Podstawowe parametry prądu przemiennego: okres, częstotliwość, faza, amplituda, oscylacje harmoniczne

Prąd przemienny to prąd elektryczny, którego kierunek i siła zmieniają się okresowo. Ponieważ zwykle siła prądu przemiennego zmienia się zgodnie z prawem sinusoidalnym, prąd przemienny to sinusoidalne wahania napięcia i prądu.

Dlatego wszystko, co odnosi się do sinusoidalnych oscylacji elektrycznych, ma zastosowanie do prądu przemiennego. Oscylacje sinusoidalne to oscylacje, w których wartość oscylacji zmienia się zgodnie z prawem sinusa.W tym artykule porozmawiamy o parametrach prądu przemiennego.

Zmiana pola elektromagnetycznego i zmiana prądu obciążenia liniowego podłączonego do takiego źródła będzie przebiegać zgodnie z prawem sinusoidalnym. W tym przypadku zmienne pola elektromagnetyczne, zmienne napięcia i prądy można scharakteryzować za pomocą czterech głównych parametrów:

• okres;

• częstotliwość;

• amplituda;

• efektywna wartość.

Istnieją również dodatkowe parametry:

• częstotliwość kątowa;

• faza;

• natychmiastowa wartość.

Następnie przyjrzymy się wszystkim tym parametrom osobno i razem.

Koniec dyskusji.

Okres — czas potrzebny oscylującemu układowi na przejście przez wszystkie stany pośrednie i powrót do stanu początkowego.

Okres T prądu przemiennego to przedział czasu, w którym prąd lub napięcie wykonuje jeden pełny cykl zmian.

Ponieważ źródłem prądu przemiennego jest prądnica, okres ten jest powiązany z prędkością obrotową jego wirnika, a im większa prędkość obrotowa uzwojenia lub wirnika prądnicy, tym krótszy jest okres generowanego przemiennego pola elektromagnetycznego i, odpowiednio, okazuje się, że prąd przemienny obciążenia.

Okres jest mierzony w sekundach, milisekundach, mikrosekundach, nanosekundach, w zależności od konkretnej sytuacji, w której ten prąd jest brany pod uwagę. Powyższy rysunek pokazuje, jak napięcie U zmienia się w czasie, mając stały okres charakterystyczny T.

Częstotliwość

Częstotliwość f jest odwrotnością okresu i jest liczbowo równa liczbie okresów zmiany prądu lub pola elektromagnetycznego w ciągu 1 sekundy. To znaczy f = 1 / T. Jednostką miary częstotliwości jest herc (Hz), nazwany na cześć niemieckiego fizyka Heinricha Hertza, który wniósł znaczący wkład w rozwój elektrodynamiki w XIX wieku. Im krótszy okres, tym wyższa częstotliwość pola elektromagnetycznego lub zmiany prądu.

Obecnie w Rosji standardowa częstotliwość prądu przemiennego w sieciach elektrycznych wynosi 50 Hz, czyli 50 wahań napięcia sieciowego pojawia się w ciągu 1 sekundy.

W innych dziedzinach elektrodynamiki stosuje się wyższe częstotliwości, np. 20 kHz i więcej w nowoczesnych falownikach, a do kilku MHz w węższych obszarach elektrodynamiki. Na powyższym rysunku widać, że w ciągu jednej sekundy następuje 50 pełnych oscylacji, z których każda trwa 0,02 sekundy, a 1 / 0,02 = 50.

Z wykresów zmian sinusoidalnego prądu przemiennego w czasie widać, że prądy o różnych częstotliwościach zawierają różną liczbę okresów w tym samym przedziale czasu.

Częstotliwość kątowa

Częstotliwość kątowa — liczba oscylacji wykonanych w ciągu 2pi sek.

W jednym okresie faza sinusoidalnego pola elektromagnetycznego lub prądu sinusoidalnego zmienia się o 2 pi radianów lub 360 °, dlatego częstotliwość kątowa przemiennego prądu sinusoidalnego jest równa:

Użyj liczby oscylacji w 2pi s. (nie w 1 s.) Jest to wygodne, ponieważ we wzorach wyrażających prawo zmiany napięcia i prądu podczas oscylacji harmonicznych, wyrażających rezystancję indukcyjną lub pojemnościową prądu przemiennego, a w wielu w innych przypadkach częstotliwość oscylacji n pojawia się wraz z mnożnikiem 2pi.

Faza

Faza — stan, etap procesu okresowego. Termin faza ma bardziej określone znaczenie w przypadku oscylacji sinusoidalnych. W praktyce zwykle rolę odgrywa nie sama faza, ale przesunięcie fazowe między dowolnymi dwoma procesami okresowymi.

W tym przypadku termin „faza” jest rozumiany jako etap rozwoju procesu iw tym przypadku w odniesieniu do prądów przemiennych i napięć sinusoidalnych faza nazywana jest stanem prądu przemiennego w pewnym momencie w czas.

Na rysunkach przedstawiono: zbieżność napięcia U1 i prądu I1 w fazie, napięcia U1 i U2 w przeciwfazie oraz przesunięcie fazowe między prądem I1 a napięciem U2. Przesunięcie fazowe jest mierzone w radianach, częściach okresu, w stopniach.

Zobacz też: Co to jest faza, kąt fazowy i przesunięcie fazowe

Amplituda Um i Im

Mówiąc o wielkości sinusoidalnego prądu przemiennego lub sinusoidalnego przemiennego pola elektromagnetycznego, najwyższa wartość pola elektromagnetycznego lub prądu nazywana jest amplitudą lub wartością amplitudy (maksymalną).

Amplituda — największa wartość wielkości wykonującej oscylacje harmoniczne (np. maksymalna wartość natężenia prądu w prądzie przemiennym, odchylenie wahadła oscylującego od położenia równowagi), największe odchylenie wielkości oscylującej od określonej wartości, warunkowo akceptowane jako początkowe zero.

Ściśle mówiąc, termin amplituda odnosi się tylko do oscylacji sinusoidalnych, ale zwykle (niezupełnie poprawnie) jest stosowany w powyższym znaczeniu do wszystkich oscylacji.

Jeśli mówimy o alternatorze, to EMF jego zacisków dwa razy na okres osiąga wartość amplitudy, z których pierwsza to + Em, druga to odpowiednio Em, podczas dodatniego i ujemnego półcyklu. Prąd I zachowuje się podobnie i jest odpowiednio oznaczany przez Im.

Wibracje harmoniczne — oscylacje, w których oscylująca wielkość, taka jak napięcie w obwodzie elektrycznym, zmienia się w czasie zgodnie z harmonicznym prawem sinusoidalnym lub kosinusoidalnym. Graficznie reprezentowana przez krzywą sinusoidalną.

Rzeczywiste procesy mogą jedynie przybliżać oscylacje harmoniczne. Jeśli jednak oscylacje odzwierciedlają najbardziej charakterystyczne cechy procesu, to taki proces jest uważany za harmoniczny, co znacznie ułatwia rozwiązanie wielu problemów fizycznych i technicznych.

Ruchy zbliżone do drgań harmonicznych występują w różnych układach: mechanicznym (drgania wahadła), akustycznym (drgania słupa powietrza w piszczałce organowej), elektromagnetycznym (drgania w obwodzie LC) itp.Teoria oscylacji rozpatruje te zjawiska, różniące się naturą fizyczną, z jednolitego punktu widzenia i określa ich wspólne właściwości.

Wygodnie jest przedstawić graficznie oscylacje harmoniczne za pomocą wektora obracającego się ze stałą prędkością kątową wokół osi prostopadłej do tego wektora i przechodzącej przez jego początek. Prędkość kątowa obrotu wektora odpowiada częstotliwości kołowej drgań harmonicznych.

Schemat wektorowy drgań harmonicznych

Proces okresowy dowolnej postaci można rozłożyć na nieskończoną serię prostych oscylacji harmonicznych o różnych częstotliwościach, amplitudach i fazach.

Harmonijny — wibracja harmoniczna, której częstotliwość jest wielokrotnie większa niż częstotliwość jakiejś innej wibracji, zwana tonem podstawowym. Liczba harmonicznej wskazuje, ile razy jej częstotliwość jest większa niż częstotliwość tonu podstawowego (na przykład trzecia harmoniczna to wibracja harmoniczna o częstotliwości trzykrotnie większej niż częstotliwość tonu podstawowego).

Wszelkie okresowe, ale nie harmoniczne (to znaczy różniące się kształtem od sinusoidalnych) oscylacji można przedstawić jako sumę oscylacji harmonicznych - tonu podstawowego i pewnej liczby harmonicznych. Im bardziej rozpatrywana oscylacja różni się formą od sinusoidalnej, tym więcej zawiera harmonicznych.

Chwilowa wartość u oraz i

Wartość pola elektromagnetycznego lub prądu w określonym momencie nazywana jest wartością chwilową, są one oznaczone małymi literami u i i. Ponieważ jednak wartości te zmieniają się cały czas, oszacowanie na ich podstawie prądów przemiennych i pól elektromagnetycznych jest niewygodne.

Wartości RMS I, E i U

Zdolność prądu przemiennego do wykonywania użytecznej pracy, takiej jak mechaniczne obracanie wirnika silnika lub wytwarzanie ciepła na urządzeniu grzewczym, jest dogodnie szacowana na podstawie efektywnych wartości emf i prądów.

Więc, efektywna wartość bieżąca nazywamy wartością takiego prądu stałego, który przepływając przez przewodnik podczas jednego okresu rozważanego prądu przemiennego, wytwarza taką samą pracę mechaniczną lub taką samą ilość ciepła jak ten prąd przemienny.

Wartości RMS napięć, emf i prądów są oznaczone dużymi literami I, E i U. Dla sinusoidalnego prądu przemiennego i sinusoidalnego napięcia przemiennego skuteczne wartości to:

Do opisu sieci elektrycznych wygodnie jest użyć efektywnej wartości prądu i napięcia. Na przykład wartość skuteczna napięcia w nowoczesnych gniazdkach domowych wynosi 220-240 woltów, a amplituda jest znacznie wyższa — od 311 do 339 woltów.

Tak samo jest z prądem, np. gdy mówią, że przez domowe urządzenie grzewcze płynie prąd o natężeniu 8 amperów, oznacza to wartość skuteczną, podczas gdy amplituda wynosi 11,3 ampera.

W taki czy inny sposób praca mechaniczna i energia elektryczna w instalacjach elektrycznych są proporcjonalne do efektywnych wartości napięć i prądów. Znaczna część przyrządów pomiarowych dokładnie pokazuje efektywne wartości napięć i prądów.