Яка мета трансформатора?

Більшість людей, напевно, чули про трансформатори і усвідомлюють, що вони є частиною все очевидного, але все ще таємнича електромережа, яка постачає електроенергію до будинків, підприємств та будь-якого іншого місця, де є "сік" потрібні. Але типова людина не хоче вивчати точніші точки подачі електроенергії, можливо, тому, що весь процес здається замаскованим під загрозу. Діти з юного віку дізнаються, що електрика може бути дуже небезпечною, і кожен усвідомлює, що будь-яка Проводи енергетичної компанії не підлягають достатній доступності (або іноді закопуються в землю) з поважної причини.

Але електромережа насправді є тріумфом людської інженерії, без якої цивілізацію не можна було б впізнати від тієї, яку ви мешкаєте сьогодні. Трансформатор є ключовим елементом контролю та доставки електроенергії від точки, в якій він знаходиться виробляється на електростанціях до безпосереднього потрапляння до будинку, офісної будівлі чи іншого кінця пункт призначення.

Подумайте про дамбу, яка стримує мільйони галонів води, щоб утворити штучне озеро. Оскільки річка, що живить це озеро, не завжди несе однакову кількість води до цієї місцевості, і її води мають тенденцію до зростання в навесні після танення снігу в багатьох районах і відпливу влітку під час посухи, будь-яка ефективна та безпечна дамба повинна бути обладнана пристроями які дозволяють більш точно контролювати воду, ніж просто зупиняти її текти, поки рівень не підніметься настільки, що вода просто розллється над ним. Отже, дамби включають всі види шлюзових воріт та інші механізми, які визначають, скільки води буде перейти на нижню сторону дамби, незалежно від величини тиску води у верхній течії стороні.

Приблизно так працює трансформатор, за винятком того, що матеріал, що протікає, є не водою, а електричним струмом. Трансформатори служать для управління рівнем напруги, що протікає через будь-яку точку в електромережі (детально описано нижче), таким чином, щоб збалансувати ефективність передачі та основну безпеку. Очевидно, що це фінансово і практично вигідно як споживачам, так і власникам електростанції та мережа для запобігання втратам електроенергії між виходом електроенергії з електростанції та її доступом до будинків чи іншого пункти призначення. З іншого боку, якби величина напруги, що проходить через типовий силовий провід високої напруги, не зменшилася перед входом у ваш будинок, це спричинило б хаос і катастрофу.

Напруга є мірою різниці електричного потенціалу. Номенклатура може заплутати, оскільки багато студентів чули термін "потенційна енергія", що дозволяє легко сплутати напругу з енергією. Насправді напруга - це електрична потенційна енергія на одиницю заряду або джоулі на кулон (J / C). Кулон є стандартною одиницею електричного заряду у фізиці. Одному електрону присвоєно -1,609 × 10^-19 кулонів, тоді як протон несе заряд, рівний за величиною, але протилежний за напрямом (тобто позитивний заряд).

Насправді ключовим словом є "різниця". Причиною того, що електрони перетікають з одного місця в інше, є різниця в напрузі між двома опорними точками. Напруга являє собою обсяг роботи, який потрібно за одиницю заряду для переміщення заряду проти електричного поля від першої точки до другої. Щоб отримати відчуття масштабу, знайте, що дроти передачі на великі відстані зазвичай несуть від 155000 до 765000 вольт, тоді як напруга, що надходить у будинок, зазвичай становить 240 вольт.

У 1880-х роках постачальники електричних послуг використовували постійний струм (постійний струм). Це було чревате зобов’язаннями, включаючи той факт, що постійний струм не міг використовуватися для освітлення і був дуже небезпечним, вимагаючи товстих шарів ізоляції. У цей час винахідник на ім’я Вільям Стенлі виготовив індукційну котушку - пристрій, здатний створювати змінний струм (змінного струму). У той час, коли Стенлі придумав цей винахід, фізики знали про явище змінного струму та його переваги з точки зору енергопостачання, але ніхто не зміг придумати засоби доставки змінного струму на великому масштаб. Індукційна котушка Стенлі служила б шаблоном для всіх майбутніх змін пристрою.

Стенлі ледь не став юристом, перш ніж прийняти рішення працювати електриком. Він розпочав свою діяльність у Нью-Йорку, перш ніж переїхати до Пітсбурга, де почав працювати над своїм трансформатором. Він побудував першу комунальну систему змінного струму в 1886 році в місті Грейт-Баррінгтон, штат Массачусетс. Після рубежу століть його енергетичну компанію викупила компанія General Electric.

Трансформатор може як збільшувати (збільшувати), так і зменшувати (зменшувати) напругу, що рухається через дроти живлення. Це слабо аналогічно способу, яким система кровообігу може збільшувати або зменшувати надходження крові до певних частин тіла залежно від попиту. Після того, як кров ("енергія") залишає серце ("електростанція"), досягаючи ряду точок відгалуження, вона може закінчитися, вирушаючи до нижню частину тіла замість верхньої частини тіла, а потім на праву ногу замість лівої, а потім на литку замість стегна, тощо Це регулюється розширенням або звуженням судин в органах і тканинах-мішенях. Коли електроенергія виробляється на електростанції, трансформатори підвищують напругу від кількох тисяч до сотень тисяч для передачі на великі відстані. Коли ці дроти досягають точок, званих силовими підстанціями, трансформатори знижують напругу до 10 000 вольт. Ви, мабуть, бачили ці підстанції та їх трансформатори середнього рівня під час своїх подорожей; Трансформатори, як правило, розміщені в коробках і мало схожі на холодильники, встановлені на узбіччі дороги.

Коли електроенергія покидає ці станції, що зазвичай можна робити в різних напрямках, це стикається з іншими трансформаторами ближче до кінцевої точки в підрозділах, кварталах та окремих будинків. Ці трансформатори знижують напругу з рівня менш ніж 10 000 вольт до близько 240 - в 1000 разів менше, ніж типові максимальні рівні, що спостерігаються у міжміських дротах високої напруги.

Трансформатори - це, звичайно, лише одна складова так званої електромережі, назва системи проводів, вимикачі та інші пристрої, які виробляють, передають та контролюють електроенергію з місця, де воно виробляється, до місця, де воно є в кінцевому підсумку використовується.

Перший крок у створенні електричної енергії - це обертання вала генератора. Починаючи з 2018 року, найчастіше це робиться з використанням пари, що виділяється при згорянні викопного палива, такого як вугілля, нафта або природний газ. Атомні електростанції та інші "чисті" генератори енергії, такі як гідроелектростанції та вітряні ферми, також можуть використовувати або виробляти енергію, необхідну для приводу генератора. Як би там не було, електроенергію, що виробляється на цих установках, називають трифазною. Це тому, що ці генератори змінного струму створюють електроенергію, яка коливається між встановленим мінімумом та максимумом рівень напруги, і кожна з трьох фаз зміщується на 120 градусів від тих, що попереду і позаду неї час. (Уявіть, що ви йдете туди-сюди по 12-метровій вулиці, а двоє людей роблять те саме, роблячи 24-метрову туди і назад, за винятком того, що один із двох інших людей завжди на 8 метрів попереду вас, а інший на 8 метрів позаду ти. Іноді двоє з вас будуть йти в одному напрямку, тоді як вдвох ви будете йти в іншому напрямку, змінюючи суму своїх рухів, але передбачуваним чином. Це вільний спосіб трифазного живлення змінного струму.)

Перш ніж електроенергія покине електростанцію, вона вперше стикається з трансформатором. Це єдиний момент, коли трансформатори в електромережі помітно підвищують напругу, а не зменшують її. Цей крок необхідний, оскільки електроенергія потім надходить у великі лінії електропередач по три набори, по одній на кожну фазу потужності, і деякі з них, можливо, повинні проїхати до 300 миль або близько того.

У якийсь момент електрика стикається з підстанцією, де трансформатори знижують напругу до a рівень, придатний для більш стриманих ліній електропередач, які ви бачите в околицях або проходять уздовж сільських районів шосе. Тут відбувається розподіл (на відміну від передачі) фази доставки електроенергії, оскільки лінії зазвичай залишають живлення підстанцій у багатьох напрямках, точно так само, як низка артерій, що відгалужуються від головної кровоносної судини, більш-менш однаково перехрестя.

Від підстанції електроенергії електроенергія потрапляє в квартали і залишає місцеві лінії електропередач (які зазвичай знаходяться на "телефонних стовпах"), щоб потрапити в окремі резиденції. Менші трансформатори (багато з яких схожі на невеликі металеві сміттєві баки) знижують напругу приблизно до 240 вольт, щоб вона могла потрапляти в будинки без великого ризику спричинити пожежу або якусь іншу серйозну біду.

Трансформаторам не тільки потрібно виконувати роботу з маніпулювання напругою, але вони також повинні бути стійкими до пошкоджень, будь то природні дії, такі як вітряки або цілеспрямовані антропогенні атаки. Неможливо тримати електромережу в недоступному для людей стихії та людей, але, тим самим, електромережа є абсолютно важливою для сучасного життя. Це поєднання вразливості та необхідності змусило Міністерство національної безпеки США прийняти рішення інтерес до найбільших трансформаторів в американській електромережі, які називаються великими силовими трансформаторами, або LPT. Функція цих масивних трансформаторів, які лежать в електростанціях, можуть важити від 100 до 400 тонн і коштувати мільйони доларів, є надзвичайно важливим для підтримання повсякденного життя, оскільки відмова одного з них може призвести до відключення електроенергії в цілому площі. Це трансформатори, які різко збільшують напругу до того, як електрика надходить на великі відстані дротів високої напруги.

Станом на 2012 рік середній вік LPT в США становив близько 40 років. Деякі сучасні трансформатори надвисокої напруги (EHV) мають потужність 345000 вольт, а попит на трансформатори зростає як в США та в усьому світі, що змушує уряд США шукати шляхи як заміни існуючих LPT за необхідності, так і розробки нових на порівняно низьких вартість.

Трансформатор - це в основному великий квадратний магніт з отвором посередині. Електрика надходить з одного боку за допомогою проводів, обмотаних кілька разів навколо трансформатора, і виходить з протилежного боку за допомогою проводів, обмотаних різну кількість разів навколо трансформатора. Введення електрики індукує магнітне поле в трансформаторі, яке, в свою чергу, індукує електричне поле в інших проводах, які потім відводять потужність від трансформатора.

На рівні фізики трансформатор працює, користуючись законом Фарадея, який говорить, що коефіцієнт напруги двох котушок дорівнює співвідношенню кількості витків у відповідних котушках. Таким чином, якщо на трансформаторі потрібна знижена напруга, друга (вихідна) котушка містить менше витків, ніж основна (вхідна) котушка.