Која је сврха трансформатора?

Већина људи је вероватно чула за трансформаторе и свесна је да су они део увек евидентног, а ипак мирног стања мистериозна електрична мрежа која испоручује електричну енергију кућама, предузећима и свим осталим местима где је „сок“ потребно. Али типична особа се суочава са учењем финих тачака испоруке електричне енергије, можда зато што се чини да је читав тај процес прекривен опасношћу. Деца од малих ногу уче да електрична енергија може бити веома опасна и сви схватају да било која Жице електроенергетских предузећа се с добрим разлогом држе високо изван досега (или понекад закопане у земљу).

Али електроенергетска мрежа је у ствари тријумф људског инжењеринга, без којег цивилизација не би била препознатљива од оне у којој данас живите. Трансформатор је кључни елемент у контроли и испоруци електричне енергије од тачке у којој је се производи у електранама све док непосредно пре уласка у кућу, пословну зграду или други крај одредиште.

Замислите брану која задржава милионе галона воде да би створила вештачко језеро. Будући да река која храни ово језеро не носи увек једнаку количину воде у то подручје, а његове воде теже да расту у пролеће након отапања снега у многим областима и опадања лети током сушних времена, свака ефикасна и сигурна брана мора бити опремљена уређајима који омогућавају финију контролу воде него што је једноставно заустављање да тече све док ниво не нарасте толико да се вода једноставно пролије преко тога. Бране стога укључују све врсте враташца и друге механизме који одређују колико ће вода бити проћи на низводну страну бране, независно од количине притиска воде на узводној страни страни.

Отприлике овако ради трансформатор, осим што материјал који тече није вода већ електрична струја. Трансформатори служе за манипулисање нивоом напона који тече кроз било коју тачку у електроенергетској мрежи (детаљно описано у наставку) на начин да се уравнотежи ефикасност преноса са основном сигурношћу. Јасно је да је то финансијски и практично повољно и за потрошаче и за власнике електране и мрежа за спречавање губитака електричне енергије између напуштања електричне енергије из електране и њених домова или другог одредишта. С друге стране, ако количина напона која пролази кроз типичну високонапонску жицу за напајање није смањена пре уласка у ваш дом, настао би хаос и катастрофа.

Напон је мера разлике у електричном потенцијалу. Номенклатура може да збуни јер су многи студенти чули термин „потенцијална енергија“, што олакшава мешање напона са енергијом. У ствари, напон је електрична потенцијална енергија по јединици наелектрисања, или џула по кулону (Ј / Ц). Кулон је стандардна јединица електричног наелектрисања у физици. Једном електрону се додељује -1,609 × 10^-19 кулона, док протон носи наелектрисање једнаке величине, али супротно смеру (тј. позитивно наелектрисање).

Кључна реч овде је заиста „разлика“. Разлог што електрони прелазе са једног места на друго је разлика у напону између две референтне тачке. Напон представља количину посла који би био потребан по јединици пуњења за померање наелектрисања против електричног поља из прве тачке у другу. Да бисте стекли осећај размера, знајте да далеководне преносне жице обично носе од 155.000 до 765.000 волти, док напон који улази у кућу обично износи 240 волти.

1880-их добављачи електричних услуга користили су једносмерну струју (ДЦ). То је било преплављено одговорностима, укључујући чињеницу да једносмерна струја није могла да се користи за осветљење и да је била врло опасна, захтевајући дебеле слојеве изолације. Током овог времена, проналазач по имену Виллиам Станлеи произвео је индукциону завојницу, уређај способан за стварање наизменичне струје (АЦ). У време када је Станлеи смислио овај изум, физичари су знали за феномен АЦ и његове предности у погледу напајања, али нико није успео да смисли начин испоруке наизменичне струје на велико Скала. Стенлијева индукциона завојница послужила би као образац за све будуће варијације уређаја.

Станлеи је замало постао адвокат пре него што се одлучио за посао електричара. Почео је у Њујорку, пре него што се преселио у Питтсбург, где је почео да ради на свом трансформатору. Конструисао је први општински систем напајања наизменичном струјом 1886. године у граду Греат Баррингтон, Массацхусеттс. После преласка века, његову електро компанију купио је Генерал Елецтриц.

Трансформатор може повећати (појачати) или смањити (смањити) напон који путује кроз електричне жице. Ово је слабо аналогно начину на који циркулаторни систем може повећати или смањити доток крви у одређене делове тела у зависности од потражње. Након што крв („снага“) напусти срце („електрана“), да би достигла низ тачака одвајања, може завршити путујући до доњи део тела уместо горњег дела тела, а затим на десну ногу уместо леву, а затим на теле уместо бутине, итд. Ово се регулише ширењем или стезањем крвних судова у циљним органима и ткивима. Када се електрична енергија производи у електрани, трансформатори појачавају напон од неколико хиљада до стотине хиљада у сврху преноса на велике даљине. Како ове жице досежу тачке које се називају трафостанице, трансформатори смањују напон на испод 10 000 волти. Вероватно сте на својим путовањима видели ове трафостанице и њихове трансформаторе средњег нивоа; трансформатори су обично смештени у кутије и мало личе на фрижидере постављене поред пута.

Када струја напусти ове станице, што обично може учинити у више различитих праваца, то и чини наилази на друге трансформаторе ближе крајњој тачки у подразделима, квартима и појединцима домова. Ови трансформатори смањују напон са испод 10.000 волти на око 240 - преко 1.000 пута мање од типичних максималних нивоа виђених на великим даљинским жицама високог напона.

Трансформатори су, наравно, само једна компонента такозване електричне мреже, назив за систем жица, прекидачи и други уређаји који производе, шаљу и контролишу електричну енергију од места где се производи до места где је на крају коришћена.

Први корак у стварању електричне енергије је покретање осовине генератора. Од 2018. године то се најчешће ради помоћу паре која се ослобађа у сагоревању фосилног горива, попут угља, нафте или природног гаса. Нуклеарне електране и други „чисти“ генератори енергије, као што су хидроелектране и фарме ветрењача, такође могу да искористе или произведу енергију потребну за погон генератора. У сваком случају, електрична енергија која се производи у тим постројењима назива се трофазна снага. То је зато што ови генератори наизменичне струје стварају електричну енергију која осцилира између постављеног минимума и максимума ниво напона, а свака од три фазе је померена за 120 степени од оне испред и иза ње у време. (Замислите да ходате напред-назад улицом од 12 метара док то раде још две особе, правећи 24 метра кружно путовање, осим што је једна од друге две особе увек 8 метара испред вас, а друга 8 метара иза ти. Понекад ћете двоје ходати у једном смеру, док ћете други пут ходати у другом смеру, варирајући збир кретања, али на предвидљив начин. Трофазно напајање наизменично функционише на овај начин.)

Пре него што електрична енергија напусти електрану, први пут наилази на трансформатор. Ово је једина тачка у којој трансформатори у електроенергетској мрежи знатно појачавају напон, уместо да га смањују. Овај корак је потребан јер електрична енергија затим улази у велике преносне водове у сетовима од по три, по један за сваку фазу напајања, а неки од њих ће можда морати прећи и до 300 миља.

У неком тренутку електрична енергија наилази на трафостаницу, где трансформатори смањују напон на а ниво погодан за тихе далеководе које видите у квартима или који иду дуж села аутопутева. Ту се дешава фаза дистрибуције (за разлику од преноса) испоруке електричне енергије, јер водови обично напуштају струју трафостанице у више праваца, баш као и бројне артерије које се одвајају од главног крвног суда на више или мање истим спој.

Из трафостанице, електрична енергија прелази у суседства и оставља локалне далеководе (који су обично на „телефонским стубовима“) да би ушла у појединачне резиденције. Мањи трансформатори (од којих многи изгледају као мале металне канте за смеће) смањују напон на око 240 волти, тако да може ући у домове без великог ризика да изазове пожар или неку другу озбиљну несрећу.

Трансформатори не само да морају да раде посао манипулисања напоном, већ морају да буду и отпорни на оштећења, било то природним дејствима као што су ветрометине или наменски напади направљени човеком. Није могуће држати електроенергетску мрежу ван дохвата елемената или људских неваљалаца, али исто тако, електрична мрежа је апсолутно од виталног значаја за савремени живот. Ова комбинација рањивости и нужности довела је до тога да америчко Министарство за унутрашњу безбедност прихвати интересовање за највеће трансформаторе у америчкој електроенергетској мрежи, зване велики енергетски трансформатори, или ЛПТ. Функција ових масивних трансформатора који се налазе у електранама и могу бити тешки од 100 до 400 тона и коштају милионе долара, од суштинске је важности за одржавање свакодневног живота, јер неуспех једног јединог може довести до нестанка струје у великом броју подручје. То су трансформатори који драматично појачавају напон пре него што електрична енергија уђе у велике високонапонске жице.

Од 2012. године средња старост ЛПТ-а у САД била је око 40 година. Неки од данашњих врхунских високонапонских (ЕХВ) трансформатора оцењени су на 345.000 волти, а потражња за трансформаторима расте како у САД и глобално, приморавајући америчку владу да тражи начине како да замени постојеће ЛПТ по потреби, тако и да развије нове на релативно ниском нивоу трошак.

Трансформатор је у основи велики, квадратни магнет са рупом у средини. Електрична енергија улази на једну страну преко жица омотаних више пута око трансформатора, а одлази на супротну страну преко жица омотаних различити број пута око трансформатора. Улазак у електричну енергију индукује магнетно поље у трансформатору, што заузврат индукује електрично поље у осталим жицама, које затим одводе снагу од трансформатора.

На нивоу физике, трансформатор ради користећи Фарадаи-ов закон који каже да је однос напона две завојнице једнак односу броја завоја у одговарајућим завојницама. Према томе, ако је на трансформатору потребан смањени напон, друга (одлазећа) завојница садржи мање завоја од примарне (долазне) завојнице.