Základné parametre striedavého prúdu: perióda, frekvencia, fáza, amplitúda, harmonické kmity

Striedavý prúd je elektrický prúd, ktorého smer a sila sa periodicky menia. Pretože sila striedavého prúdu sa zvyčajne mení podľa sínusového zákona, striedavý prúd je sínusové kolísanie napätia a prúdu.

Preto všetko, čo platí pre sínusové elektrické oscilácie, platí pre striedavý prúd. Sínusové kmity sú kmity, pri ktorých sa mení kmitajúca hodnota podľa sínusového zákona.V tomto článku si povieme niečo o parametroch striedavého prúdu.

Zmena EMF a zmena prúdu lineárneho zaťaženia pripojeného k takémuto zdroju sa bude riadiť sínusovým zákonom. V tomto prípade môžu byť striedavé EMF, striedavé napätia a prúdy charakterizované ich hlavnými štyrmi parametrami:

• obdobie;

• frekvencia;

• amplitúda;

• efektívna hodnota.

Existujú aj ďalšie parametre:

• uhlová frekvencia;

• fáza;

• okamžitá hodnota.

Ďalej sa pozrieme na všetky tieto parametre samostatne a spoločne.

Obdobie T.

Obdobie — čas, ktorý potrebuje systém, ktorý osciluje, prejsť cez všetky prechodné stavy a vrátiť sa opäť do pôvodného stavu.

Perióda T striedavého prúdu je časový interval, počas ktorého prúd alebo napätie vykoná jeden úplný cyklus zmien.

Pretože zdrojom striedavého prúdu je generátor, perióda súvisí s rýchlosťou otáčania jeho rotora a čím vyššia je rýchlosť otáčania vinutia alebo rotora generátora, tým kratšia je perióda generovaného striedavého EMF a, podľa toho sa ukazuje striedavý prúd záťaže.

Perióda sa meria v sekundách, milisekundách, mikrosekundách, nanosekundách v závislosti od konkrétnej situácie, v ktorej sa tento prúd zvažuje. Vyššie uvedený obrázok ukazuje, ako sa napätie U mení v priebehu času, pričom má konštantnú charakteristickú periódu T.

Frekvencia f

Frekvencia f je prevrátená hodnota periódy a numericky sa rovná počtu periód zmeny prúdu alebo EMF za 1 sekundu. Teda f = 1 / T. Jednotkou merania frekvencie je hertz (Hz), pomenovaný po nemeckom fyzikovi Heinrichovi Hertzovi, ktorý sa v 19. storočí výrazne zaslúžil o rozvoj elektrodynamiky. Čím je toto obdobie kratšie, tým vyššia je frekvencia zmeny EMF alebo prúdu.

Dnes v Rusku je štandardná frekvencia striedavého prúdu v elektrických sieťach 50 Hz, to znamená, že za 1 sekundu sa objaví 50 výkyvov sieťového napätia.

V iných oblastiach elektrodynamiky sa používajú vyššie frekvencie, napríklad 20 kHz a viac v moderných invertoroch a až niekoľko MHz v užších oblastiach elektrodynamiky. Na obrázku vyššie môžete vidieť, že za jednu sekundu je 50 úplných oscilácií, z ktorých každá trvá 0,02 sekundy a 1 / 0,02 = 50.

Z grafov zmien sínusového striedavého prúdu v čase je vidieť, že prúdy rôznych frekvencií obsahujú rôzny počet periód v rovnakom časovom intervale.

Uhlová frekvencia

Uhlová frekvencia — počet kmitov uskutočnených za 2pi s.

V jednej perióde sa fáza sínusového EMF alebo sínusového prúdu zmení o 2pi radiánov alebo 360 °, preto sa uhlová frekvencia striedavého sínusového prúdu rovná:

Použite počet kmitov za 2pi s (nie za 1 s) Je to vhodné, pretože vo vzorcoch vyjadrujúcich zákon o zmene napätia a prúdu pri harmonických kmitoch, vyjadrujúcich indukčný alebo kapacitný odpor striedavého prúdu a v mnohých v ostatných prípadoch sa frekvencia kmitov n objaví spolu s multiplikátorom 2pi.

Fáza

Fáza — stav, štádium periodického procesu. Pojem fáza má presnejší význam v prípade sínusových kmitov. V praxi zvyčajne nehrá rolu samotná fáza, ale fázový posun medzi akýmikoľvek dvoma periodickými procesmi.

V tomto prípade sa pojem «fáza» chápe ako štádium vývoja procesu a v tomto prípade vo vzťahu k striedavým prúdom a sínusovým napätiam sa fáza nazýva stav striedavého prúdu v určitom okamihu v čas.

Obrázky znázorňujú: zhodu napätia U1 a prúdu I1 vo fáze, napätia U1 a U2 v protifáze, ako aj fázový posun medzi prúdom I1 a napätím U2. Fázový posun sa meria v radiánoch, častiach periódy, v stupňoch.

Pozri tiež: Čo je fáza, fázový uhol a fázový posun

Amplitude Um and Im

Keď už hovoríme o veľkosti sínusového striedavého prúdu alebo sínusového striedavého EMF, najvyššia hodnota EMF alebo prúdu sa nazýva amplitúda alebo amplitúda (maximálna) hodnota.

Amplitúda — najväčšia hodnota veličiny vykonávajúcej harmonické kmity (napríklad maximálna hodnota intenzity prúdu v striedavom prúde, odchýlka kmitajúceho kyvadla od rovnovážnej polohy), najväčšia odchýlka oscilujúcej veličiny od určitej hodnoty, podmienene akceptované ako počiatočná nula.

Presne povedané, termín amplitúda sa vzťahuje len na sínusové kmity, ale zvyčajne sa (nie celkom správne) aplikuje vo vyššie uvedenom zmysle na všetky kmity.

Ak hovoríme o alternátore, potom EMF jeho svoriek dvakrát za periódu dosiahne hodnotu amplitúdy, z ktorých prvá je + Em, druhá je Em počas kladných a záporných polcyklov. Prúd I sa správa podobne a podľa toho sa označuje Im.

Harmonické vibrácie — oscilácie, pri ktorých sa oscilujúca veličina, ako napríklad napätie v elektrickom obvode, mení s časom podľa harmonického sínusového alebo kosínusového zákona. Graficky znázornené sínusovou krivkou.

Reálne procesy môžu harmonickým osciláciám iba priblížiť. Ak však oscilácie odrážajú najcharakteristickejšie vlastnosti procesu, potom sa takýto proces považuje za harmonický, čo značne uľahčuje riešenie mnohých fyzikálnych a technických problémov.

Pohyby blízke harmonickým kmitom sa vyskytujú v rôznych systémoch: mechanické (kmitanie kyvadla), akustické (kmitanie vzduchového stĺpca v organovej píšťalke), elektromagnetické (kmitanie v LC obvode) atď.Teória kmitov berie do úvahy tieto javy, odlišné fyzikálnou podstatou, z jednotného hľadiska a určuje ich spoločné vlastnosti.

Harmonické kmity je vhodné znázorniť graficky pomocou vektora rotujúceho konštantnou uhlovou rýchlosťou okolo osi kolmej na tento vektor a prechádzajúceho jeho počiatkom. Uhlová rýchlosť otáčania vektora zodpovedá kruhovej frekvencii harmonického kmitania.

Vektorový diagram harmonickej vibrácie

Periodický proces akejkoľvek formy možno rozložiť na nekonečný rad jednoduchých harmonických kmitov s rôznymi frekvenciami, amplitúdami a fázami.

Harmonický — harmonická vibrácia, ktorej frekvencia je niekoľkonásobne väčšia ako frekvencia inej vibrácie, ktorá sa nazýva základný tón. Číslo harmonickej udáva, koľkokrát je jej frekvencia väčšia ako frekvencia základného tónu (napr. tretia harmonická je harmonická vibrácia s frekvenciou trikrát vyššou ako frekvencia základného tónu).

Akékoľvek periodické, ale nie harmonické (t. j. tvarovo odlišné od sínusových) oscilácií môžu byť reprezentované ako súčet harmonických oscilácií – základného tónu a množstva harmonických. Čím viac sa uvažovaná oscilácia líši vo forme od sínusovej, tým viac harmonických obsahuje.

Okamžitá hodnota u a i

Hodnota EMF alebo prúdu v určitom časovom okamihu sa nazýva okamžitá hodnota, označujú sa malými písmenami u a i. Ale keďže sa tieto hodnoty neustále menia, je nepohodlné z nich odhadovať striedavé prúdy a EMF.

RMS hodnoty I, E a U

Schopnosť striedavého prúdu vykonávať užitočnú prácu, ako je mechanické otáčanie rotora motora alebo vytváranie tepla na vykurovacom zariadení, sa pohodlne odhaduje pomocou efektívnych hodnôt emfs a prúdov.

takže, efektívna súčasná hodnota sa nazýva hodnota takého jednosmerného prúdu, ktorý pri prechode vodičom počas jednej periódy uvažovaného striedavého prúdu vyrobí rovnakú mechanickú prácu alebo rovnaké množstvo tepla ako tento striedavý prúd.

Efektívne hodnoty napätí, emf a prúdov sú označené veľkými písmenami I, E a U. Pre sínusový striedavý prúd a pre sínusové striedavé napätie sú efektívne hodnoty:

Na popis elektrických sietí je vhodné použiť efektívnu hodnotu prúdu a napätia. Napríklad hodnota 220-240 voltov je efektívna hodnota napätia v moderných domácich zásuvkách a amplitúda je oveľa vyššia - od 311 do 339 voltov.

To isté s prúdom, napríklad keď hovoria, že cez domáce vykurovacie zariadenie preteká prúd 8 ampérov, znamená to efektívnu hodnotu, pričom amplitúda je 11,3 ampéra.

Tak či onak, mechanická práca a elektrická energia v elektrických inštaláciách sú úmerné efektívnym hodnotám napätí a prúdov. Značná časť meracích prístrojov zobrazuje presne efektívne hodnoty napätí a prúdov.