Kaj je namen transformatorja?

Večina ljudi je verjetno že slišala za transformatorje in se zaveda, da so del vedno očitnega, a še vedno skrivnostno električno omrežje, ki elektriko oskrbuje domove, podjetja in vse druge kraje, kjer je "sok" potrebno. Toda tipična oseba se zavzema za učenje natančnejših točk dovajanja električne energije, morda zato, ker se zdi, da je celoten postopek v nevarnosti. Otroci se že v mladosti naučijo, da je elektrika lahko zelo nevarna, in vsi se zavedajo, da katera koli Žice elektroenergetskega podjetja so z dobrim razlogom visoko izven dosega (ali včasih zakopane v tla).

Toda elektroenergetsko omrežje je v resnici zmaga človeškega inženiringa, brez katerega civilizacije ne bi mogli prepoznati od današnje, v kateri prebivate. Transformator je ključni element pri nadzoru in dobavi električne energije od točke, ko je se proizvaja v elektrarnah, preden tik pred vstopom v dom, poslovno stavbo ali drug konec destinacijo.

Pomislite na jez, ki zadrži milijone litrov vode in tvori umetno jezero. Ker reka, ki napaja to jezero, ne prenaša vedno enake količine vode na območje, pri čemer se njene vode nagibajo k naraščanju spomladi po taljenju snega na številnih območjih in poleti poleti v sušnih časih, mora biti vsak učinkovit in varen jez opremljen z napravami ki omogočajo boljši nadzor nad vodo, kot da jo preprosto ustavimo, da teče, dokler se nivo ne dvigne toliko, da se voda preprosto razlije čez to. Jezovi torej vključujejo vse vrste zapornic in druge mehanizme, ki določajo, koliko vode bo prehod na spodnjo stran jezu, neodvisno od količine vodnega tlaka v zgornjem toku strani.

Približno tako deluje transformator, le da material, ki teče, ni voda, temveč električni tok. Transformatorji služijo za manipulacijo nivoja napetosti, ki teče skozi katero koli točko v elektroenergetskem omrežju (zelo podrobno opisano spodaj) na način, ki uravnoteži učinkovitost prenosa z osnovno varnostjo. Jasno je, da je finančno in praktično ugodno tako za potrošnike kot za lastnike elektrarne in omrežje, da se prepreči izguba električne energije med zapuščanjem električne energije iz elektrarne in njenimi domovi ali drugim destinacij. Po drugi strani pa, če količina napetosti, ki se pretaka skozi tipično visokonapetostno napajalno žico, ne bi bila zmanjšana pred vstopom v vaš dom, bi nastal kaos in katastrofa.

Napetost je merilo razlike električnega potenciala. Nomenklatura je lahko zmedena, ker je veliko študentov slišalo izraz "potencialna energija", kar olajša zamenjavo napetosti z energijo. Dejansko je napetost električna potencialna energija na enoto naboja ali džuli na kulon (J / C). Coulomb je standardna enota električnega naboja v fiziki. En sam elektron je dodeljen -1,609 × 10^-19 kulonov, medtem ko ima proton naboj, enak po velikosti, a nasprotno usmerjen (tj. pozitiven naboj).

Ključna beseda tukaj je v resnici "razlika". Razlog za pretok elektronov z enega kraja na drugega je razlika v napetosti med obema referenčnima točkama. Napetost predstavlja količino dela, ki bi bilo potrebno na enoto polnjenja za premik naboja proti električnemu polju iz prve točke v drugo. Če želite pridobiti občutek obsega, vedite, da prenosne žice na dolge razdalje običajno prenašajo od 155.000 do 765.000 voltov, medtem ko je napetost, ki vstopa v dom, običajno 240 voltov.

V osemdesetih letih so ponudniki električnih storitev uporabljali enosmerni tok (DC). To je bilo obremenjeno z obveznostmi, vključno z dejstvom, da enosmernega toka ni bilo mogoče uporabiti za razsvetljavo in je bil zelo nevaren, kar je zahtevalo debele plasti izolacije. V tem času je izumitelj z imenom William Stanley izdelal indukcijsko tuljavo, napravo, ki lahko ustvarja izmenični tok (AC). V času, ko je Stanley prišel do tega izuma, so fiziki vedeli za pojav AC in njegove prednosti v smislu oskrbe z električno energijo, vendar nihče ni mogel najti načina za dostavo izmeničnega toka na velikem lestvica. Stanleyjeva indukcijska tuljava bi služila kot predloga za vse prihodnje različice naprave.

Stanley je skoraj postal odvetnik, preden se je odločil za delo električarja. Začel je v New Yorku, preden se je preselil v Pittsburg, kjer je začel delati na svojem transformatorju. Leta 1886 je v mestu Great Barrington v Massachusettsu zgradil prvi občinski električni sistem za izmenični tok. Po prelomu stoletja je njegovo električno podjetje kupil General Electric.

Transformator lahko povečuje (stopnjuje) ali zmanjšuje (zmanjšuje) napetost, ki potuje prek napajalnih žic. To je ohlapno analogno načinu, s katerim lahko krvni obtok poveča ali zmanjša dovajanje krvi v določene dele telesa, odvisno od povpraševanja. Ko kri ("moč") zapusti srce ("elektrarna") in doseže vrsto odcepnih točk, lahko konča na potovanju do spodnji del telesa namesto zgornjega dela telesa, nato pa na desno nogo namesto na levo in nato na tele namesto na stegno, itd. To ureja razširitev ali zožitev krvnih žil v ciljnih organih in tkivih. Ko se v elektrarni proizvaja električna energija, transformatorji povečajo napetost od nekaj tisoč do sto tisoč za prenos na velike razdalje. Ko te žice dosežejo točke, imenovane električne postaje, transformatorji zmanjšajo napetost na manj kot 10.000 voltov. Verjetno ste na svojih potovanjih videli te podstanice in njihove transformatorje na srednji ravni; transformatorji so običajno nameščeni v škatlah in so malo podobni hladilnikom, posajenim ob cesti.

Ko električna energija zapusti te postaje, kar običajno počne v več različnih smereh, to stori naleti na druge transformatorje bližje končni točki v podrazdelkih, soseskah in posameznikih domove. Ti transformatorji zmanjšajo napetost z manj kot 10.000 voltov na približno 240 - več kot 1000-krat manj od običajnih najvišjih ravni, vidnih na visokonapetostnih žicah na dolge razdalje.

Transformatorji so seveda le ena komponenta tako imenovanega električnega omrežja, kar je ime za sistem žic, stikala in druge naprave, ki proizvajajo, pošiljajo in krmilijo električno energijo od tam, kjer se proizvaja, do mesta, kjer je končno uporabljen.

Prvi korak pri ustvarjanju električne energije je vrtenje gredi generatorja. Od leta 2018 se to najpogosteje uporablja s pomočjo pare, ki se sprošča pri zgorevanju fosilnih goriv, ​​kot so premog, nafta ali zemeljski plin. Jedrske elektrarne in drugi "čisti" generatorji energije, kot so hidroelektrarne in vetrnice, lahko tudi izkoristijo ali proizvedejo energijo, potrebno za pogon generatorja. Ne glede na to se električna energija, ki nastaja v teh elektrarnah, imenuje trifazna moč. To je zato, ker ti izmenični generatorji ustvarjajo električno energijo, ki niha med nastavljenim minimumom in maksimumom napetost, vsaka od treh faz pa se za 120 stopinj odmika od tistih spredaj in zadaj čas. (Predstavljajte si, kako hodite sem in tja po 12-metrski ulici, medtem ko to počneta še dva človeka, kar pomeni 24-metrska povratno potovanje, le da je eden od ostalih dveh vedno 8 metrov pred vami, drugi pa 8 metrov zadaj ti. Včasih bosta hodila dva v eno smer, drugič pa bosta hodila v drugo smer, spreminjala vsoto gibov, vendar na predvidljiv način. Trifazno izmenično napajanje deluje tako.)

Preden elektrika zapusti elektrarno, prvič naleti na transformator. To je edina točka, pri kateri transformatorji v električnem omrežju izrazito povečajo napetost, namesto da bi jo zmanjšali. Ta korak je potreben, ker električna energija nato vstopi v velike prenosne daljnovode v treh sklopih, po en za vsako fazo moči, nekateri pa bodo morda morali potovati do približno 300 milj.

Na neki točki elektrika naleti na električno postajo, kjer transformatorji zmanjšajo napetost na a raven, primerna za nizkocenovne daljnovode, ki jih vidite v soseskah ali tečete po podeželju avtocest. Tu pride do faze distribucije (v nasprotju s prenosom) dobave električne energije, saj vodi običajno zapustijo elektriko postaj v številnih smereh, tako kot številne arterije, ki se odcepijo od glavne krvne žile na bolj ali manj enakih križišče.

Iz elektropostaje elektrika preide v soseske in zapusti lokalne daljnovode (ki so običajno na "telefonskih stebrih"), da vstopijo v posamezna bivališča. Manjši transformatorji (številni so videti kot majhne kovinske koše za smeti) zmanjšajo napetost na približno 240 voltov, tako da lahko vstopi v domove brez velikega tveganja za požar ali kakšno drugo resno nesrečo.

Transformatorji ne samo, da morajo manipulirati z napetostjo, ampak morajo biti tudi odporni proti poškodbam, pa naj gre za naravne akte, kot so vetrolovi ali namenski napadi, ki jih je ustvaril človek. Ni mogoče, da bi bilo električno omrežje izven dosega elementov ali človeških nagajivcev, vendar pa je električno omrežje nujno za sodobno življenje. Zaradi te kombinacije ranljivosti in nujnosti je ameriško ministrstvo za domovinsko varnost to storilo zanimanje za največje transformatorje v ameriškem elektroenergetskem omrežju, imenovane veliki energetski transformatorji, oz LPT. Funkcija teh masivnih transformatorjev, ki ležijo v elektrarnah in tehtajo od 100 do 400 ton in stanejo milijone dolarjev, je bistvenega pomena za vzdrževanje vsakdanjega življenja, saj lahko odpoved enega samega povzroči izpad električne energije na širokem območju območje. To so transformatorji, ki močno povečajo napetost, preden elektrika vstopi v visokonapetostne žice na velike razdalje.

Od leta 2012 je bila povprečna starost LPT v ZDA približno 40 let. Nekateri današnji vrhunski visokonapetostni transformatorji (EHV) so ocenjeni na 345.000 voltov, povpraševanje po transformatorjih pa narašča tako v ZDA in po vsem svetu, kar je prisililo vlado ZDA, da poišče načine, kako po potrebi nadomestiti obstoječe LPT in razviti nove na razmeroma nizkih stroškov.

Transformator je v bistvu velik, kvadratni magnet z luknjo na sredini. Elektrika vstopi na eni strani prek žic, ki so bile večkrat ovite okoli transformatorja, na nasprotni strani pa zapusti preko žic, ki so bile okoli transformatorja ovite različno število krat. Vstop električne energije inducira magnetno polje v transformatorju, to pa inducira električno polje v drugih žicah, ki nato odvajajo moč iz transformatorja.

Na ravni fizike transformator deluje tako, da izkorišča Faradayev zakon, ki pravi, da je napetostno razmerje dveh tuljav enako razmerju med številom zavojev v posameznih tuljah. Če je torej na transformatorju potrebna zmanjšana napetost, ima druga (odhodna) tuljava manj obratov kot primarna (dohodna) tuljava.