Osnovni parametri izmeničnega toka: perioda, frekvenca, faza, amplituda, harmonična nihanja

Izmenični tok je električni tok, katerega smer in moč se periodično spreminjata. Ker se moč izmeničnega toka običajno spreminja po sinusnem zakonu, je izmenični tok sinusna nihanja napetosti in toka.

Zato velja za izmenični tok vse, kar velja za sinusna električna nihanja. Sinusna nihanja so nihanja, pri katerih se nihajna vrednost spreminja po sinusnem zakonu.V tem članku bomo govorili o AC parametrih.

Sprememba EMF in sprememba toka linearne obremenitve, priključene na tak vir, bo sledila sinusoidnemu zakonu. V tem primeru je mogoče izmenične EMF, izmenične napetosti in tokove označiti s štirimi glavnimi parametri:

• obdobje;

• pogostost;

• amplituda;

• efektivna vrednost.

Obstajajo tudi dodatni parametri:

• kotna frekvenca;

• faza;

• takojšnja vrednost.

Nato bomo pogledali vse te parametre ločeno in skupaj.

Obdobje T.

Perioda — čas, ki je potreben, da sistem, ki oscilira, preide skozi vsa vmesna stanja in se znova vrne v začetno stanje.

Perioda T izmeničnega toka je časovni interval, v katerem tok ali napetost naredi en popoln cikel sprememb.

Ker je vir izmeničnega toka generator, je obdobje povezano s hitrostjo vrtenja njegovega rotorja in večja kot je hitrost vrtenja navitja ali rotorja generatorja, krajše je obdobje generiranega izmeničnega EMF in, v skladu s tem se izkaže izmenični tok obremenitve.

Obdobje se meri v sekundah, milisekundah, mikrosekundah, nanosekundah, odvisno od posebne situacije, v kateri se upošteva ta tok. Zgornja slika prikazuje, kako se napetost U spreminja skozi čas, medtem ko ima konstantno značilno obdobje T.

Pogostost f

Frekvenca f je recipročna vrednost obdobja in je številčno enaka številu obdobij spremembe toka ali EMF v 1 sekundi. To je f = 1 / T. Merska enota frekvence je hertz (Hz), poimenovana po nemškem fiziku Heinrichu Hertzu, ki je pomembno prispeval k razvoju elektrodinamike v 19. stoletju. Krajše kot je obdobje, večja je frekvenca elektromagnetnega polja ali spremembe toka.

Danes je v Rusiji standardna frekvenca izmeničnega toka v električnih omrežjih 50 Hz, kar pomeni, da se v 1 sekundi pojavi 50 nihanj omrežne napetosti.

Na drugih področjih elektrodinamike se uporabljajo višje frekvence, na primer v sodobnih razsmernikih 20 kHz in več, na ožjih področjih elektrodinamike pa tudi do nekaj MHz. Na zgornji sliki lahko vidite, da je v eni sekundi 50 popolnih nihanj, od katerih vsaka traja 0,02 sekunde in 1 / 0,02 = 50.

Iz grafov sprememb sinusnega izmeničnega toka skozi čas je razvidno, da tokovi različnih frekvenc vsebujejo različno število obdobij v istem časovnem intervalu.

Kotna frekvenca

Kotna frekvenca — število nihanj v 2pi s.

V enem obdobju se faza sinusnega EMF ali sinusnega toka spremeni za 2pi radiana ali 360 °, zato je kotna frekvenca izmeničnega sinusnega toka enaka:

Uporabite število nihanj v 2pi s (ne v 1 s) Primerno je, ker v formulah, ki izražajo zakon spremembe napetosti in toka med harmoničnimi nihanji, izražajo induktivni ali kapacitivni upor izmeničnega toka in v mnogih v drugih primerih se frekvenca nihanja n pojavi skupaj z množiteljem 2pi.

Faza

Faza - stanje, stopnja periodičnega procesa. Izraz faza ima bolj določen pomen v primeru sinusnih nihanj. V praksi običajno ne igra vloge sama faza, temveč fazni premik med katerima koli dvema periodičnima procesoma.

V tem primeru se izraz "faza" razume kot stopnja razvoja procesa in v tem primeru se v zvezi z izmeničnimi tokovi in ​​sinusnimi napetostmi faza imenuje stanje izmeničnega toka v določenem trenutku v čas.

Slike prikazujejo: sovpadanje napetosti U1 in toka I1 v fazi, napetosti U1 in U2 v protifazi ter fazni zamik med tokom I1 in napetostjo U2. Fazni premik se meri v radianih, delih obdobja, v stopinjah.

Poglej tudi: Kaj je faza, fazni kot in fazni zamik

Amplituda Um in Im

Ko govorimo o velikosti sinusnega izmeničnega toka ali sinusnega izmeničnega EMF, se najvišja vrednost EMF ali toka imenuje amplituda ali amplitudna (največja) vrednost.

Amplituda — največja vrednost količine, ki izvaja harmonična nihanja (npr. največja vrednost jakosti toka v izmeničnem toku, odstopanje nihajnega nihala od ravnotežnega položaja), največje odstopanje nihajne količine od določene vrednosti, pogojno sprejet kot začetna ničla.

Strogo gledano se izraz amplituda nanaša samo na sinusna nihanja, običajno pa (ne povsem pravilno) uporabljamo v zgornjem pomenu za vsa nihanja.

Če govorimo o alternatorju, potem EMF njegovih sponk dvakrat na obdobje doseže vrednost amplitude, od katerih je prva + Em, druga pa Em med pozitivnim in negativnim pol-ciklom. Podobno se obnaša tok I in ga ustrezno označimo z Im.

Harmonične vibracije — nihanja, pri katerih se nihajoča količina, kot je napetost v električnem tokokrogu, spreminja s časom po harmoničnem sinusnem ali kosinusnem zakonu. Grafično predstavljeno s sinusno krivuljo.

Realni procesi lahko le približajo harmonična nihanja. Če pa nihanja odražajo najbolj značilne lastnosti procesa, potem se tak proces šteje za harmonično, kar močno olajša rešitev številnih fizičnih in tehničnih problemov.

Gibanja, ki so blizu harmoničnim nihanjem, se pojavljajo v različnih sistemih: mehanskih (nihanja nihala), akustičnih (nihanja zračnega stebra v orgelski cevi), elektromagnetnih (nihanja v LC krogu) itd.Teorija nihanj obravnava te pojave, različne fizične narave, z enotnega vidika in določa njihove skupne lastnosti.

Priročno je grafično predstaviti harmonična nihanja z uporabo vektorja, ki se vrti s konstantno kotno hitrostjo okoli osi, ki je pravokotna na ta vektor in poteka skozi njegov izvor. Kotna hitrost vrtenja vektorja ustreza krožni frekvenci harmoničnega nihanja.

Vektorski diagram harmoničnega nihanja

Periodični proces katere koli oblike je mogoče razstaviti na neskončno vrsto enostavnih harmoničnih nihanj z različnimi frekvencami, amplitudami in fazami.

Harmonično — harmonična vibracija, katere frekvenca je celo število krat večja od frekvence neke druge vibracije, imenovana osnovni ton. Število harmonika pove, kolikokrat je njegova frekvenca večja od frekvence osnovnega tona (npr. tretji harmonik je harmonično nihanje s frekvenco trikrat večjo od frekvence osnovnega tona).

Vsako periodično, vendar ne harmonično (to je drugačno obliko od sinusoidnega) nihanje je mogoče predstaviti kot vsoto harmoničnega nihanja - osnovni ton in število harmonikov. Bolj kot se obravnavano nihanje po obliki razlikuje od sinusnega, več harmonikov vsebuje.

Trenutna vrednost u in i

Vrednost EMF ali toka v določenem trenutku se imenuje trenutna vrednost, označena sta z malimi črkami u in i. Ker pa se te vrednosti ves čas spreminjajo, je iz njih neprijetno oceniti izmenične tokove in EMF.

RMS vrednosti I, E in U

Sposobnost izmeničnega toka za opravljanje koristnega dela, kot je mehansko vrtenje rotorja motorja ali proizvajanje toplote na grelni napravi, je priročno ocenjena z efektivnimi vrednostmi emfs in tokov.

Torej, efektivna sedanja vrednost se imenuje vrednost takega enosmernega toka, ki pri prehodu skozi vodnik v eni periodi obravnavanega izmeničnega toka proizvede enako mehansko delo ali enako količino toplote kot ta izmenični tok.

Efektivne vrednosti napetosti, EMF in tokov so označene z velikimi črkami I, E in U. Za sinusni izmenični tok in za sinusno izmenično napetost so efektivne vrednosti:

Za opis električnih omrežij je priročno uporabiti efektivno vrednost toka in napetosti. Na primer, vrednost 220-240 voltov je efektivna vrednost napetosti v sodobnih gospodinjskih vtičnicah, amplituda pa je veliko višja - od 311 do 339 voltov.

Enako je s tokom, ko na primer rečejo, da skozi hišno kurilno napravo teče tok 8 amperov, to pomeni efektivno vrednost, amplituda pa je 11,3 ampera.

Tako ali drugače sta mehansko delo in električna energija v električnih inštalacijah sorazmerna z efektivnimi vrednostmi napetosti in tokov. Precejšen del merilnih naprav prikazuje točno efektivne vrednosti napetosti in tokov.