Aký je účel transformátora?

Väčšina ľudí pravdepodobne počula o transformátoroch a sú si vedomí, že sú súčasťou stále zjavného, ​​ale stále existujúceho záhadná elektrická sieť, ktorá dodáva elektrinu do domácností, firiem a na všetky ostatné miesta, kde je „džús“ potrebné. Ale typický človek sa bráni tomu, aby spoznal jemné body dodávky elektrickej energie, možno preto, že sa zdá, že celý proces je skrytý v nebezpečenstve. Deti sa odmalička učia, že elektrina môže byť veľmi nebezpečná, a každý si uvedomuje, že každá vodiče energetickej spoločnosti sú držané vysoko mimo dosahu (alebo niekedy zakopané v zemi) z dobrého dôvodu.

Ale elektrická sieť je v skutočnosti triumfom ľudského inžinierstva, bez ktorého by bola civilizácia na nerozoznanie od tej, ktorú dnes obývate. Transformátor je kľúčovým prvkom pri riadení a dodávke elektrickej energie z bodu, v ktorom sa nachádza sa vyrába v elektrárňach až tesne pred vstupom do domu, administratívnej budovy alebo na iný koniec destinácia.

Spomeňte si na priehradu, ktorá zadržiava milióny galónov vody a vytvára umelé jazero. Pretože rieka napájajúca toto jazero nie vždy prenáša do oblasti rovnaké množstvo vody, pričom jej vody majú tendenciu stúpať v na jar, keď sa v mnohých oblastiach topí sneh a v letných mesiacoch príliv odchádza, musí byť každá efektívna a bezpečná hrádza vybavená zariadeniami ktoré umožňujú jemnejšiu kontrolu nad vodou, ako len jednoducho zabrániť jej prietoku, kým hladina nestúpne natoľko, že sa voda jednoducho vyleje nad tým. Priehrady preto zahŕňajú všetky druhy stavidiel a ďalšie mechanizmy, ktoré určujú, koľko vody bude prechádzajú na spodnú časť hrádze, nezávisle od množstva tlaku vody v protiprúde strana.

Zhruba takto funguje transformátor, až na to, že prúdiacim materiálom nie je voda, ale elektrický prúd. Transformátory slúžia na manipuláciu s úrovňou napätia pretekajúceho ktorýmkoľvek bodom v elektrickej sieti (podrobne popísaným nižšie) spôsobom, ktorý vyvažuje účinnosť prenosu so základnou bezpečnosťou. Je zrejmé, že je to finančne a prakticky výhodné pre spotrebiteľov aj pre majiteľov elektrární a elektrární mriežka, aby sa zabránilo stratám energie medzi elektrinou opúšťajúcou elektráreň a jej príchodom k domovom alebo iným destinácií. Na druhej strane, ak by sa množstvo napätia prúdiace cez typický vysokonapäťový napájací vodič neznížilo pred vstupom do vášho domova, nastal by chaos a katastrofa.

Napätie je mierou rozdielu elektrického potenciálu. Nomenklatúra môže byť mätúca, pretože veľa študentov počulo výraz „potenciálna energia“, čo uľahčuje zámenu napätia s energiou. V skutočnosti je napätie elektrická potenciálna energia na jednotku nabitia alebo joulov na coulomb (J / C). Coulomb je štandardná jednotka elektrického náboja vo fyzike. Jedinému elektrónu je priradených -1,609 × 10^-19 coulomby, zatiaľ čo protón nesie náboj rovnakej veľkosti, ale opačného smeru (t. j. kladný náboj).

Kľúčové slovo tu je v skutočnosti „rozdiel“. Dôvodom, prečo elektróny prúdia z jedného miesta na druhé, je rozdiel v napätí medzi dvoma referenčnými bodmi. Napätie predstavuje množstvo práce, ktoré by bolo potrebné na jednotku poplatku pohybovať nábojom proti elektrickému poľu z prvého bodu do druhého. Ak chcete získať zmysel pre mierku, vedzte, že diaľkové prenosové drôty majú obvykle napätie od 155 000 do 765 000 voltov, zatiaľ čo napätie vstupujúce do domácnosti je zvyčajne 240 voltov.

V 80. rokoch 19. storočia poskytovatelia elektrických služieb využívali jednosmerný prúd (DC). To bolo plné záväzkov, vrátane skutočnosti, že DC sa nemohol použiť na osvetlenie a bol veľmi nebezpečný, vyžadujúci hrubé vrstvy izolácie. V tomto období vynálezca William Stanley vyrobil indukčnú cievku, zariadenie schopné vytvárať striedavý prúd (AC). V čase, keď Stanley prišiel s týmto vynálezom, fyzici vedeli o fenoméne AC a jeho výhodách by mal z hľadiska napájania, ale nikto nebol schopný prísť s prostriedkom na dodávku striedavého prúdu vo veľkom mierka. Stanleyho indukčná cievka by slúžila ako šablóna pre všetky budúce variácie zariadenia.

Stanley sa takmer stal právnikom, kým sa rozhodol pracovať ako elektrikár. Začínal v New Yorku, potom sa presťahoval do Pittsburghu, kde začal pracovať na svojom transformátore. Prvý mestský systém striedavého prúdu skonštruoval v roku 1886 v meste Great Barrington v štáte Massachusetts. Po prelome storočí jeho energetickú spoločnosť kúpila spoločnosť General Electric.

Transformátor môže zvýšiť (zvýšiť) alebo znížiť (znížiť) napätie prechádzajúce silovými vodičmi. Je to voľne analogické so spôsobom, ktorým môže obehový systém zvýšiť alebo znížiť prívod krvi do určitých častí tela v závislosti od potreby. Keď krv („sila“) opustí srdce („elektráreň“) a dosiahne sériu odbočných bodov, môže sa skončiť cestovaním k spodná časť tela namiesto hornej časti tela a potom na pravú nohu namiesto ľavej a potom na lýtka namiesto stehna, atď. To sa riadi rozšírením alebo zúžením krvných ciev v cieľových orgánoch a tkanivách. Keď sa elektrina vyrába v elektrárni, transformátory zvyšujú napätie z niekoľkých tisíc na stovky tisíc na účely diaľkového prenosu. Keď sa tieto drôty dostanú do bodov nazývaných energetické rozvodne, transformátory znižujú napätie na menej ako 10 000 voltov. Tieto rozvodne a ich transformátory na strednej úrovni ste pravdepodobne videli na svojich cestách; transformátory sú zvyčajne umiestnené v škatuliach a vyzerajú trochu ako chladničky umiestnené pri ceste.

Keď elektrina opustí tieto stanice, čo môže zvyčajne robiť v mnohých rôznych smeroch, je to tak stretáva s inými transformátormi bližšie k svojmu koncovému bodu v podoblastiach, štvrtiach a jednotlivcoch domov. Tieto transformátory znižujú napätie pod 10 000 voltov do blízkosti 240 - čo je viac ako 1 000-krát menej, ako sú typické maximálne hodnoty zaznamenané vo vodičoch vysokého napätia na veľké vzdialenosti.

Transformátory sú samozrejme iba jednou súčasťou takzvanej elektrickej siete, názvom systému drôtov, prepínače a ďalšie zariadenia, ktoré vyrábajú, odosielajú a riadia elektrinu z miesta, kde sa vyrába, na miesto, kde je nakoniec použitý.

Prvým krokom pri vytváraní elektrickej energie je roztočenie hriadeľa generátora. Od roku 2018 sa to najčastejšie deje pomocou pary uvoľňovanej pri spaľovaní fosílneho paliva, ako je uhlie, ropa alebo zemný plyn. Jadrové elektrárne a iné „čisté“ generátory energie, ako sú vodné elektrárne a veterné farmy, môžu tiež využívať alebo vyrábať energiu potrebnú na pohon generátora. V každom prípade sa elektrina vyrobená v týchto elektrárňach nazýva trojfázová energia. Je to preto, že tieto generátory striedavého prúdu vytvárajú elektrinu, ktorá osciluje medzi stanoveným minimom a maximom úroveň napätia a každá z troch fáz je posunutá o 120 stupňov od tých pred a za ňou v čas. (Predstavte si, že chodíte tam a späť po 12 metrovej ulici, zatiaľ čo dvaja ďalší ľudia robia to isté, a to je 24 metrov okružná cesta, až na to, že jeden z ďalších dvoch ľudí je vždy 8 metrov pred vami a druhý je 8 metrov za vami ty. Niekedy budete dvaja kráčať jedným smerom, zatiaľ čo dvaja budete kráčať opačným smerom, pričom sa bude meniť súčet vašich pohybov, ale predvídateľným spôsobom. Takto voľne funguje trojfázové napájanie.)

Skôr ako elektrina opustí elektráreň, stretne sa prvýkrát s transformátorom. Toto je jediný bod, v ktorom transformátory v elektrickej sieti výrazne zvyšujú napätie namiesto jeho znižovania. Tento krok je potrebný, pretože elektrina potom vstupuje do veľkých prenosových vedení v trojčlenných setoch, jednom pre každú fázu napájania a niektoré z nich môžu musieť prekonať vzdialenosť asi 300 míľ.

V určitom okamihu sa elektrina stretne s rozvodňou, kde transformátory znižujú napätie na a úroveň vhodná pre nízkonapäťové elektrické vedenie, ktoré vidíte v štvrtiach alebo pozdĺž vidieka diaľnice. Tu nastáva fáza distribúcie (na rozdiel od prenosu) dodávky elektriny, pretože vedenia obvykle nechávajú energiu rozvodne v mnohých smeroch, rovnako ako niekoľko tepien odbočujúcich z hlavnej cievy vo viac-menej rovnakom smere križovatka.

Z rozvodne elektrickej energie prechádza elektrina do štvrtí a z miestnych elektrických vedení (ktoré sú zvyčajne na „telefónnych stožiaroch“) vstupujú do jednotlivých príbytkov. Menšie transformátory (z ktorých mnohé vyzerajú ako malé kovové odpadkové koše) znižujú napätie na približne 240 voltov, takže sa môžu dostať do domácností bez veľkého rizika vzniku požiaru alebo inej závažnej nehody.

Transformátory musia nielen manipulovať s napätím, ale musia byť odolné aj voči poškodeniu, či už prírodnými činmi, ako sú veterné smršte alebo účelové útoky spôsobené človekom. Nie je možné udržiavať elektrickú sieť mimo dosahu prvkov alebo ľudských zločincov, ale rovnako je elektrická sieť pre moderný život absolútne nevyhnutná. Táto kombinácia zraniteľnosti a nevyhnutnosti viedla americké ministerstvo vnútornej bezpečnosti k prijatiu záujem o najväčšie transformátory v americkej energetickej sieti, nazývané veľké výkonové transformátory, alebo LPT. Funkcia týchto mohutných transformátorov, ktoré ležia v elektrárňach a môžu vážiť 100 až 400 ton a stáť milióny dolárov, je nevyhnutné pre udržanie každodenného života, pretože zlyhanie jediného môže viesť k výpadkom elektrickej energie v širokom rozsahu oblasti. Jedná sa o transformátory, ktoré dramaticky zvyšujú napätie predtým, ako elektrina vstupuje do drôtov vysokého napätia na veľké vzdialenosti.

Od roku 2012 bol priemerný vek LPT v USA asi 40 rokov. Niektoré z dnešných špičkových transformátorov vysokého napätia (EHV) sú dimenzované na 345 000 voltov a dopyt po nich rastie. USA a globálne, ktoré nútia vládu USA hľadať spôsoby, ako podľa potreby nahradiť existujúce LPT a vyvinúť nové na porovnateľne nízkej úrovni náklady.

Transformátor je v podstate veľký štvorcový magnet s otvorom v strede. Elektrická energia vstupuje na jednej strane vodičmi ovinutými niekoľkokrát okolo transformátora a odchádza na opačnej strane vodičmi navinutými rôzne veľakrát okolo transformátora. Vstupom do elektriny sa indukuje magnetické pole v transformátore, ktoré zase indukuje elektrické pole v ostatných vodičoch, ktoré potom prenášajú energiu z transformátora.

Na úrovni fyziky transformátor pracuje s využitím Faradayovho zákona, ktorý hovorí, že pomer napätia dvoch cievok sa rovná pomeru počtu závitov v príslušných cievkach. Ak je teda v transformátore potrebné znížené napätie, druhá (výstupná) cievka obsahuje menej závitov ako primárna (vstupná) cievka.