Bir Transformatörün Amacı Nedir?

Çoğu insan muhtemelen transformatörleri duymuştur ve bunların her zaman aşikar ama yine de evlere, işyerlerine ve "meyve suyu"nun bulunduğu her yere elektrik sağlayan gizemli elektrik şebekesi. gerekli. Ancak tipik bir kişi, belki de tüm süreç tehlikede göründüğü için, elektrik enerjisi dağıtımının daha ince noktalarını öğrenmekten kaçınır. Çocuklar, elektriğin çok tehlikeli olabileceğini küçük yaşlardan itibaren öğrenirler ve herkes, herhangi bir elektrik şirketinin kabloları iyi bir nedenden dolayı erişemeyecekleri yüksekte (veya bazen toprağa gömülü) tutulur.

Ancak elektrik şebekesi aslında insan mühendisliğinin bir zaferidir, bu olmadan medeniyet bugün yaşadığınızdan tanınmaz olurdu. Transformatör, elektriğin bulunduğu noktadan kontrolünde ve iletilmesinde kilit bir unsurdur. bir eve, ofis binasına veya başka bir yere girmeden hemen öncesine kadar elektrik santrallerinde üretilir. hedef.

Yapay bir göl oluşturmak için milyonlarca galon suyu tutan bir baraj düşünün. Çünkü bu gölü besleyen nehir her zaman aynı miktarda suyu bölgeye taşımamakta, suları kuzeydoğuda yükselme eğilimi göstermektedir. İlkbaharda birçok alanda karlar eridikten ve yazın daha kurak zamanlarda geri çekildikten sonra, etkili ve güvenli herhangi bir barajın cihazlarla donatılması gerekir. Seviye o kadar yükselene kadar sadece akmasını durdurmaktan ziyade suyun daha hassas kontrolüne izin verir, böylece su basitçe dökülür üzerinde. Bu nedenle barajlar, ne kadar su alacağını belirleyen her türlü savak kapısını ve diğer mekanizmaları içerir. membadaki su basıncı miktarından bağımsız olarak barajın mansap tarafına geçmek yan.

Bu kabaca bir transformatörün çalışma şeklidir, ancak akan malzemenin su değil elektrik akımı olması dışında. Transformatörler, bir elektrik şebekesindeki herhangi bir noktadan akan voltaj seviyesini (aşağıda ayrıntılı olarak açıklanmıştır) iletim verimliliğini temel güvenlikle dengeleyecek şekilde değiştirmeye hizmet eder. Açıkça, hem tüketiciler hem de santral sahipleri için finansal ve pratik olarak avantajlıdır ve Elektriğin santralden çıkması ile evlere veya diğer yerlere ulaşması arasındaki güç kayıplarını önlemek için şebeke destinasyonlar. Öte yandan, tipik bir yüksek gerilimli güç kablosundan akan voltaj miktarı evinize girmeden önce azalmazsa, kaos ve felaket ortaya çıkar.

Voltaj, elektrik potansiyel farkının bir ölçüsüdür. Adlandırma kafa karıştırıcı olabilir, çünkü birçok öğrenci "potansiyel enerji" terimini duymuştur, bu da voltajı enerjiyle karıştırmayı kolaylaştırır. Aslında voltaj, birim yük başına elektrik potansiyel enerjisi veya coulomb (J/C) başına joule'dür. Coulomb, fizikte standart elektrik yükü birimidir. Tek bir elektrona -1.609 × 10 atanır^-19 coulomb, bir proton ise büyüklük olarak eşit fakat zıt yönde bir yük taşır (yani pozitif bir yük).

Buradaki anahtar kelime, gerçekten, "farklılık". Elektronların bir yerden başka bir yere akmasının nedeni, iki referans noktası arasındaki voltaj farkıdır. Voltaj, gerekli olacak iş miktarını temsil eder birim ücret başına yükü bir elektrik alanına karşı ilk noktadan ikinci noktaya taşımak. Bir ölçek duygusu elde etmek için, uzun mesafeli iletim kablolarının tipik olarak 155.000 ila 765.000 volt taşıdığını ve bir eve giren voltajın genellikle 240 volt olduğunu bilin.

1880'lerde elektrik servis sağlayıcıları doğru akımdan (DC) yararlandı. Bu, DC'nin aydınlatma için kullanılamaması ve kalın yalıtım katmanları gerektiren çok tehlikeli olması da dahil olmak üzere yükümlülüklerle doluydu. Bu süre zarfında William Stanley adlı bir mucit, alternatif akım (AC) oluşturabilen bir cihaz olan endüksiyon bobinini üretti. Stanley bu buluşu bulduğunda, fizikçiler AC fenomenini ve avantajlarından haberdardılar. güç kaynağı açısından olurdu, ancak hiç kimse AC'yi geniş bir alana teslim etmenin bir yolunu bulamamıştı. ölçek. Stanley'nin endüksiyon bobini, cihazın gelecekteki tüm varyasyonları için bir şablon görevi görecekti.

Stanley, elektrikçi olarak çalışmaya karar vermeden önce neredeyse avukat olacaktı. Transformatörü üzerinde çalışmaya başladığı Pittsburgh'a taşınmadan önce New York'ta başladı. İlk belediye AC güç sistemini 1886'da Massachusetts, Great Barrington kasabasında inşa etti. Yüzyılın sonunda, elektrik şirketi General Electric tarafından satın alındı.

Bir transformatör, güç kablolarından geçen voltajı hem artırabilir (yükseltebilir) hem de azaltabilir (azaltabilir). Bu, dolaşım sisteminin talebe bağlı olarak vücudun belirli bölgelerine kan tedarikini artırma veya azaltma şekline gevşek bir şekilde benzer. Kan ("güç") kalbi ("enerji santrali") terk ettikten sonra, bir dizi dal noktasına ulaşmak için, üst gövde yerine alt gövdeye, sonra sol yerine sağ bacağa ve sonra uyluk yerine baldıra, vb. Bu, hedef organ ve dokulardaki kan damarlarının genişlemesi veya daralması ile yönetilir. Bir elektrik santralinde elektrik üretildiğinde, transformatörler, uzun mesafeli iletim amacıyla voltajı birkaç binden yüzbinlere yükseltir. Bu teller güç trafo merkezleri adı verilen noktalara ulaştığında, transformatörler voltajı 10.000 voltun altına düşürür. Bu trafo merkezlerini ve orta seviye trafolarını muhtemelen seyahatlerinizde görmüşsünüzdür; transformatörler genellikle kutularda bulunur ve yol kenarına yerleştirilmiş buzdolaplarına benzer.

Elektrik, genellikle birkaç farklı yönde yapabileceği bu istasyonlardan ayrıldığında, alt bölümlerde, mahallelerde ve bireysel olarak uç noktasına daha yakın olan diğer transformatörlerle karşılaşır. evler. Bu transformatörler, voltajı 10.000 voltun altından 240 civarına düşürür - uzun mesafeli yüksek gerilim kablolarında görülen tipik maksimum seviyelerden 1.000 kat daha az.

Transformatörler, elbette, sözde elektrik şebekesinin yalnızca bir bileşenidir, teller sisteminin adıdır, Elektriği üretildiği yerden bulunduğu yere üreten, gönderen ve kontrol eden anahtarlar ve diğer cihazlar sonuçta kullanılır.

Elektrik gücü yaratmanın ilk adımı, bir jeneratörün şaftının dönmesini sağlamaktır. 2018 itibariyle, çoğu zaman bu, kömür, petrol veya doğal gaz gibi bir fosil yakıtın yanması sonucu açığa çıkan buhar kullanılarak yapılır. Nükleer santraller ve hidro santraller ve yel değirmeni çiftlikleri gibi diğer "temiz" enerji jeneratörleri de jeneratörü çalıştırmak için gereken enerjiyi kullanabilir veya üretebilir. Durum ne olursa olsun, bu santrallerde üretilen elektriğe üç fazlı güç denir. Bunun nedeni, bu AC jeneratörlerinin belirli bir minimum ve maksimum arasında salınan elektrik üretmesidir. gerilim seviyesi ve üç fazın her biri, önündeki ve arkasındakilerden 120 derece dengelenmiştir. zaman. (12 metrelik bir caddede ileri geri yürüdüğünüzü ve diğer iki kişinin de aynı şeyi yaptığını ve 24 metrelik bir yol yaptığını hayal edin. gidiş-dönüş, diğer iki kişiden birinin her zaman 8 metre önünüzde ve diğerinin 8 metre gerisinde olması dışında sen. Bazı zamanlarda ikiniz bir yönde, diğer zamanlarda ikiniz diğer yönde, hareketlerinizin toplamını değiştirerek, ancak öngörülebilir bir şekilde yürüyeceksiniz. Üç fazlı AC gücünün nasıl çalıştığı gevşek bir şekilde budur.)

Elektrik santralden çıkmadan önce ilk defa bir trafo ile karşılaşır. Bu, bir elektrik şebekesindeki transformatörlerin voltajı azaltmak yerine belirgin şekilde artırdığı tek noktadır. Bu adım gereklidir, çünkü elektrik daha sonra her bir güç fazı için birer tane olmak üzere büyük iletim hatlarına üç set halinde girer ve bazılarının 300 mil kadar yol kat etmesi gerekebilir.

Bir noktada elektrik, transformatörlerin voltajı bir dereceye kadar düşürdüğü bir güç trafo merkezi ile karşılaşır. mahallelerde veya kırsal kesimlerde gördüğünüz daha düşük anahtarlı elektrik hatları için uygun seviye karayolları. Hatlar genellikle güçten ayrıldığından, elektrik dağıtımının dağıtım (iletim yerine) aşamasının gerçekleştiği yer burasıdır. trafo merkezleri, tıpkı büyük bir kan damarından aşağı yukarı aynı anda dallanan bir dizi arter gibi Kavşak noktası.

Elektrik trafo merkezinden, elektrik mahallelere geçer ve bireysel konutlara girmek için yerel elektrik hatlarını (genellikle "telefon direkleri" üzerindedir) terk eder. Daha küçük transformatörler (çoğu küçük metal çöp kutularına benziyor), voltajı yaklaşık 240 volta düşürür, böylece yangına veya başka bir ciddi aksiliğe neden olma riski olmadan evlere girebilir.

Transformatörlerin yalnızca voltajı manipüle etme işini yapmaları gerekmez, aynı zamanda rüzgar fırtınaları veya kasıtlı insan mühendisliği saldırıları gibi doğa olayları nedeniyle hasara karşı dirençli olmaları gerekir. Elektrik şebekesini elementlerin veya kötü insanların erişemeyeceği bir yerde tutmak mümkün değildir, ancak aynı şekilde, elektrik şebekesi modern yaşam için kesinlikle hayati öneme sahiptir. Bu güvenlik açığı ve gereklilik kombinasyonu, ABD İç Güvenlik Bakanlığı'nın Amerikan elektrik şebekesindeki büyük güç transformatörleri olarak adlandırılan en büyük transformatörlere ilgi veya LPT. Santrallerin içinde yer alan ve 100 ila 400 ton ağırlığında olabilen ve milyonlarca dolara mal olan bu devasa transformatörlerin işlevi; Birinin arızalanması geniş bir alanda elektrik kesintilerine yol açabileceğinden, günlük yaşamın sürdürülmesi için gereklidir. alan. Bunlar, elektrik uzun mesafeli yüksek gerilim tellerine girmeden önce voltajı önemli ölçüde artıran transformatörlerdir.

2012 itibariyle, ABD'de bir LPT'nin ortalama yaşı yaklaşık 40 yıldı. Günümüzün en üst düzey ekstra yüksek voltajlı (EHV) trafolarından bazıları 345.000 volt olarak derecelendirilmiştir ve transformatörlere olan talep her iki ülkede de artmaktadır. ABD ve küresel olarak, ABD hükümetini hem mevcut LPT'leri gerektiği gibi değiştirmenin hem de nispeten düşük bir fiyata yenilerini geliştirmenin yollarını aramaya zorluyor. maliyet.

Bir transformatör temelde ortasında bir delik bulunan büyük, kare bir mıknatıstır. Elektrik, transformatörün etrafına birkaç kez sarılmış tellerle bir taraftan girer ve karşı taraftan transformatörün etrafına farklı sayıda sarılmış teller aracılığıyla çıkar. Elektriğin girilmesi, transformatörde bir manyetik alan indükler, bu da diğer tellerde bir elektrik alanı indükler, bu da daha sonra gücü transformatörden uzaklaştırır.

Fizik düzeyinde, bir transformatör, iki bobinin voltaj oranının, ilgili bobinlerdeki dönüş sayısının oranına eşit olduğunu belirten Faraday yasasından yararlanarak çalışır. Bu nedenle, bir transformatörde azaltılmış voltaj gerekiyorsa, ikinci (giden) bobin, birincil (gelen) bobinden daha az dönüş içerir.