Jaki jest cel transformatora?

Większość ludzi prawdopodobnie słyszała o transformatorach i zdaje sobie sprawę, że są one częścią zawsze oczywistego, a jednak wciąż tajemnicza sieć energetyczna dostarczająca prąd do domów, firm i każdego innego miejsca, w którym znajduje się „sok” potrzebne. Ale typowa osoba nie chce się uczyć niuansów dostarczania energii elektrycznej, być może dlatego, że cały proces wydaje się być zagrożony. Dzieci od najmłodszych lat uczą się, że elektryczność może być bardzo niebezpieczna i wszyscy zdają sobie z tego sprawę Przewody firmy energetycznej są trzymane wysoko poza zasięgiem (lub czasami zakopane w ziemi) nie bez powodu.

Ale sieć energetyczna to tak naprawdę triumf ludzkiej inżynierii, bez której cywilizacja byłaby nie do poznania od tej, którą żyjesz dzisiaj. Transformator jest kluczowym elementem w sterowaniu i dostarczaniu energii elektrycznej z punktu, w którym jest jest produkowany w elektrowniach, aż do momentu wejścia do domu, biurowca lub innego końca Miejsce docelowe.

Pomyśl o tamie zatrzymującej miliony galonów wody, aby utworzyć sztuczne jezioro. Ponieważ rzeka zasilająca to jezioro nie zawsze dostarcza tę samą ilość wody do obszaru, a jej wody mają tendencję do podnoszenia się w wiosna po stopieniu śniegu w wielu miejscach i odpływie latem w okresie suszy, każda skuteczna i bezpieczna zapora musi być wyposażona w urządzenia które pozwalają na dokładniejszą kontrolę wody niż po prostu zatrzymanie jej przepływu, dopóki poziom nie podniesie się tak bardzo, że woda po prostu się rozleje ponad tym. Dlatego tamy obejmują wszelkiego rodzaju śluzy i inne mechanizmy, które dyktują, ile wody będzie przejść do dolnej strony zapory, niezależnie od wielkości ciśnienia wody na górnym prądzie bok.

W przybliżeniu tak działa transformator, z tym wyjątkiem, że przepływającym materiałem nie jest woda, ale prąd elektryczny. Transformatory służą do manipulowania poziomem napięcia przepływającego przez dowolny punkt sieci elektroenergetycznej (szczegółowo opisane poniżej) w sposób równoważący wydajność przesyłu z podstawowym bezpieczeństwem. Oczywiście jest to korzystne finansowo i praktycznie zarówno dla konsumentów, jak i właścicieli elektrowni oraz sieć zapobiegająca utracie mocy pomiędzy wyjściem energii elektrycznej z elektrowni a jej dotarciem do domów lub innych miejsca docelowe. Z drugiej strony, jeśli ilość napięcia płynącego przez typowy przewód zasilający wysokiego napięcia nie zostanie zmniejszona przed wejściem do domu, nastąpi chaos i katastrofa.

Napięcie jest miarą różnicy potencjałów elektrycznych. Nomenklatura może być myląca, ponieważ wielu uczniów słyszało termin „energia potencjalna”, co ułatwia pomylenie napięcia z energią. W rzeczywistości napięcie jest elektryczną energią potencjalną na jednostkę ładunku lub dżulami na kulomb (J/C). Kulomb jest standardową jednostką ładunku elektrycznego w fizyce. Pojedynczy elektron ma przypisany -1,609 × 10^-19 kulomby, podczas gdy proton ma ładunek równy wielkości, ale przeciwny w kierunku (tj. ładunek dodatni).

Kluczowym słowem jest tutaj tak naprawdę „różnica”. Powodem, dla którego elektrony przepływają z jednego miejsca do drugiego, jest różnica napięcia między dwoma punktami odniesienia. Napięcie reprezentuje ilość pracy, która byłaby wymagana za jednostkę opłaty przenieść ładunek przeciw polu elektrycznemu z pierwszego punktu do drugiego. Aby uzyskać poczucie skali, wiedz, że przewody transmisyjne na duże odległości zwykle przenoszą od 155 000 do 765 000 woltów, podczas gdy napięcie wchodzące do domu wynosi zwykle 240 woltów.

W latach 80. XIX wieku dostawcy usług elektrycznych korzystali z prądu stałego (DC). Było to obarczone odpowiedzialnością, w tym faktem, że DC nie mogło być wykorzystywane do oświetlenia i było bardzo niebezpieczne, wymagające grubych warstw izolacji. W tym czasie wynalazca William Stanley wyprodukował cewkę indukcyjną, urządzenie zdolne do wytwarzania prądu przemiennego (AC). W czasie, gdy Stanley wymyślił ten wynalazek, fizycy wiedzieli o fenomenie prądu przemiennego i jego zaletach miałby pod względem zasilania, ale nikt nie był w stanie wymyślić sposobu dostarczania prądu przemiennego na dużym skala. Cewka indukcyjna Stanleya służyłaby jako szablon dla wszystkich przyszłych odmian urządzenia.

Stanley prawie został prawnikiem, zanim zdecydował się na pracę jako elektryk. Zaczął w Nowym Jorku, zanim przeniósł się do Pittsburgha, gdzie zaczął pracować nad swoim transformatorem. Zbudował pierwszy miejski system zasilania prądem przemiennym w 1886 roku w mieście Great Barrington w stanie Massachusetts. Po przełomie wieków jego firmę energetyczną kupił General Electric.

Transformator może zarówno zwiększać (podwyższać), jak i zmniejszać (zmniejszać) napięcie przechodzące przez przewody zasilające. Jest to luźno analogiczne do sposobu, w jaki układ krążenia może zwiększać lub zmniejszać dopływ krwi do określonych części ciała w zależności od zapotrzebowania. Po tym, jak krew („siła”) opuści serce („elektrownię”), aby dotrzeć do szeregu punktów rozgałęzień, może skończyć się podróżą do dolna część ciała zamiast górnej, a następnie prawą nogę zamiast lewej, a następnie łydkę zamiast uda, itp. Jest to regulowane przez rozszerzenie lub zwężenie naczyń krwionośnych w docelowych narządach i tkankach. Kiedy w elektrowni wytwarzana jest energia elektryczna, transformatory podnoszą napięcie od kilku tysięcy do setek tysięcy na potrzeby przesyłu na duże odległości. Gdy te przewody docierają do punktów zwanych podstacjami energetycznymi, transformatory zmniejszają napięcie do poniżej 10 000 woltów. Prawdopodobnie widziałeś te podstacje i ich transformatory pośredniego poziomu podczas swoich podróży; transformatory są zwykle umieszczone w pudłach i wyglądają trochę jak lodówki postawione na poboczu drogi.

Kiedy energia elektryczna opuszcza te stacje, co zwykle może odbywać się w wielu różnych kierunkach, to napotyka inne transformatory bliżej punktu końcowego w podpodziałach, dzielnicach i jednostkach domy. Transformatory te zmniejszają napięcie z poniżej 10 000 woltów do około 240 – ponad 1000 razy mniej niż typowe maksymalne poziomy obserwowane w przewodach wysokiego napięcia na duże odległości.

Transformatory to oczywiście tylko jeden element tzw. sieci energetycznej, nazwa systemu przewodów, przełączniki i inne urządzenia, które wytwarzają, przesyłają i kontrolują energię elektryczną z miejsca jej wytwarzania do miejsca, w którym się znajduje ostatecznie używany.

Pierwszym krokiem w wytwarzaniu energii elektrycznej jest rozkręcenie wału generatora. Od 2018 r. najczęściej odbywa się to za pomocą pary uwalnianej podczas spalania paliw kopalnych, takich jak węgiel, ropa naftowa lub gaz ziemny. Elektrownie jądrowe i inne generatory „czystej” energii, takie jak elektrownie wodne i farmy wiatrowe, mogą również wykorzystywać lub wytwarzać energię niezbędną do napędzania generatora. Tak czy inaczej, energia elektryczna wytwarzana w tych elektrowniach nazywana jest mocą trójfazową. Dzieje się tak, ponieważ te generatory prądu przemiennego wytwarzają energię elektryczną, która oscyluje między ustalonym minimum a maksimum poziom napięcia, a każda z trzech faz jest przesunięta o 120 stopni od faz przed i za nią w it czas. (Wyobraź sobie chodzenie tam i z powrotem po 12-metrowej ulicy, podczas gdy dwie inne osoby robią to samo, co daje 24 metry podróż w obie strony, z tą różnicą, że jedna z pozostałych dwóch osób jest zawsze 8 metrów przed tobą, a druga jest 8 metrów z tyłu ty. Czasami dwoje z was będzie chodzić w jednym kierunku, a innym razem dwoje z was będzie chodzić w innym kierunku, zmieniając sumę ruchów, ale w przewidywalny sposób. W ten sposób działa trójfazowe zasilanie prądem przemiennym.)

Zanim prąd opuści elektrownię, po raz pierwszy napotyka transformator. Jest to jedyny punkt, w którym transformatory w sieci elektroenergetycznej znacznie zwiększają napięcie, zamiast je zmniejszać. Ten krok jest potrzebny, ponieważ energia elektryczna wchodzi następnie do dużych linii przesyłowych w zestawach po trzy, po jednym na każdą fazę mocy, a niektóre z nich muszą podróżować do 300 mil.

W pewnym momencie prąd trafia na podstację elektroenergetyczną, w której transformatory obniżają napięcie do poziom odpowiedni dla mniej ważnych linii energetycznych, które widzisz w dzielnicach lub biegnąc wzdłuż obszarów wiejskich autostrady. Tu następuje faza dystrybucji (w przeciwieństwie do przesyłu) dostarczania energii elektrycznej, ponieważ linie zwykle opuszczają moc podstacje w wielu kierunkach, podobnie jak wiele tętnic odgałęziających się od głównego naczynia krwionośnego mniej więcej tyle samo węzeł.

Z podstacji energia elektryczna przechodzi do dzielnic i opuszcza lokalne linie energetyczne (które zwykle znajdują się na „słupach telefonicznych”), aby dostać się do poszczególnych mieszkań. Mniejsze transformatory (z których wiele wygląda jak małe metalowe kosze na śmieci) obniżają napięcie do około 240 woltów, dzięki czemu mogą dostać się do domów bez dużego ryzyka spowodowania pożaru lub innego poważnego nieszczęścia.

Transformatory muszą nie tylko manipulować napięciem, ale także muszą być odporne na uszkodzenia, czy to w wyniku działań natury, takich jak wichury czy celowe, wykonane przez człowieka ataki. Nie jest możliwe utrzymywanie sieci energetycznej poza zasięgiem żywiołów lub ludzkich złoczyńców, ale tak samo, sieć energetyczna jest absolutnie niezbędna dla współczesnego życia. To połączenie słabości i konieczności skłoniło Departament Bezpieczeństwa Wewnętrznego USA do podjęcia zainteresowanie największymi transformatorami w amerykańskiej sieci energetycznej, zwanymi transformatorami dużej mocy, lub LPT. Funkcja tych masywnych transformatorów, które znajdują się w elektrowniach i mogą ważyć od 100 do 400 ton i kosztować miliony dolarów, ma zasadnicze znaczenie dla utrzymania codziennego życia, ponieważ awaria jednego może prowadzić do przerw w dostawie prądu na całym świecie powierzchnia. Są to transformatory, które dramatycznie zwiększają napięcie, zanim prąd wejdzie do długodystansowych przewodów wysokiego napięcia.

W 2012 r. średni wiek LPT w USA wynosił około 40 lat. Niektóre z dzisiejszych najwyższej klasy transformatorów bardzo wysokiego napięcia (EHV) są oceniane na 345 000 woltów, a zapotrzebowanie na transformatory rośnie zarówno w USA i na całym świecie, zmuszając rząd USA do poszukiwania sposobów zarówno zastąpienia istniejących LPT w razie potrzeby, jak i opracowania nowych przy stosunkowo niskim poziomie koszt.

Transformator to w zasadzie duży, kwadratowy magnes z otworem pośrodku. Energia elektryczna wchodzi z jednej strony przewodami owiniętymi kilka razy wokół transformatora, a wychodzi po przeciwnej stronie przewodami owiniętymi różną liczbę razy wokół transformatora. Wejście prądu indukuje pole magnetyczne w transformatorze, które z kolei indukuje pole elektryczne w innych przewodach, które następnie odprowadzają energię z transformatora.

Na poziomie fizyki transformator działa na podstawie prawa Faradaya, które mówi, że stosunek napięciowy dwóch cewek jest równy stosunkowi liczby zwojów w odpowiednich cewkach. Tak więc, jeśli wymagane jest obniżone napięcie na transformatorze, druga (wychodząca) cewka zawiera mniej zwojów niż pierwotna (przychodząca) cewka.