Vad är syftet med en transformator?

De flesta har förmodligen hört talas om transformatorer och är medvetna om att de är en del av det ständigt uppenbara, men ändå stilla mystiskt kraftnät som levererar el till hem, företag och alla andra platser där "juice" är behövs. Men den typiska personen skämmer över att lära sig de finare punkterna för elleverans, kanske för att hela processen verkar dold i fara. Barn lär sig från en ung ålder att elektricitet kan vara mycket farligt, och alla inser att någon kraftföretagets ledningar hålls högt utom räckhåll (eller ibland begravda i marken) av goda skäl.

Men elnätet är i själva verket en triumf för mänsklig teknik, utan vilken civilisation inte skulle kunna kännas igen från den du bor idag. Transformatorn är ett nyckelelement i styrning och leverans av el från den punkt där den är produceras vid kraftverk tills strax innan den kommer in i ett hem, kontorsbyggnad eller andra ändar destination.

Tänk på en damm som håller tillbaka miljontals liter vatten för att bilda en konstgjord sjö. Eftersom floden som matar denna sjö inte alltid bär samma mängd vatten till området, med dess vatten tenderar att stiga i våren efter att snö smälter i många områden och avtar på sommaren under torrare tider, måste varje effektiv och säker damm utrustas med anordningar som möjliggör finare kontroll av vattnet än att helt enkelt hindra det från att flyta tills nivån stiger så mycket att vattnet helt enkelt rinner ut över det. Dammar omfattar därför alla typer av slussportar och andra mekanismer som dikterar hur mycket vatten som kommer passera till nedströmsidan av dammen, oberoende av mängden vattentryck på uppströms sida.

Det är ungefär hur en transformator fungerar, förutom att materialet som flyter inte är vatten utan elektrisk ström. Transformatorer tjänar till att manipulera spänningsnivån som flyter genom vilken punkt som helst i ett elnät (beskrivs i detalj nedan) på ett sätt som balanserar överföringseffektiviteten med grundläggande säkerhet. Det är uppenbart att det är ekonomiskt och praktiskt fördelaktigt för både konsumenter och innehavare av kraftverket och nät för att förhindra kraftförluster mellan el som lämnar kraftverket och dess nå hem eller annat destinationer. Å andra sidan, om mängden spänning som går genom en typisk högspänningsledning inte minskade innan du kom in i ditt hem, skulle kaos och katastrof uppstå.

Spänning är ett mått på elektrisk potentialskillnad. Nomenklaturen kan vara förvirrande eftersom många studenter har hört termen "potentiell energi", vilket gör det enkelt att förväxla spänning med energi. Faktum är att spänning är elektrisk potentiell energi per laddningsenhet eller joule per coulomb (J / C). Coulomb är standardenheten för elektrisk laddning inom fysik. En enda elektron tilldelas -1,609 × 10^-19 coulombs, medan en proton bär en laddning lika stor som motsatt i riktning (dvs. en positiv laddning).

Nyckelordet här är egentligen "skillnad". Anledningen till att elektroner flyter från en plats till en annan är skillnaden i spänning mellan de två referenspunkterna. Spänning representerar den mängd arbete som skulle krävas per enhetsavgift att flytta laddningen mot ett elektriskt fält från den första punkten till den andra. För att få en känsla av skala, vet att långväga överföringstrådar vanligtvis bär från 155 000 till 765 000 volt, medan spänningen som kommer in i ett hem vanligtvis är 240 volt.

På 1880-talet använde elektriska tjänsteleverantörer likström (DC). Detta var full av skulder, inklusive det faktum att DC inte kunde användas för belysning och var mycket farligt, vilket krävde tjocka isoleringsskikt. Under denna tid producerade en uppfinnare vid namn William Stanley induktionsspolen, en anordning som kan skapa växelström (AC). När Stanley kom med denna uppfinning visste fysiker om fenomenet AC och fördelarna med det skulle ha när det gäller strömförsörjning, men ingen hade kunnat komma på ett sätt att leverera växelström på en stor skala. Stanleys induktionsspole skulle fungera som en mall för alla framtida variationer av enheten.

Stanley blev nästan advokat innan han bestämde sig för att arbeta som elektriker. Han började i New York City innan han flyttade till Pittsburgh, där han började arbeta med sin transformator. Han konstruerade det första kommunala växelströmssystemet 1886 i staden Great Barrington, Massachusetts. Efter sekelskiftet köptes hans elbolag av General Electric.

En transformator kan både öka (öka) eller minska (minska) spänningen som går genom kraftledningar. Detta är löst analogt med det sätt på vilket cirkulationssystemet kan öka eller minska blodtillförseln till vissa delar av kroppen beroende på efterfrågan. Efter att blod ("kraft") lämnar hjärtat ("kraftverket"), för att nå en serie grenpunkter, kan det hamna på att resa till underkroppen istället för överkroppen och sedan till höger ben istället för vänster och sedan till kalven i stället för låret, etc. Detta styrs av utvidgning eller förträngning av blodkärl i målorgan och vävnader. När el genereras vid ett kraftverk ökar transformatorer spänningen från några få tusen upp till hundratusentals i syfte att överföra långväga. Eftersom dessa ledningar når punkter som kallas kraftstationer minskar transformatorer spänningen till under 10 000 volt. Du har antagligen sett dessa transformatorstationer och deras mellannivåstransformatorer under dina resor; transformatorerna är vanligtvis inrymda i lådor och ser lite ut som kylskåp planterade vid vägkanten.

När el lämnar dessa stationer, vilket det vanligtvis kan göra i ett antal olika riktningar, det möter andra transformatorer närmare dess slutpunkt i underavdelningar, stadsdelar och individer hem. Dessa transformatorer minskar spänningen från under 10 000 volt till närhet till 240 - över 1000 gånger mindre än de typiska maximala nivåerna som ses i högspänningstrådar.

Transformatorer är naturligtvis bara en komponent i det så kallade kraftnätet, namnet på ledningssystemet, strömbrytare och andra enheter som producerar, skickar och kontrollerar elektricitet varifrån den genereras till var den är slutligen används.

Det första steget i att skapa elkraft är att få generatorn att rotera. Från och med 2018 görs detta oftast med ånga som släpps ut vid förbränning av ett fossilt bränsle, såsom kol, olja eller naturgas. Kärnkraftverk och andra "rena" energiproducenter som vattenkraftverk och vindkraftverk kan också utnyttja eller producera den energi som krävs för att driva generatorn. Oavsett fall kallas elen som genereras vid dessa anläggningar trefasström. Detta beror på att dessa växelströmsgeneratorer skapar elektricitet som svänger mellan ett inställt minimum och maximum spänningsnivå, och var och en av de tre faserna kompenseras med 120 grader från de framåt och bakom den in tid. (Tänk dig att gå fram och tillbaka över en 12 meter lång gata medan två andra gör detsamma, vilket ger en 24 meter tur och retur, förutom att en av de andra två alltid är 8 meter före dig och den andra är 8 meter efter du. Vid vissa tillfällen kommer två av er att gå i en riktning, medan andra två kommer att gå i den andra riktningen, varierande summan av dina rörelser, men på ett förutsägbart sätt. Detta är löst hur trefas växelström fungerar.)

Innan elen lämnar kraftverket möter den en transformator för första gången. Detta är den enda punkt där transformatorer i ett elnät markant ökar spänningen snarare än att minska den. Detta steg behövs eftersom elen sedan kommer in i stora överföringsledningar i uppsättningar om tre, en för varje kraftfas, och en del av den kan behöva resa upp till 300 miles eller så.

Vid någon tidpunkt stöter elen på en kraftstation, där transformatorer reducerar spänningen till a nivå lämplig för de mer lågmälda kraftledningar du ser i stadsdelar eller springer längs landsbygden motorvägar. Det är här distributionsfasen (i motsats till överföring) av elleveransen sker, eftersom linjer vanligtvis lämnar ström transformatorstationer i ett antal riktningar, precis som ett antal artärer som förgrenar sig från ett större blodkärl på ungefär samma sätt korsning.

Från kraftstationen går elen till stadsdelar och lämnar de lokala kraftledningarna (som vanligtvis finns på "telefonstolpar") för att komma in i enskilda bostäder. Mindre transformatorer (varav många ser ut som små soptunnor av metall) sänker spänningen till cirka 240 volt så att den kan komma in i bostäder utan stor risk att orsaka brand eller något annat allvarligt missöde.

Transformatorer behöver inte bara göra jobbet med att manipulera spänning, men de måste också vara motståndskraftiga mot skador, vare sig det är av naturhandlingar som vindstormar eller målmedvetna mänskliga konstruktioner. Det är inte möjligt att hålla elnätet utom räckhåll för elementen eller mänskliga orättfärdigheter, men detsamma är elnätet absolut nödvändigt för det moderna livet. Denna kombination av sårbarhet och nödvändighet har lett till att U.S. Department of Homeland Security tar ett intresse för de största transformatorerna i det amerikanska kraftnätet, kallat stora krafttransformatorer, eller LPT. Funktionen hos dessa massiva transformatorer, som ligger inom kraftverk och kan väga 100 till 400 ton och kosta miljoner dollar är viktigt för att upprätthålla vardagen, eftersom ett enda fel kan leda till strömavbrott över hela bredden område. Det här är transformatorerna som ökar spänningen dramatiskt innan el går in i högspänningsledningar.

Från och med 2012 var medelåldern för en LPT i USA cirka 40 år. Några av dagens topphögspänningstransformatorer (EHV) är rankade till 345 000 volt och efterfrågan på transformatorer ökar både i USA och globalt tvingar den amerikanska regeringen att söka sätt att både ersätta befintliga LPT: er efter behov och utveckla nya till ett relativt lågt kosta.

En transformator är i grunden en stor, fyrkantig magnet med ett hål i mitten. Elektricitet kommer in på ena sidan via ledningar lindade ett antal gånger runt transformatorn och lämnar på motsatt sida via ledningar lindade ett annat antal gånger runt transformatorn. Inmatning av elektricitet inducerar ett magnetfält i transformatorn, vilket i sin tur inducerar ett elektriskt fält i de andra ledningarna, som sedan för med sig ström från transformatorn.

På fysiknivå fungerar en transformator genom att utnyttja Faradays lag, som säger att spänningsförhållandet mellan två spolar är lika med förhållandet mellan antalet varv i respektive spolar. Således om reducerad spänning krävs vid en transformator, innehåller den andra (utgående) spolen färre varv än den primära (inkommande) spolen.