meeste mensen hebben waarschijnlijk gehoord van transformatoren en zijn zich ervan bewust dat ze deel uitmaken van het altijd evidente en toch nog steeds mysterieus elektriciteitsnet dat elektriciteit levert aan huizen, bedrijven en elke andere plaats waar "sap" is nodig zijn. Maar de typische persoon aarzelt om de fijne kneepjes van de levering van elektrische stroom te leren, misschien omdat het hele proces in gevaar lijkt te zijn gehuld. Kinderen leren van jongs af aan dat elektriciteit erg gevaarlijk kan zijn, en iedereen beseft dat elke... de draden van het energiebedrijf worden om een ​​goede reden hoog buiten bereik gehouden (of soms begraven in de grond).

Maar het elektriciteitsnet is in feite een triomf van menselijke techniek, zonder welke de beschaving onherkenbaar zou zijn van degene die je vandaag bewoont. De transformator is een sleutelelement in de besturing en levering van elektriciteit vanaf het punt waarop het wordt geproduceerd in elektriciteitscentrales tot net voordat het een woning, kantoorgebouw of ander uiteinde binnengaat bestemming.

Denk aan een dam die miljoenen liters water tegenhoudt om een ​​kunstmatig meer te vormen. Omdat de rivier die dit meer voedt niet altijd dezelfde hoeveelheid water naar het gebied voert, waarbij het water in de lente nadat de sneeuw in veel gebieden smelt en eb in de zomer tijdens drogere tijden, elke effectieve en veilige dam moet worden uitgerust met voorzieningen die zorgen voor een fijnere controle over het water dan het simpelweg stoppen met stromen totdat het niveau zo veel stijgt dat er gewoon water wordt gemorst overheen. Dammen bevatten daarom allerlei sluisdeuren en andere mechanismen die bepalen hoeveel water er zal zijn ga naar de benedenstroomse zijde van de dam, onafhankelijk van de hoeveelheid waterdruk op de bovenstroomse kant.

Dit is ongeveer hoe een transformator werkt, behalve dat het materiaal dat stroomt geen water is maar elektrische stroom. Transformatoren dienen om het spanningsniveau te manipuleren dat door elk punt in een elektriciteitsnet stroomt (hieronder in detail beschreven) op een manier die de efficiëntie van de transmissie in evenwicht brengt met basisveiligheid. Het is duidelijk financieel en praktisch voordelig voor zowel de consumenten als de eigenaren van de energiecentrale en elektriciteitsnet om stroomverliezen te voorkomen tussen het verlaten van de elektriciteitscentrale en het bereiken van huizen of andere bestemmingen. Aan de andere kant, als de hoeveelheid spanning die door een typische hoogspanningskabel stroomt niet werd verminderd voordat deze uw huis binnenkwam, zou chaos en rampen het gevolg zijn.

Spanning is een maat voor het elektrische potentiaalverschil. De nomenclatuur kan verwarrend zijn omdat veel studenten de term 'potentiële energie' hebben gehoord, waardoor het gemakkelijk is om spanning met energie te verwarren. In feite is spanning elektrische potentiële energie per eenheid lading, of joule per coulomb (J/C). De coulomb is de standaardeenheid van elektrische lading in de natuurkunde. Een enkel elektron wordt toegewezen -1.609 × 10^-19 coulombs, terwijl een proton een lading draagt ​​die even groot is maar tegengesteld in richting (d.w.z. een positieve lading).

Het sleutelwoord hier is eigenlijk 'verschil'. De reden dat elektronen van de ene plaats naar de andere stromen, is het verschil in spanning tussen de twee referentiepunten. Spanning vertegenwoordigt de hoeveelheid werk die nodig zou zijn per eenheid lading om de lading tegen een elektrisch veld van het eerste punt naar het tweede te verplaatsen. Om een ​​gevoel van schaal te krijgen, moet u weten dat transmissiedraden over lange afstanden doorgaans 155.000 tot 765.000 volt dragen, terwijl de spanning die een huis binnenkomt gewoonlijk 240 volt is.

In de jaren 1880 maakten elektrische dienstverleners gebruik van gelijkstroom (DC). Dit ging gepaard met verplichtingen, waaronder het feit dat DC niet kon worden gebruikt voor verlichting en zeer gevaarlijk was, waardoor dikke isolatielagen nodig waren. Gedurende deze tijd produceerde een uitvinder genaamd William Stanley de inductiespoel, een apparaat dat wisselstroom (AC) kan creëren. Op het moment dat Stanley met deze uitvinding kwam, wisten natuurkundigen van het fenomeen AC en de voordelen ervan zou hebben op het gebied van stroomvoorziening, maar niemand had een manier kunnen bedenken om op een grote schaal wisselstroom te leveren schaal. De inductiespoel van Stanley zou als sjabloon dienen voor alle toekomstige varianten van het apparaat.

Stanley werd bijna advocaat voordat hij besloot als elektricien te gaan werken. Hij begon in New York City voordat hij naar Pittsburgh verhuisde, waar hij aan zijn transformator begon te werken. Hij bouwde het eerste gemeentelijke wisselstroomsysteem in 1886 in de stad Great Barrington, Massachusetts. Na de eeuwwisseling werd zijn energiebedrijf gekocht door General Electric.

Een transformator kan de spanning die door stroomdraden loopt zowel verhogen (verhogen) als verlagen (verlagen). Dit is losjes analoog aan de manier waarop de bloedsomloop de toevoer van bloed naar bepaalde delen van het lichaam kan verhogen of verlagen, afhankelijk van de vraag. Nadat bloed ("kracht") het hart (de "krachtcentrale") verlaat om een ​​reeks vertakkingspunten te bereiken, kan het uiteindelijk naar de onderlichaam in plaats van het bovenlichaam, en dan naar het rechterbeen in plaats van het linker, en dan naar de kuit in plaats van de dij, enz. Dit wordt bepaald door de verwijding of vernauwing van bloedvaten in de doelorganen en weefsels. Wanneer elektriciteit wordt opgewekt in een elektriciteitscentrale, verhogen transformatoren de spanning van enkele duizenden tot honderdduizenden voor doeleinden van transmissie over lange afstanden. Aangezien deze draden punten bereiken die stroomonderstations worden genoemd, verlagen transformatoren de spanning tot minder dan 10.000 volt. U hebt deze onderstations en hun transformatoren op gemiddeld niveau waarschijnlijk tijdens uw reizen gezien; de transformatoren zijn meestal ondergebracht in dozen en lijken een beetje op koelkasten die langs de weg zijn geplant.

Wanneer elektriciteit deze stations verlaat, wat meestal in een aantal verschillende richtingen kan, is het ontmoet andere transformatoren dichter bij zijn eindpunt in onderverdelingen, buurten en individuele huizen. Deze transformatoren verlagen de spanning van minder dan 10.000 volt tot in de buurt van 240 - meer dan 1.000 keer minder dan de typische maximale niveaus die worden gezien in hoogspanningsdraden over lange afstanden.

Transformatoren zijn natuurlijk maar één onderdeel van het zogenaamde elektriciteitsnet, de naam voor het systeem van draden, schakelaars en andere apparaten die elektriciteit produceren, verzenden en regelen van waar het wordt opgewekt naar waar het is uiteindelijk gebruikt.

De eerste stap bij het creëren van elektrische stroom is om de as van een generator te laten draaien. Vanaf 2018 gebeurt dit meestal met stoom die vrijkomt bij de verbranding van een fossiele brandstof, zoals kolen, olie of aardgas. Kerncentrales en andere "schone" energiegeneratoren zoals waterkrachtcentrales en windmolenparken kunnen ook de energie gebruiken of produceren die nodig is om de generator aan te drijven. Hoe dan ook, de elektriciteit die bij deze centrales wordt opgewekt, wordt driefasenstroom genoemd. Dit komt omdat deze AC-generatoren elektriciteit opwekken die schommelt tussen een bepaald minimum en maximum spanningsniveau, en elk van de drie fasen is 120 graden verschoven ten opzichte van die ervoor en erachter in tijd. (Stel je voor dat je heen en weer loopt over een straat van 12 meter terwijl twee andere mensen hetzelfde doen, wat resulteert in een 24 meter lang heen en terug, behalve dat een van de andere twee mensen altijd 8 meter voor je is en de ander 8 meter achter u. De ene keer lopen jullie met z'n tweeën in de ene richting, terwijl de andere keer twee van jullie in de andere richting lopen, waarbij de som van je bewegingen varieert, maar op een voorspelbare manier. Dit is losjes hoe driefasige wisselstroom werkt.)

Voordat de elektriciteit de centrale verlaat, komt deze voor het eerst in aanraking met een transformator. Dit is het enige punt waarop transformatoren in een elektriciteitsnet de spanning aanzienlijk verhogen in plaats van verminderen. Deze stap is nodig omdat de elektriciteit dan grote transmissielijnen binnenkomt in sets van drie, één voor elke stroomfase, en een deel ervan kan tot 300 mijl of zo moeten reizen.

Op een gegeven moment komt de elektriciteit een stroomonderstation tegen, waar transformatoren de spanning verlagen tot a niveau geschikt voor de meer low-key hoogspanningslijnen die je in buurten ziet of langs het platteland loopt snelwegen. Dit is waar de distributie (in tegenstelling tot transmissie) fase van de levering van elektriciteit plaatsvindt, omdat lijnen meestal stroom verlaten substations in een aantal richtingen, net als een aantal slagaders die min of meer dezelfde knooppunt.

Vanuit het hoogspanningsstation gaat de elektriciteit naar de wijken en verlaat de lokale hoogspanningslijnen (die meestal op "telefoonpalen" staan) om individuele woningen binnen te gaan. Kleinere transformatoren (waarvan er veel eruit zien als kleine metalen vuilnisbakken) verminderen de spanning tot ongeveer 240 volt, zodat deze huizen kan binnendringen zonder een groot risico op brand of een ander ernstig ongeluk.

Transformatoren moeten niet alleen de spanning manipuleren, maar ze moeten ook bestand zijn tegen schade, of dit nu door natuurrampen is, zoals windstormen of doelgerichte, door mensen ontworpen aanvallen. Het is niet haalbaar om het elektriciteitsnet buiten het bereik van de elementen of menselijke onverlaten te houden, maar het elektriciteitsnet is absoluut essentieel voor het moderne leven. Deze combinatie van kwetsbaarheid en noodzaak heeft ertoe geleid dat het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Veiligheid de een belang in de grootste transformatoren in het Amerikaanse elektriciteitsnet, de zogenaamde grote transformatoren, of LPT. De functie van deze enorme transformatoren, die in energiecentrales liggen en 100 tot 400 ton kunnen wegen en miljoenen kosten? dollar, is essentieel voor het onderhoud van het dagelijks leven, aangezien het uitvallen van een enkele kan leiden tot stroomuitval over een groot deel van de wereld Oppervlakte. Dit zijn de transformatoren die de spanning drastisch verhogen voordat elektriciteit de lange-afstandshoogspanningsdraden binnendringt.

Vanaf 2012 was de gemiddelde leeftijd van een LPT in de VS ongeveer 40 jaar. Sommige van de huidige topklasse extra-hoogspanningstransformatoren (EHV) hebben een vermogen van 345.000 volt, en de vraag naar transformatoren stijgt zowel in de in de VS en wereldwijd, waarbij de Amerikaanse regering wordt gedwongen naar manieren te zoeken om zowel bestaande LPT's naar behoefte te vervangen als nieuwe te ontwikkelen tegen een relatief lage prijs kosten.

Een transformator is in feite een grote, vierkante magneet met een gat in het midden. Elektriciteit komt aan de ene kant binnen via draden die een aantal keer rond de transformator zijn gewikkeld en verlaat aan de andere kant via draden die een ander aantal keren rond de transformator zijn gewikkeld. Het invoeren van elektriciteit induceert een magnetisch veld in de transformator, dat op zijn beurt een elektrisch veld induceert in de andere draden, die vervolgens stroom wegvoeren van de transformator.

Op het niveau van de natuurkunde werkt een transformator door gebruik te maken van de wet van Faraday, die stelt dat de spanningsverhouding van twee spoelen gelijk is aan de verhouding van het aantal windingen in de respectieve spoelen. Dus als een lagere spanning nodig is bij een transformator, bevat de tweede (uitgaande) spoel minder windingen dan de primaire (inkomende) spoel.