Care este scopul unui transformator?

Majoritatea oamenilor au auzit probabil de transformatoare și sunt conștienți de faptul că fac parte din totdeauna evident, dar încă rețea electrică misterioasă care furnizează electricitate caselor, întreprinderilor și oricărui alt loc unde se află „suc” Necesar. Însă persoana obișnuită se oprește la învățarea punctelor mai fine ale furnizării de energie electrică, poate pentru că întregul proces pare acoperit de pericol. Copiii învață de la o vârstă fragedă că electricitatea poate fi foarte periculoasă și toată lumea își dă seama că există firele companiei electrice sunt ținute la îndemână (sau uneori îngropate în pământ) dintr-un motiv întemeiat.

Dar rețeaua electrică este de fapt un triumf al ingineriei umane, fără de care civilizația ar fi de nerecunoscut față de cea pe care o locuiți astăzi. Transformatorul este un element cheie în controlul și livrarea energiei electrice din punctul în care acesta este produs la centralele electrice până chiar înainte de a intra într-o casă, clădire de birouri sau alt scop destinaţie.

Gândiți-vă la un baraj care reține milioane de galoane de apă pentru a forma un lac artificial. Deoarece râul care alimentează acest lac nu transportă întotdeauna aceeași cantitate de apă în zonă, apele sale tindând să crească în primăvara după ce zăpada se topește în multe zone și scade vara în perioadele mai uscate, orice baraj eficient și sigur trebuie să fie echipat cu dispozitive care permit un control mai fin al apei decât simpla oprire a curgerii acesteia până când nivelul crește atât de mult încât apa se scurge pur și simplu peste ea. Barajele includ, prin urmare, tot felul de porți de închidere și alte mecanisme care dictează cantitatea de apă treceți în partea din aval a barajului, independent de cantitatea de presiune a apei din amonte latură.

Cam așa funcționează un transformator, cu excepția faptului că materialul care curge nu este apă, ci curent electric. Transformatoarele servesc la manipularea nivelului de tensiune care curge prin orice punct al unei rețele electrice (descris în detaliu mai jos) într-un mod care echilibrează eficiența transmisiei cu siguranța de bază. În mod clar, este avantajos din punct de vedere financiar și practic atât pentru consumatori, cât și pentru proprietarii centralei și rețea pentru a preveni pierderile de energie între ieșirea electricității din centrală și ajungerea la locuințe sau altele destinații. Pe de altă parte, dacă cantitatea de tensiune care trece printr-un fir tipic de alimentare de înaltă tensiune nu ar fi diminuată înainte de a intra în casa ta, ar rezulta haos și dezastru.

Tensiunea este o măsură a diferenței de potențial electric. Nomenclatura poate fi confuză, deoarece mulți studenți au auzit termenul „energie potențială”, ceea ce face mai ușoară confundarea tensiunii cu energia. De fapt, tensiunea este energie potențială electrică pe unitate de încărcare sau jouli pe coulomb (J / C). Coulombul este unitatea standard de încărcare electrică în fizică. Unui singur electron i se atribuie -1.609 × 10^-19 coulombi, în timp ce un proton poartă o sarcină egală în mărime, dar opusă în direcție (adică o sarcină pozitivă).

Cuvântul cheie aici, într-adevăr, este „diferență”. Motivul pentru care electronii curg dintr-un loc în altul este diferența de tensiune dintre cele două puncte de referință. Tensiunea reprezintă cantitatea de muncă necesară pe unitate de taxă pentru a muta sarcina împotriva unui câmp electric de la primul punct la al doilea. Pentru a obține un sentiment de scară, știți că firele de transmisie pe distanțe lungi transportă de obicei între 155.000 și 765.000 volți, în timp ce tensiunea care intră într-o casă este de obicei de 240 volți.

În anii 1880, furnizorii de servicii electrice au folosit curent continuu (DC). Acest lucru era plin de datorii, inclusiv faptul că DC nu putea fi utilizat pentru iluminat și era foarte periculos, necesitând straturi groase de izolație. În acest timp, un inventator pe nume William Stanley a produs bobina de inducție, un dispozitiv capabil să creeze curent alternativ (AC). La momentul în care Stanley a venit cu această invenție, fizicienii știau de fenomenul AC și de avantajele acestuia ar fi avut în ceea ce privește alimentarea cu energie electrică, dar nimeni nu a fost capabil să vină cu un mijloc de a furniza AC pe un mare scară. Bobina de inducție a lui Stanley ar servi drept șablon pentru toate variantele viitoare ale dispozitivului.

Stanley aproape a devenit avocat înainte de a decide să lucreze ca electrician. A început în New York înainte de a se muta la Pittsburgh, unde a început să lucreze la transformatorul său. El a construit primul sistem municipal de alimentare cu curent alternativ în 1886 în orașul Great Barrington, Massachusetts. După începutul secolului, compania sa de energie electrică a fost cumpărată de General Electric.

Un transformator poate crește (mări) sau reduce (reduce) tensiunea care se deplasează prin cablurile de alimentare. Acest lucru este puțin analog cu modul în care sistemul circulator poate crește sau micșora aportul de sânge către anumite părți ale corpului, în funcție de cerere. După ce sângele („puterea”) părăsește inima („centrala electrică”), pentru a ajunge la o serie de puncte ramificate, se poate termina călătorind spre corpul inferior în locul corpului superior, apoi la piciorul drept în loc de stânga, și apoi la vițel în loc de coapsă, etc. Aceasta este guvernată de dilatarea sau constricția vaselor de sânge din organele și țesuturile țintă. Când electricitatea este generată la o centrală electrică, transformatoarele măresc tensiunea de la câteva mii până la sute de mii în scopul transmiterii pe distanțe lungi. Pe măsură ce aceste fire ajung la punctele numite stații de putere, transformatoarele reduc tensiunea la sub 10.000 de volți. Probabil că ați văzut aceste stații și transformatoarele lor de nivel intermediar în călătoriile voastre; transformatoarele sunt de obicei adăpostite în cutii și seamănă puțin cu frigiderele plantate la marginea drumului.

Când electricitatea părăsește aceste stații, ceea ce poate face de obicei în mai multe direcții diferite, ea întâlnește alte transformatoare mai aproape de punctul său final în subdiviziuni, cartiere și individuale case. Aceste transformatoare reduc tensiunea de sub 10.000 de volți până la 240 de ori - de peste 1.000 de ori mai puțin decât nivelurile maxime tipice observate în firele de înaltă tensiune pe distanțe lungi.

Transformatoarele sunt, desigur, doar o componentă a așa-numitei rețele de energie, denumirea sistemului de fire, comutatoare și alte dispozitive care produc, trimit și controlează electricitatea de unde este generată până unde este utilizate în cele din urmă.

Primul pas în crearea energiei electrice este obținerea rotirii arborelui unui generator. Începând din 2018, cel mai adesea acest lucru se face folosind aburul eliberat în arderea unui combustibil fosil, cum ar fi cărbunele, petrolul sau gazele naturale. Centralele nucleare și alte generatoare de energie „curate”, cum ar fi hidrocentralele și fermele de mori de vânt, pot, de asemenea, să valorifice sau să producă energia necesară pentru acționarea generatorului. Oricum ar fi cazul, electricitatea generată la aceste centrale se numește energie trifazată. Acest lucru se datorează faptului că acești generatori de curent alternativ creează electricitate care oscilează între un minim și un maxim stabilit nivelul de tensiune și fiecare dintre cele trei faze este compensată cu 120 de grade față de cele din față și din spatele acestuia timp. (Imaginați-vă că mergeți înainte și înapoi pe o stradă de 12 metri, în timp ce alte două persoane fac același lucru, ajungând la 24 de metri dus-întors, cu excepția faptului că una dintre celelalte două persoane este întotdeauna cu 8 metri în fața dvs. și cealaltă este cu 8 metri în spate tu. Uneori, doi dintre voi vor merge într-o direcție, în timp ce alteori doi dintre voi vor merge în cealaltă direcție, variind suma mișcărilor voastre, dar într-un mod previzibil. Acesta este modul în care funcționează vag curentul trifazat.)

Înainte ca electricitatea să părăsească centrala, întâlnește un transformator pentru prima dată. Acesta este singurul punct în care transformatoarele dintr-o rețea electrică măresc semnificativ tensiunea, mai degrabă decât să o reducă. Acest pas este necesar deoarece electricitatea pătrunde apoi în liniile mari de transport în seturi de câte trei, câte una pentru fiecare fază a energiei, iar unele dintre ele ar putea fi nevoite să parcurgă până la aproximativ 300 de mile.

La un moment dat, electricitatea întâlnește o stație de alimentare, unde transformatoarele reduc tensiunea la a nivel potrivit pentru liniile electrice mai reduse pe care le vedeți în cartiere sau care rulează de-a lungul zonelor rurale autostrăzi. Aici are loc faza de distribuție (spre deosebire de transmisie) a livrării de energie electrică, deoarece liniile lasă de obicei energia substații în mai multe direcții, la fel ca un număr de artere care se ramifică într-un vas de sânge major, mai mult sau mai puțin la fel joncţiune.

De la stația electrică, energia electrică trece în cartiere și părăsește liniile electrice locale (care sunt de obicei pe „stâlpii telefonici”) pentru a intra în reședințe individuale. Transformatoarele mai mici (dintre care multe arată ca niște coșuri de gunoi metalice mici) reduc tensiunea la aproximativ 240 volți, astfel încât să poată pătrunde în case fără un risc mare de a provoca un incendiu sau o altă nefericire gravă.

Transformatoarele nu numai că trebuie să facă treaba de manipulare a tensiunii, ci trebuie să fie și rezistente la daune, fie prin acte de natură, cum ar fi furtuni de vânt sau atacuri intenționate de către oameni. Nu este fezabil să țineți rețeaua electrică la îndemâna elementelor sau a răufăcătorilor umani, dar la fel, rețeaua electrică este absolut vitală pentru viața modernă. Această combinație de vulnerabilitate și necesitate a condus Departamentul pentru Securitate Internă al SUA să ia un interes pentru cele mai mari transformatoare din rețeaua electrică americană, numite transformatoare mari de putere sau LPT. Funcția acestor transformatoare masive, care se află în centralele electrice și pot cântări între 100 și 400 de tone și pot costa milioane de euro dolari, este esențială pentru menținerea vieții de zi cu zi, deoarece eșecul unei singure poate duce la întreruperi de energie electrică pe o scară largă zonă. Acestea sunt transformatoarele care intensifică dramatic tensiunea înainte ca electricitatea să intre în cabluri de înaltă tensiune pe distanțe lungi.

Începând cu 2012, vârsta medie a unui LPT în SUA a fost de aproximativ 40 de ani. Unele dintre transformatoarele de înaltă tensiune de ultimă generație (EHV) de astăzi sunt evaluate la 345.000 volți, iar cererea de transformatoare crește atât în SUA și la nivel global, obligând guvernul SUA să caute modalități atât de a înlocui LPT-urile existente, cât este necesar, cât și de a le dezvolta pe cele noi la un nivel relativ scăzut. cost.

Un transformator este practic un magnet pătrat mare cu o gaură în mijloc. Electricitatea intră pe o parte prin fire înfășurate de mai multe ori în jurul transformatorului și pleacă pe partea opusă prin fire înfășurate de un număr diferit de ori în jurul transformatorului. Intrarea în electricitate induce un câmp magnetic în transformator, care la rândul său induce un câmp electric în celelalte fire, care apoi transportă puterea de la transformator.

La nivelul fizicii, un transformator funcționează profitând de legea lui Faraday, care afirmă că raportul de tensiune a două bobine este egal cu raportul dintre numărul de spire din bobinele respective. Astfel, dacă este necesară o tensiune redusă la un transformator, a doua bobină (de ieșire) conține mai puține rotații decât bobina primară (de intrare).