Grundläggande parametrar för växelström: period, frekvens, fas, amplitud, övertonssvängningar

Växelström är en elektrisk ström vars riktning och styrka ändras periodiskt. Eftersom styrkan på växelström vanligtvis varierar enligt en sinusform, är växelström sinusformade fluktuationer i spänning och ström.

Därför är allt som gäller för sinusformade elektriska svängningar tillämpligt på växelström. Sinusformade svängningar är svängningar där det oscillerande värdet ändras enligt sinuslagen. I den här artikeln kommer vi att prata om AC-parametrar.

Förändringen i EMF och förändringen i ström för en linjär belastning ansluten till en sådan källa kommer att följa en sinusformad lag. I det här fallet kan alternerande elektromagnetiska fält, växelspänningar och strömmar karakteriseras av deras fyra huvudsakliga parametrar:

• period;

• frekvens;

• amplitud;

• effektivt värde.

Det finns också ytterligare parametrar:

• vinkelfrekvens;

• fas;

• omedelbart värde.

Därefter kommer vi att titta på alla dessa parametrar separat och tillsammans.

Period T.

Period — den tid det tar för ett system som oscillerar att passera genom alla mellanliggande tillstånd och återgå till sitt initiala tillstånd igen.

Perioden T för en växelström är det tidsintervall under vilket strömmen eller spänningen gör en fullständig förändringscykel.

Eftersom växelströmskällan är en generator, är perioden relaterad till rotationshastigheten för dess rotor, och ju högre rotationshastigheten är för generatorns lindning eller rotor, desto kortare är perioden för den genererade växelströmmen och, följaktligen, växelströmmen av last, visar det sig.

Perioden mäts i sekunder, millisekunder, mikrosekunder, nanosekunder, beroende på den speciella situationen i vilken denna ström betraktas. Figuren ovan visar hur spänningen U förändras över tiden samtidigt som den har en konstant karakteristisk period T.

Frekvens f

Frekvensen f är den reciproka av perioden och är numeriskt lika med antalet perioder av ström- eller EMF-ändring på 1 sekund. Det vill säga f = 1 / T. Mätenheten för frekvens är hertz (Hz), uppkallad efter den tyske fysikern Heinrich Hertz, som gjorde ett betydande bidrag till utvecklingen av elektrodynamiken på 1800-talet. Ju kortare period, desto högre frekvens av EMF eller strömändring.

Idag i Ryssland är standardfrekvensen för växelström i elektriska nätverk 50 Hz, det vill säga 50 fluktuationer av nätverksspänningen visas på 1 sekund.

Inom andra områden av elektrodynamiken används högre frekvenser, till exempel 20 kHz och mer i moderna växelriktare, och upp till flera MHz i smalare elektrodynamiska områden. I figuren ovan kan du se att det finns 50 kompletta svängningar på en sekund, var och en varar i 0,02 sekunder och 1 / 0,02 = 50.

Av graferna över förändringar i sinusformad växelström över tid kan man se att strömmar med olika frekvenser innehåller olika antal perioder i samma tidsintervall.

Vinkelfrekvens

Vinkelfrekvens — antalet svängningar som görs på 2pi sek.

Under en period ändras fasen för den sinusformade EMF eller sinusformade strömmen med 2pi radianer eller 360 °, därför är vinkelfrekvensen för den sinusformade växelströmmen lika med:

Använd antalet svängningar i 2pi sek (inte i 1 sek.) Det är bekvämt eftersom det i formlerna uttrycker lagen om förändringen av spänning och ström under harmoniska svängningar, uttrycker den induktiva eller kapacitiva resistansen för växelström, och i många andra fall visas svängningsfrekvensen n tillsammans med multiplikatorn 2pi.

Fas

Fas — tillstånd, stadium av en periodisk process. Termen fas har en mer bestämd betydelse när det gäller sinusformade svängningar. I praktiken är det vanligtvis inte själva fasen som spelar roll, utan fasförskjutningen mellan två valfria periodiska processer.

I det här fallet förstås termen "fas" som ett steg i utvecklingen av processen, och i detta fall, i förhållande till växelströmmar och sinusformade spänningar, kallas fasen för växelströmmens tillstånd vid ett visst ögonblick i tid.

Figurerna visar: sammanfallande av spänning U1 och ström I1 i fas, spänning U1 och U2 i motfas, samt fasförskjutning mellan ström I1 och spänning U2. Fasförskjutning mäts i radianer, delar av en period, i grader.

Se även: Vad är fas, fasvinkel och fasförskjutning

Amplitud Um och Im

På tal om storleken på sinusformad växelström eller sinusformad växel-EMK, det högsta värdet på EMF eller ström kallas amplitud eller amplitud (maximal) värde.

Amplitud — det största värdet av den kvantitet som utför harmoniska svängningar (till exempel det maximala värdet av strömstyrkan i växelström, den oscillerande pendelns avvikelse från jämviktspositionen), den största avvikelsen av den oscillerande storheten från ett visst värde, villkorligt accepteras som initial noll.

Strängt taget hänvisar termen amplitud endast till sinusformade svängningar, men det tillämpas vanligtvis (inte helt korrekt) i ovanstående mening på alla svängningar.

Om vi ​​talar om en generator, så når EMF för dess terminaler två gånger per period ett amplitudvärde, varav den första är + Em, den andra är Em, respektive under de positiva och negativa halvcyklerna. Strömmen I beter sig på liknande sätt och betecknas med Im i enlighet därmed.

Harmoniska vibrationer — svängningar där en oscillerande storhet, såsom spänningen i en elektrisk krets, förändras med tiden enligt en harmonisk sinusform eller cosinuslag. Grafiskt representerad av en sinusformad kurva.

Verkliga processer kan endast approximera harmoniska svängningar. Men om svängningarna återspeglar de mest karakteristiska egenskaperna hos processen, anses en sådan process vara harmonisk, vilket i hög grad underlättar lösningen av många fysiska och tekniska problem.

Rörelser nära harmoniska svängningar förekommer i olika system: mekaniska (svängningar av en pendel), akustiska (svängningar av en luftpelare i ett orgelrör), elektromagnetiska (svängningar i en LC-krets), etc.Teorin om oscillationer betraktar dessa fenomen, olika i fysisk natur, från en enhetlig synvinkel och bestämmer deras gemensamma egenskaper.

Det är lämpligt att representera harmoniska svängningar grafiskt med hjälp av en vektor som roterar med konstant vinkelhastighet kring en axel vinkelrät mot denna vektor och passerar genom dess ursprung. Vektorns vinkelhastighet motsvarar den cirkulära frekvensen för den harmoniska svängningen.

Vektordiagram av en harmonisk vibration

En periodisk process av vilken form som helst kan delas upp i en oändlig serie av enkla harmoniska svängningar med olika frekvenser, amplituder och faser.

Harmonisk — en harmonisk vibration vars frekvens är ett helt antal gånger större än frekvensen för någon annan vibration, kallad grundtonen. Övertonens nummer anger hur många gånger dess frekvens är större än grundtonens frekvens (till exempel är den tredje övertonen en harmonisk vibration med en frekvens som är tre gånger högre än grundtonens frekvens).

Alla periodiska men inte harmoniska (det vill säga olika i form från sinusformade) svängningar kan representeras som en summa av harmoniska svängningar - grundtonen och ett antal övertoner. Ju mer den betraktade svängningen skiljer sig i form från en sinusformad, desto fler övertoner innehåller den.

Omedelbart värde för u och i

Värdet på EMF eller ström vid ett visst ögonblick kallas det momentana värdet, de betecknas med små bokstäver u och i. Men eftersom dessa värden ändras hela tiden är det obekvämt att uppskatta växelströmsströmmarna och EMF från dem.

RMS-värden för I, E och U

Förmågan hos växelström för att utföra användbart arbete, såsom att mekaniskt vrida rotorn på en motor eller producera värme på en värmeanordning, uppskattas bekvämt av de effektiva värdena för emfs och strömmar.

Så, effektivt nuvärde kallas värdet av en sådan likström, som, då den passerar genom en ledare under en period av den aktuella växelströmmen, alstrar samma mekaniska arbete eller samma mängd värme som denna växelström.

RMS-värdena för spänningar, emfs och strömmar indikeras med versaler I, E och U. För sinusformad växelström och för sinusformad växelspänning är de effektiva värdena:

För att beskriva elektriska nätverk är det bekvämt att använda det effektiva värdet av ström och spänning. Till exempel är ett värde på 220-240 volt det effektiva värdet på spänningen i moderna hushållsuttag, och amplituden är mycket högre - från 311 till 339 volt.

Samma sak med ström, till exempel när man säger att det går en ström på 8 ampere genom en hushållsvärmare, det betyder ett effektivt värde medan amplituden är 11,3 ampere.

På ett eller annat sätt är mekaniskt arbete och elektrisk energi i elektriska installationer proportionella mot de effektiva värdena för spänningar och strömmar. En betydande del av mätanordningarna visar exakt de effektiva värdena för spänningar och strömmar.