Maiņstrāvas pamatparametri: periods, frekvence, fāze, amplitūda, harmoniskās svārstības

Maiņstrāva ir elektriskā strāva, kuras virziens un stiprums periodiski mainās. Tā kā parasti maiņstrāvas stiprums mainās atkarībā no sinusoidāla likuma, maiņstrāva ir sinusoidālas sprieguma un strāvas svārstības.

Tāpēc viss, kas attiecas uz sinusoidālām elektriskām svārstībām, ir piemērojams maiņstrāvai. Sinusoidālās svārstības ir svārstības, kurās svārstību vērtība mainās saskaņā ar sinusa likumu.Šajā rakstā mēs runāsim par maiņstrāvas parametriem.

EML izmaiņas un lineārās slodzes strāvas izmaiņas, kas savienotas ar šādu avotu, notiks saskaņā ar sinusoidālo likumu. Šajā gadījumā mainīgos EML, mainīgos spriegumus un strāvas var raksturot ar to galvenajiem četriem parametriem:

• periods;

• biežums;

• amplitūda;

• efektīvā vērtība.

Ir arī papildu parametri:

• leņķiskā frekvence;

• fāze;

• tūlītēja vērtība.

Tālāk mēs aplūkosim visus šos parametrus atsevišķi un kopā.

Periods T.

Periods — laiks, kas nepieciešams, lai sistēma, kas svārstās, izietu cauri visiem starpstāvokļiem un atkal atgrieztos sākotnējā stāvoklī.

Maiņstrāvas periods T ir laika intervāls, kurā strāva vai spriegums veic vienu pilnu izmaiņu ciklu.

Tā kā maiņstrāvas avots ir ģenerators, periods ir saistīts ar tā rotora griešanās ātrumu, un jo lielāks ir ģeneratora tinuma vai rotora griešanās ātrums, jo īsāks ir ģenerētā maiņstrāvas EML periods un, attiecīgi slodzes maiņstrāva, izrādās.

Periods tiek mērīts sekundēs, milisekundēs, mikrosekundēs, nanosekundēs atkarībā no konkrētās situācijas, kurā šī strāva tiek ņemta vērā. Augšējā attēlā parādīts, kā spriegums U mainās laika gaitā, kamēr tam ir nemainīgs raksturīgais periods T.

Frekvence f

Frekvence f ir perioda apgrieztā vērtība, un tā ir skaitliski vienāda ar strāvas vai EML izmaiņu periodu skaitu 1 sekundē. Tas ir, f = 1 / T. Frekvences mērvienība ir hercs (Hz), kas nosaukts pēc vācu fiziķa Heinriha Herca, kurš sniedza nozīmīgu ieguldījumu elektrodinamikas attīstībā 19. gadsimtā. Jo īsāks periods, jo augstāks ir EML vai strāvas izmaiņu biežums.

Mūsdienās Krievijā maiņstrāvas standarta frekvence elektrotīklos ir 50 Hz, tas ir, 1 sekundē parādās 50 tīkla sprieguma svārstības.

Citās elektrodinamikas jomās tiek izmantotas augstākas frekvences, piemēram, 20 kHz un vairāk mūsdienu invertoros un līdz pat vairākiem MHz šaurākās elektrodinamikas jomās. Iepriekš redzamajā attēlā var redzēt, ka vienā sekundē ir 50 pilnīgas svārstības, katra ilgst 0,02 sekundes un 1 / 0,02 = 50.

No sinusoidālās maiņstrāvas izmaiņu grafikiem laika gaitā var redzēt, ka dažādu frekvenču strāvas satur atšķirīgu periodu skaitu vienā laika intervālā.

Leņķiskā frekvence

Leņķiskā frekvence — svārstību skaits 2pi sekundēs.

Vienā periodā sinusoidālās EMF vai sinusoidālās strāvas fāze mainās par 2pi radiāniem vai 360 °, tāpēc maiņstrāvas sinusoidālās strāvas leņķiskā frekvence ir vienāda ar:

Izmantot svārstību skaitu 2pi sekundēs (nevis 1 sek.) Tas ir ērti, jo formulās, kas izsaka sprieguma un strāvas maiņas likumu harmonisko svārstību laikā, izsakot maiņstrāvas induktīvo vai kapacitatīvo pretestību, un daudzās citos gadījumos svārstību frekvence n parādās kopā ar reizinātāju 2pi.

Fāze

Fāze — stāvoklis, periodiska procesa posms. Terminam fāze ir konkrētāka nozīme sinusoidālo svārstību gadījumā. Praksē parasti lomu spēlē nevis pati fāze, bet gan fāzes nobīde starp jebkuriem diviem periodiskiem procesiem.

Šajā gadījumā ar terminu "fāze" tiek saprasts procesa attīstības posms, un šajā gadījumā attiecībā uz maiņstrāvu un sinusoidālo spriegumu fāzi sauc par maiņstrāvas stāvokli noteiktā brīdī. laiks.

Attēlos parādīta: sprieguma U1 un strāvas I1 sakritība fāzē, sprieguma U1 un U2 pretfāzē, kā arī fāzes nobīde starp strāvu I1 un spriegumu U2. Fāzes nobīdi mēra radiānos, perioda daļās, grādos.

Skatīt arī: Kas ir fāze, fāzes leņķis un fāzes nobīde

Amplitūda Um un Im

Runājot par sinusoidālās maiņstrāvas vai sinusoidālās maiņstrāvas EMF lielumu, EMF vai strāvas lielāko vērtību sauc par amplitūdu vai amplitūdas (maksimālo) vērtību.

Amplitūda — harmoniskās svārstības veicošā lieluma lielākā vērtība (piemēram, strāvas stipruma maksimālā vērtība maiņstrāvā, svārstību svārsta novirze no līdzsvara stāvokļa), lielākā svārstību lieluma novirze no noteiktas vērtības, nosacīti pieņemts kā sākotnējā nulle.

Stingri sakot, termins amplitūda attiecas tikai uz sinusoidālām svārstībām, taču to parasti (ne gluži pareizi) iepriekš minētajā nozīmē piemēro visām svārstībām.

Ja mēs runājam par ģeneratoru, tad tā spaiļu EMF divas reizes periodā sasniedz amplitūdas vērtību, no kurām pirmā ir + Em, otrā ir Em, attiecīgi pozitīvā un negatīvā puscikla laikā. Strāva I uzvedas līdzīgi, un to attiecīgi apzīmē ar Im.

Harmoniskās vibrācijas — svārstības, kurās svārstību lielums, piemēram, spriegums elektriskā ķēdē, laika gaitā mainās saskaņā ar harmonisku sinusoidālu vai kosinusu likumu. Grafiski attēlots ar sinusoidālu līkni.

Reāli procesi var tikai tuvināt harmoniskās svārstības. Taču, ja svārstības atspoguļo procesa raksturīgākās iezīmes, tad šāds process tiek uzskatīts par harmonisku, kas ievērojami atvieglo daudzu fizikālu un tehnisku problēmu risināšanu.

Harmoniskām svārstībām tuvas kustības notiek dažādās sistēmās: mehāniskās (svārsta svārstības), akustiskās (gaisa kolonnas svārstības orgānu caurulē), elektromagnētiskās (svārstības LC ķēdē) u.c.Svārstību teorija aplūko šīs parādības, kas ir atšķirīgas pēc fiziskās dabas, no vienota viedokļa un nosaka to kopīgās īpašības.

Ir ērti attēlot harmoniskās svārstības grafiski, izmantojot vektoru, kas rotē ar nemainīgu leņķisko ātrumu ap asi, kas ir perpendikulāra šim vektoram un iet cauri tā sākuma vietai. Vektora griešanās leņķiskais ātrums atbilst harmonisko svārstību apļveida frekvencei.

Harmoniskās vibrācijas vektorshēma

Jebkuras formas periodisku procesu var sadalīt bezgalīgā vienkāršu harmonisko svārstību sērijā ar dažādām frekvencēm, amplitūdām un fāzēm.

Harmonisks — harmoniska vibrācija, kuras frekvence ir veselu skaitu reižu lielāka par kādas citas vibrācijas frekvenci, ko sauc par pamattoni. Harmonikas skaitlis norāda, cik reižu tās frekvence ir lielāka par pamattoņa frekvenci (piemēram, trešā harmonika ir harmonikas vibrācija, kuras frekvence ir trīs reizes lielāka par pamattoņa frekvenci).

Jebkuras periodiskas, bet ne harmoniskas (tas ir, pēc formas no sinusoidālās) svārstības var tikt attēlotas kā harmonisko svārstību summa — pamata tonis un vairākas harmonikas. Jo vairāk aplūkotās svārstības pēc formas atšķiras no sinusoidālās, jo vairāk tajā ir harmoniku.

u un i momentānā vērtība

EMF vai strāvas vērtību noteiktā laika momentā sauc par momentāno vērtību, tās apzīmē ar mazajiem burtiem u un i. Bet, tā kā šīs vērtības visu laiku mainās, ir neērti no tām novērtēt maiņstrāvas un EML.

I, E un U efektīvās vērtības

Maiņstrāvas spēja veikt noderīgu darbu, piemēram, mehāniski pagriezt motora rotoru vai ražot siltumu uz sildīšanas ierīces, ir ērti novērtēta ar emfs un strāvu efektīvām vērtībām.

Tātad, faktiskā pašreizējā vērtība sauc par tādas līdzstrāvas vērtību, kas, ejot caur vadītāju vienā aplūkojamās maiņstrāvas perioda laikā, rada tādu pašu mehānisko darbu vai tādu pašu siltuma daudzumu kā šī maiņstrāva.

Sprieguma, emfs un strāvu efektīvās vērtības ir norādītas ar lielajiem burtiem I, E un U. Sinusoidālajai maiņstrāvai un sinusoidālajam maiņstrāvai efektīvās vērtības ir:

Lai aprakstītu elektriskos tīklus, ir ērti izmantot strāvas un sprieguma efektīvo vērtību. Piemēram, 220–240 voltu vērtība ir efektīvā sprieguma vērtība mūsdienu mājsaimniecības rozetēs, un amplitūda ir daudz lielāka - no 311 līdz 339 voltiem.

Tas pats ar strāvu, piemēram, kad saka, ka caur mājas apkures ierīci plūst 8 ampēru strāva, tas nozīmē efektīvo vērtību, savukārt amplitūda ir 11,3 ampēri.

Vienā vai otrā veidā mehāniskais darbs un elektriskā enerģija elektroinstalācijās ir proporcionāla sprieguma un strāvas efektīvajām vērtībām. Ievērojama daļa mērierīču precīzi parāda spriegumu un strāvu efektīvās vērtības.