Grundlæggende parametre for vekselstrøm: periode, frekvens, fase, amplitude, harmoniske svingninger

Vekselstrøm er en elektrisk strøm, hvis retning og styrke ændres periodisk. Da styrken af ​​vekselstrøm normalt varierer i henhold til en sinusformet lov, er vekselstrøm sinusformede udsving i spænding og strøm.

Derfor gælder alt, hvad der gælder for sinusformede elektriske svingninger, for vekselstrøm. Sinusformede svingninger er svingninger, hvor den oscillerende værdi ændres i henhold til sinusloven. I denne artikel vil vi tale om AC-parametre.

Ændringen i EMF og ændringen i strøm af en lineær belastning forbundet til en sådan kilde vil følge en sinusformet lov. I dette tilfælde kan vekslende EMF'er, vekselspændinger og strømme karakteriseres ved deres vigtigste fire parametre:

• periode;

• frekvens;

• amplitude;

• effektiv værdi.

Der er også yderligere parametre:

• vinkelfrekvens;

• fase;

• umiddelbar værdi.

Dernæst vil vi se på alle disse parametre separat og sammen.

Periode T.

Periode — den tid, det tager for et system, der oscillerer, at passere gennem alle mellemtilstande og vende tilbage til sin oprindelige tilstand igen.

Perioden T for en vekselstrøm er det tidsinterval, i hvilket strømmen eller spændingen foretager en komplet cyklus af ændringer.

Da kilden til vekselstrøm er en generator, er perioden relateret til rotationshastigheden af ​​dens rotor, og jo højere rotationshastigheden af ​​generatorens vikling eller rotor er, jo kortere er perioden for den genererede veksel-EMK og, følgelig, vekselstrømmen af ​​belastning, viser det sig.

Perioden måles i sekunder, millisekunder, mikrosekunder, nanosekunder, afhængigt af den særlige situation, hvor denne strøm betragtes. Figuren ovenfor viser, hvordan spændingen U ændrer sig over tid, mens den har en konstant karakteristisk periode T.

Frekvens f

Frekvensen f er den reciproke af perioden og er numerisk lig med antallet af perioder med strøm- eller EMF-ændring på 1 sekund. Det vil sige f = 1 / T. Måleenheden for frekvens er hertz (Hz), opkaldt efter den tyske fysiker Heinrich Hertz, som ydede et væsentligt bidrag til udviklingen af ​​elektrodynamikken i det 19. århundrede. Jo kortere perioden er, desto højere er frekvensen af ​​EMF eller strømændring.

I dag i Rusland er standardfrekvensen for vekselstrøm i elektriske netværk 50 Hz, det vil sige, at 50 udsving i netværksspændingen vises på 1 sekund.

I andre områder af elektrodynamikken bruges højere frekvenser, for eksempel 20 kHz og mere i moderne invertere, og op til flere MHz i smallere områder af elektrodynamikken. I ovenstående figur kan du se, at der er 50 komplette svingninger på et sekund, som hver varer 0,02 sekunder og 1/0,02 = 50.

Ud fra graferne over ændringer i sinusformet vekselstrøm over tid kan det ses, at strømme med forskellige frekvenser indeholder et forskelligt antal perioder i samme tidsinterval.

Vinkelfrekvens

Vinkelfrekvens — antallet af svingninger foretaget på 2pi sek.

I en periode ændres fasen af ​​den sinusformede EMF eller sinusformede strøm med 2pi radianer eller 360 °, derfor er vinkelfrekvensen af ​​den sinusformede vekselstrøm lig med:

Brug antallet af svingninger i 2pi sek. (ikke i 1 sek.) Det er praktisk, fordi det i formlerne udtrykker loven om ændringen af ​​spænding og strøm under harmoniske svingninger, udtrykker den induktive eller kapacitive modstand af vekselstrøm, og i mange andre tilfælde vises oscillationsfrekvensen n sammen med multiplikatoren 2pi.

Fase

Fase — tilstand, fase af en periodisk proces. Udtrykket fase har en mere bestemt betydning i tilfælde af sinusformede svingninger. I praksis er det normalt ikke selve fasen, der spiller en rolle, men faseskiftet mellem to periodiske processer.

I dette tilfælde forstås udtrykket «fase» som et trin i udviklingen af ​​processen, og i dette tilfælde, i forhold til vekselstrømme og sinusformede spændinger, kaldes fasen vekselstrømmens tilstand på et bestemt tidspunkt i tid.

Figurerne viser: sammenfaldet af spænding U1 og strøm I1 i fase, spænding U1 og U2 i modfase, samt faseforskydning mellem strøm I1 og spænding U2. Faseforskydning måles i radianer, dele af en periode, i grader.

Se også: Hvad er fase, fasevinkel og faseforskydning

Amplitude Um og Im

Når vi taler om størrelsen af ​​sinusformet vekselstrøm eller sinusformet veksel-EMK, kaldes den højeste værdi af EMF eller strøm amplitude eller amplitude (maksimal) værdi.

Amplitude — den største værdi af den mængde, der udfører harmoniske svingninger (f.eks. den maksimale værdi af strømstyrken i vekselstrøm, afvigelsen af ​​det oscillerende pendul fra ligevægtspositionen), den største afvigelse af den oscillerende størrelse fra en bestemt værdi, betinget accepteret som initial nul.

Strengt taget refererer begrebet amplitude kun til sinusformede svingninger, men det anvendes normalt (ikke helt korrekt) i ovenstående forstand på alle svingninger.

Hvis vi taler om en generator, når EMF af dens terminaler to gange pr. periode en amplitudeværdi, hvoraf den første er + Em, den anden er henholdsvis Em under den positive og negative halvcyklus. Strømmen I opfører sig på samme måde og betegnes med Im i overensstemmelse hermed.

Harmoniske vibrationer — oscillationer, hvor en oscillerende størrelse, såsom spændingen i et elektrisk kredsløb, ændres med tiden i henhold til en harmonisk sinusformet eller cosinus-lov. Grafisk repræsenteret ved en sinusformet kurve.

Reelle processer kan kun tilnærme harmoniske svingninger. Men hvis oscillationerne afspejler de mest karakteristiske træk ved processen, betragtes en sådan proces som harmonisk, hvilket i høj grad letter løsningen af ​​mange fysiske og tekniske problemer.

Bevægelser tæt på harmoniske svingninger forekommer i forskellige systemer: mekaniske (pendulsvingninger), akustiske (svingninger af en luftsøjle i et orgelrør), elektromagnetiske (svingninger i et LC-kredsløb) osv.Teorien om oscillationer betragter disse fænomener, forskellige i fysisk natur, fra et samlet synspunkt og bestemmer deres fælles egenskaber.

Det er praktisk at repræsentere harmoniske svingninger grafisk ved hjælp af en vektor, der roterer med konstant vinkelhastighed omkring en akse vinkelret på denne vektor og passerer gennem dens oprindelse. Vektorens vinkelhastighed svarer til den cirkulære frekvens af den harmoniske oscillation.

Vektordiagram af en harmonisk vibration

En periodisk proces af enhver form kan dekomponeres i en uendelig række af simple harmoniske svingninger med forskellige frekvenser, amplituder og faser.

Harmonisk — en harmonisk vibration, hvis frekvens er et helt antal gange større end frekvensen af ​​en anden vibration, kaldet grundtonen. Nummeret på den harmoniske angiver, hvor mange gange dens frekvens er større end grundtonens frekvens (f.eks. er den tredje harmoniske en harmonisk vibration med en frekvens tre gange højere end grundtonens frekvens).

Enhver periodisk, men ikke harmonisk (det vil sige forskellig i form fra sinusformede) svingninger kan repræsenteres som en sum af harmoniske svingninger - grundtonen og en række harmoniske. Jo mere den betragtede oscillation adskiller sig i form fra en sinusformet, jo flere harmoniske indeholder den.

Øjeblikkelig værdi af u og i

Værdien af ​​EMF eller strømmen på et bestemt tidspunkt kaldes den øjeblikkelige værdi, de er angivet med små bogstaver u og i. Men da disse værdier ændres hele tiden, er det ubelejligt at estimere AC-strømmene og EMF'er fra dem.

RMS-værdier for I, E og U

Evnen til vekselstrøm til at udføre nyttigt arbejde, såsom mekanisk drejning af rotoren på en motor eller produktion af varme på en varmeenhed, estimeres bekvemt ved de effektive værdier af emfs og strømme.

Så, effektiv nutidsværdi kaldes værdien af ​​en sådan jævnstrøm, der, når den passerer gennem en leder i én periode af den pågældende vekselstrøm, frembringer samme mekaniske arbejde eller samme varmemængde som denne vekselstrøm.

RMS-værdierne for spændinger, emfs og strømme er angivet med store bogstaver I, E og U. For sinusformet vekselstrøm og for sinusformet vekselspænding er de effektive værdier:

For at beskrive elektriske netværk er det praktisk at bruge den effektive værdi af strøm og spænding. For eksempel er en værdi på 220-240 volt den effektive værdi af spændingen i moderne husholdningsstik, og amplituden er meget højere - fra 311 til 339 volt.

Det samme med strøm, for eksempel når man siger, at der løber en strøm på 8 ampere gennem en boligopvarmning, betyder det en effektiv værdi, mens amplituden er 11,3 ampere.

På den ene eller anden måde er mekanisk arbejde og elektrisk energi i elektriske installationer proportional med de effektive værdier af spændinger og strømme. En betydelig del af måleanordningerne viser nøjagtigt de effektive værdier af spændinger og strømme.