Grunnleggende parametere for vekselstrøm: periode, frekvens, fase, amplitude, harmoniske oscillasjoner

Vekselstrøm er en elektrisk strøm hvis retning og styrke endres med jevne mellomrom. Siden vanligvis styrken til vekselstrøm varierer i henhold til en sinusformet lov, er vekselstrøm sinusformede svingninger i spenning og strøm.

Derfor er alt som gjelder for sinusformede elektriske oscillasjoner gjeldende for vekselstrøm. Sinusformede oscillasjoner er svingninger der oscillerende verdien endres i henhold til sinusloven. I denne artikkelen skal vi snakke om AC-parametere.

Endringen i EMF og endringen i strømmen til en lineær last koblet til en slik kilde vil følge en sinusformet lov. I dette tilfellet kan vekslende elektromagnetiske felter, vekselspenninger og strømmer karakteriseres av deres fire viktigste parametere:

• periode;

• Frekvens;

• amplitude;

• effektiv verdi.

Det er også tilleggsparametere:

• vinkelfrekvens;

• fase;

• umiddelbar verdi.

Deretter vil vi se på alle disse parameterne separat og sammen.

Periode T.

Periode – tiden det tar for et system som oscillerer å passere gjennom alle mellomtilstander og gå tilbake til utgangstilstanden igjen.

Perioden T for en vekselstrøm er tidsintervallet der strømmen eller spenningen gjør en fullstendig syklus med endringer.

Siden kilden til vekselstrøm er en generator, er perioden relatert til rotasjonshastigheten til rotoren, og jo høyere rotasjonshastigheten til viklingen eller rotoren til generatoren er, desto kortere er perioden for den genererte vekselelektroniske elektromagnetiske felten og, følgelig vekselstrømmen av last, viser det seg.

Perioden måles i sekunder, millisekunder, mikrosekunder, nanosekunder, avhengig av den spesielle situasjonen der denne strømmen vurderes. Figuren over viser hvordan spenningen U endrer seg over tid mens den har en konstant karakteristisk periode T.

Frekvens f

Frekvensen f er den resiproke av perioden og er numerisk lik antall perioder med strøm- eller EMF-endring på 1 sekund. Det vil si f = 1 / T. Måleenheten for frekvens er hertz (Hz), oppkalt etter den tyske fysikeren Heinrich Hertz, som ga et betydelig bidrag til utviklingen av elektrodynamikk på 1800-tallet. Jo kortere perioden er, desto høyere er frekvensen av EMF eller strømendring.

I dag i Russland er standardfrekvensen for vekselstrøm i elektriske nettverk 50 Hz, det vil si at 50 svingninger i nettverksspenningen vises på 1 sekund.

I andre områder av elektrodynamikk brukes høyere frekvenser, for eksempel 20 kHz og mer i moderne vekselrettere, og opptil flere MHz i smalere områder av elektrodynamikk. I figuren ovenfor kan du se at det er 50 komplette svingninger i løpet av ett sekund, som hver varer 0,02 sekunder og 1 / 0,02 = 50.

Fra grafene over endringer i sinusformet vekselstrøm over tid kan man se at strømmer med forskjellige frekvenser inneholder et forskjellig antall perioder i samme tidsintervall.

Vinkelfrekvens

Vinkelfrekvens — antall svingninger gjort på 2pi sek.

I en periode endres fasen til den sinusformede EMF eller sinusformede strømmen med 2pi radianer eller 360 °, derfor er vinkelfrekvensen til den sinusformede vekselstrømmen lik:

Bruk antall oscillasjoner i 2pi sek. (ikke i 1 sek.) Det er praktisk fordi i formlene som uttrykker loven om endring av spenning og strøm under harmoniske svingninger, uttrykker den induktive eller kapasitive motstanden til vekselstrøm, og i mange andre tilfeller vises oscillasjonsfrekvensen n sammen med multiplikatoren 2pi.

Fase

Fase — tilstand, stadium av en periodisk prosess. Begrepet fase har en mer bestemt betydning når det gjelder sinusformede oscillasjoner. I praksis er det vanligvis ikke selve fasen som spiller en rolle, men faseforskyvningen mellom to periodiske prosesser.

I dette tilfellet er begrepet «fase» forstått som et stadium i utviklingen av prosessen, og i dette tilfellet, i forhold til vekselstrømmer og sinusformede spenninger, kalles fasen tilstanden til vekselstrømmen i et bestemt øyeblikk i tid.

Figurene viser: sammenfall av spenning U1 og strøm I1 i fase, spenning U1 og U2 i motfase, samt faseforskyvning mellom strøm I1 og spenning U2. Faseforskyvning måles i radianer, deler av en periode, i grader.

Se også: Hva er fase, fasevinkel og faseforskyvning

Amplitude Um og Im

Når vi snakker om størrelsen på sinusformet vekselstrøm eller sinusformet vekselstrøm, kalles den høyeste verdien av EMF eller strøm amplitude eller amplitude (maksimal) verdi.

Amplitude — den største verdien av mengden som utfører harmoniske svingninger (for eksempel den maksimale verdien av strømstyrken i vekselstrøm, avviket til den oscillerende pendelen fra likevektsposisjonen), det største avviket av den oscillerende størrelsen fra en viss verdi, betinget akseptert som initial null.

Strengt tatt refererer begrepet amplitude bare til sinusformede oscillasjoner, men det brukes vanligvis (ikke helt riktig) i ovennevnte forstand på alle oscillasjoner.

Hvis vi snakker om en dynamo, når EMF til terminalene to ganger per periode en amplitudeverdi, hvorav den første er + Em, den andre er henholdsvis Em under den positive og negative halvsyklusen. Strømmen I oppfører seg på samme måte og betegnes med Im tilsvarende.

Harmoniske vibrasjoner — oscillasjoner der en oscillerende størrelse, slik som spenningen i en elektrisk krets, endres med tiden i henhold til en harmonisk sinusformet eller cosinus-lov. Grafisk representert med en sinusformet kurve.

Virkelige prosesser kan bare tilnærme harmoniske svingninger. Men hvis oscillasjonene gjenspeiler de mest karakteristiske egenskapene til prosessen, anses en slik prosess som harmonisk, noe som i stor grad letter løsningen av mange fysiske og tekniske problemer.

Bevegelser nær harmoniske svingninger forekommer i forskjellige systemer: mekaniske (svingninger av en pendel), akustiske (svingninger av en luftsøyle i et orgelrør), elektromagnetiske (svingninger i en LC-krets), etc.Teorien om oscillasjoner vurderer disse fenomenene, forskjellige i fysisk natur, fra et enhetlig synspunkt og bestemmer deres felles egenskaper.

Det er praktisk å representere harmoniske oscillasjoner grafisk ved å bruke en vektor som roterer med konstant vinkelhastighet rundt en akse vinkelrett på denne vektoren og går gjennom dens opprinnelse. Vinkelhastigheten for rotasjon av vektoren tilsvarer den sirkulære frekvensen til den harmoniske oscillasjonen.

Vektordiagram av en harmonisk vibrasjon

En periodisk prosess av enhver form kan dekomponeres til en uendelig rekke enkle harmoniske svingninger med forskjellige frekvenser, amplituder og faser.

Harmonisk — en harmonisk vibrasjon hvis frekvens er et helt antall ganger større enn frekvensen til en annen vibrasjon, kalt grunntonen. Antallet på harmoniske indikerer hvor mange ganger dens frekvens er større enn frekvensen til grunntonen (for eksempel er den tredje harmoniske en harmonisk vibrasjon med en frekvens som er tre ganger høyere enn frekvensen til grunntonen).

Alle periodiske, men ikke harmoniske (det vil si forskjellig i form fra sinusformede) oscillasjoner kan representeres som en sum av harmoniske svingninger - grunntonen og en rekke harmoniske. Jo mer den betraktede oscillasjonen avviker i form fra en sinusformet, desto flere harmoniske inneholder den.

Øyeblikkelig verdi av u og jeg

Verdien av EMF eller strømmen på et bestemt tidspunkt kalles den øyeblikkelige verdien, de er angitt med små bokstaver u og i. Men siden disse verdiene endres hele tiden, er det upraktisk å estimere AC-strømmene og EMF-ene fra dem.

RMS-verdier for I, E og U

Evnen til vekselstrøm til å utføre nyttig arbeid, for eksempel å mekanisk dreie rotoren til en motor eller produsere varme på en oppvarmingsenhet, er praktisk estimert av de effektive verdiene til emfs og strømmer.

Så, effektiv nåverdi kalles verdien av en slik likestrøm som, når den passerer gjennom en leder i løpet av en periode av den aktuelle vekselstrømmen, produserer samme mekaniske arbeid eller samme varmemengde som denne vekselstrømmen.

RMS-verdiene for spenninger, emfs og strømmer er indikert med store bokstaver I, E og U. For sinusformet vekselstrøm og for sinusformet vekselspenning er de effektive verdiene:

For å beskrive elektriske nettverk er det praktisk å bruke den effektive verdien av strøm og spenning. For eksempel er en verdi på 220-240 volt den effektive verdien av spenningen i moderne husholdningskontakter, og amplituden er mye høyere - fra 311 til 339 volt.

Det samme med strøm, for eksempel når de sier at det går en strøm på 8 ampere gjennom et husvarmeapparat, betyr det en effektiv verdi, mens amplituden er 11,3 ampere.

På en eller annen måte er mekanisk arbeid og elektrisk energi i elektriske installasjoner proporsjonale med de effektive verdiene av spenninger og strømmer. En betydelig del av måleenhetene viser nøyaktig de effektive verdiene av spenninger og strømmer.