Vaihtovirran perusparametrit: jakso, taajuus, vaihe, amplitudi, harmoniset värähtelyt

Vaihtovirta on sähkövirtaa, jonka suunta ja voimakkuus muuttuvat ajoittain. Koska yleensä vaihtovirran voimakkuus vaihtelee sinimuotoisen lain mukaan, vaihtovirta on sinimuotoista jännitteen ja virran vaihtelua.

Siksi kaikki, mikä koskee sinimuotoisia sähköisiä värähtelyjä, koskee vaihtovirtaa. Sinivärähtelyt ovat värähtelyjä, joissa värähtelyarvo muuttuu sinilain mukaan.Tässä artikkelissa puhumme AC-parametreista.

EMF:n muutos ja sellaiseen lähteeseen kytketyn lineaarisen kuorman virran muutos noudattavat sinimuotoista lakia. Tässä tapauksessa vaihtelevat EMF:t, vaihtojännitteet ja -virrat voidaan luonnehtia niiden neljällä pääparametrilla:

• kausi;

• taajuus;

• amplitudi;

• tehokas arvo.

On myös lisäparametreja:

• kulmataajuus;

• vaihe;

• välitöntä arvoa.

Seuraavaksi tarkastelemme kaikkia näitä parametreja erikseen ja yhdessä.

Kausi T.

Jakso — aika, joka kuluu värähtelevän järjestelmän läpäisemiseen kaikki välitilat ja palaaminen takaisin alkutilaansa.

Vaihtovirran jakso T on aikaväli, jonka aikana virta tai jännite tekee yhden täydellisen muutossyklin.

Koska vaihtovirran lähde on generaattori, jakso on suhteessa sen roottorin pyörimisnopeuteen, ja mitä suurempi on generaattorin käämin tai roottorin pyörimisnopeus, sitä lyhyempi on generoidun vaihtovirran EMF ja, vastaavasti kuorman vaihtovirta, käy ilmi.

Jakso mitataan sekunteina, millisekunteina, mikrosekunteina, nanosekunteina riippuen tilanteesta, jossa tätä virtaa tarkastellaan. Yllä oleva kuva näyttää kuinka jännite U muuttuu ajan myötä, kun sillä on vakio ominaisjakso T.

Taajuus f

Taajuus f on jakson käänteisluku ja on numeerisesti yhtä suuri kuin virran tai EMF-muutosjaksojen lukumäärä 1 sekunnissa. Eli f = 1 / T. Taajuuden mittayksikkö on hertsi (Hz), joka on nimetty saksalaisen fyysikon Heinrich Hertzin mukaan, joka vaikutti merkittävästi sähködynamiikan kehitykseen 1800-luvulla. Mitä lyhyempi ajanjakso, sitä korkeampi EMF- tai virranmuutoksen taajuus.

Nykyään Venäjällä vaihtovirran vakiotaajuus sähköverkoissa on 50 Hz, eli 50 verkkojännitteen vaihtelua ilmestyy sekunnissa.

Muilla sähködynamiikan alueilla käytetään korkeampia taajuuksia, esimerkiksi 20 kHz ja enemmän nykyaikaisissa inverttereissä, ja jopa useita MHz kapeammilla sähködynamiikan alueilla. Yllä olevasta kuvasta näet, että yhdessä sekunnissa tapahtuu 50 täydellistä värähtelyä, joista jokainen kestää 0,02 sekuntia ja 1 / 0,02 = 50.

Sinimuotoisen vaihtovirran ajan muutosten kaavioista voidaan nähdä, että eri taajuuksilla virrat sisältävät eri määrän jaksoja samalla aikavälillä.

Kulmataajuus

Kulmataajuus — värähtelyjen määrä 2pi sekunnissa.

Yhdessä jaksossa sinimuotoisen EMF:n tai sinimuotoisen virran vaihe muuttuu 2pi radiaania tai 360 °, joten vaihtosinivirran kulmataajuus on yhtä suuri:

Käytä värähtelyjen määrää 2pi sekunnissa (ei 1 sekunnissa). Se on kätevää, koska kaavoissa, jotka ilmaisevat jännitteen ja virran muutoksen lakia harmonisten värähtelyjen aikana, ilmaisevat vaihtovirran induktiivista tai kapasitiivista vastusta, ja monissa kaavoissa muissa tapauksissa värähtelytaajuus n esiintyy yhdessä kertoimen 2pi kanssa.

Vaihe

Vaihe — tila, jaksollisen prosessin vaihe. Termillä vaihe on tarkempi merkitys sinivärähtelyn tapauksessa. Käytännössä ei yleensä näy itse vaihe, vaan vaihesiirto kahden jaksollisen prosessin välillä.

Tässä tapauksessa termi "vaihe" ymmärretään prosessin kehitysvaiheeksi, ja tässä tapauksessa vaihtovirtojen ja sinimuotoisten jännitteiden suhteen vaihetta kutsutaan vaihtovirran tilaksi tietyllä hetkellä aika.

Kuvat osoittavat: jännitteen U1 ja virran I1 yhtäläisyyden vaiheessa, jännitteen U1 ja U2 vastavaiheessa sekä vaihesiirron virran I1 ja jännitteen U2 välillä. Vaihesiirto mitataan radiaaneina, jakson osina, asteina.

Katso myös: Mikä on vaihe, vaihekulma ja vaihesiirto

Amplitudi Um ja Im

Puhuttaessa sinimuotoisen vaihtovirran tai sinimuotoisen vaihtovirran EMF:n suuruudesta, suurinta EMF:n tai virran arvoa kutsutaan amplitudiksi tai amplitudiksi (maksimi) arvoksi.

Amplitudi — harmonisia värähtelyjä suorittavan suuren suurin arvo (esimerkiksi virranvoimakkuuden maksimiarvo vaihtovirrassa, värähtelevän heilurin poikkeama tasapainoasennosta), värähtelevän suuren suurin poikkeama tietystä arvosta, ehdollisesti hyväksytty alkunollaksi.

Tarkkaan ottaen termi amplitudi viittaa vain sinimuotoisiin värähtelyihin, mutta sitä käytetään yleensä (ei aivan oikein) edellä mainitussa mielessä kaikkiin värähtelyihin.

Jos puhumme vaihtovirtageneraattorista, sen päätteiden EMF kahdesti jaksossa saavuttaa amplitudiarvon, joista ensimmäinen on + Em, toinen on Em, vastaavasti positiivisen ja negatiivisen puolijakson aikana. Virta I käyttäytyy samalla tavalla ja sitä merkitään Im vastaavasti.

Harmoniset värähtelyt — värähtelyt, joissa värähtelevä suure, kuten sähköpiirin jännite, muuttuu ajan myötä harmonisen sini- tai kosinilain mukaan. Graafisesti esitetty sinimuotoisella käyrällä.

Todelliset prosessit voivat vain arvioida harmonisia värähtelyjä. Kuitenkin, jos värähtelyt heijastavat prosessin tyypillisimpiä piirteitä, tällaista prosessia pidetään harmonisena, mikä helpottaa suuresti monien fyysisten ja teknisten ongelmien ratkaisemista.

Harmonisia värähtelyjä lähellä olevia liikkeitä esiintyy erilaisissa järjestelmissä: mekaanisissa (heilurin värähtelyt), akustisissa (ilmapylvään värähtelyt urkuputkessa), sähkömagneettisissa (värähtelyt LC-piirissä) jne.Värähtelyteoria tarkastelee näitä fysikaalisesti erilaisia ​​ilmiöitä yhtenäisestä näkökulmasta ja määrittää niiden yhteiset ominaisuudet.

On kätevää esittää harmonisia värähtelyjä graafisesti käyttämällä vektoria, joka pyörii vakiokulmanopeudella tähän vektoriin nähden kohtisuorassa olevan akselin ympäri ja kulkee sen origon kautta. Vektorin pyörimiskulmanopeus vastaa harmonisen värähtelyn ympyrätaajuutta.

Vektorikaavio harmonisesta värähtelystä

Minkä tahansa muotoinen jaksollinen prosessi voidaan jakaa äärettömäksi sarjaksi yksinkertaisia ​​harmonisia värähtelyjä, joilla on eri taajuudet, amplitudit ja vaiheet.

Harmoninen — harmoninen värähtely, jonka taajuus on kokonaisluku kertaa suurempi kuin jonkin muun värähtelyn taajuus, jota kutsutaan perusääneksi. Harmonisen numero ilmaisee, kuinka monta kertaa sen taajuus on suurempi kuin perusäänen taajuus (esimerkiksi kolmas harmoninen on harmoninen värähtely, jonka taajuus on kolme kertaa suurempi kuin perusäänen taajuus).

Mikä tahansa jaksollinen mutta ei harmoninen (eli muodoltaan erilainen kuin sinimuotoinen) värähtelyt voidaan esittää harmonisten värähtelyjen summana – perusäänenä ja useiden harmonisten värähtelyjen summana. Mitä enemmän tarkasteltu värähtely poikkeaa muodoltaan sinimuotoisesta, sitä enemmän se sisältää harmonisia.

u:n ja i:n hetkellinen arvo

EMF:n tai virran arvoa tietyllä ajanhetkellä kutsutaan hetkellisiksi arvoiksi, niitä merkitään pienillä kirjaimilla u ja i. Mutta koska nämä arvot muuttuvat koko ajan, on hankalaa arvioida AC-virtoja ja EMF:itä niistä.

I, E ja U RMS-arvot

Vaihtovirran kyky tehdä hyödyllistä työtä, kuten mekaanisesti kääntää moottorin roottoria tai tuottaa lämpöä lämmityslaitteessa, arvioidaan kätevästi emfs- ja virtojen tehollisilla arvoilla.

Niin, efektiivinen nykyarvo Sitä kutsutaan sellaisen tasavirran arvoksi, joka kulkiessaan johtimen läpi yhden tarkasteltavana olevan vaihtovirran jakson aikana tuottaa saman mekaanisen työn tai saman määrän lämpöä kuin tämä vaihtovirta.

Jännitteiden, emfs- ja virtojen RMS-arvot on merkitty isoilla kirjaimilla I, E ja U. Sinimuotoiselle vaihtovirralle ja sinimuotoiselle vaihtojännitteelle teholliset arvot ovat:

Sähköverkkojen kuvaamiseen on kätevää käyttää virran ja jännitteen tehollista arvoa. Esimerkiksi arvo 220-240 volttia on jännitteen tehollinen arvo nykyaikaisissa kotitalouspistorasioissa, ja amplitudi on paljon suurempi - 311 - 339 volttia.

Sama virralla, esimerkiksi kun sanotaan, että kodin lämmityslaitteen läpi kulkee 8 ampeerin virta, se tarkoittaa tehollista arvoa, kun taas amplitudi on 11,3 ampeeria.

Tavalla tai toisella mekaaninen työ ja sähköenergia sähköasennuksissa ovat verrannollisia jännitteiden ja virtojen tehollisiin arvoihin. Merkittävä osa mittalaitteista näyttää tarkalleen jännitteiden ja virtojen teholliset arvot.