Osnovni parametri izmjenične struje: period, frekvencija, faza, amplituda, harmonijske oscilacije

Izmjenična struja je električna struja čiji se smjer i jakost periodički mijenjaju. Budući da se jakost izmjenične struje obično mijenja prema sinusoidnom zakonu, izmjenična struja je sinusoidna fluktuacija napona i struje.

Dakle, sve što vrijedi za sinusne električne oscilacije vrijedi i za izmjeničnu struju. Sinusoidne oscilacije su titraji kod kojih se oscilirajuća vrijednost mijenja po sinusnom zakonu.U ovom ćemo članku govoriti o AC parametrima.

Promjena EMF-a i promjena struje linearnog opterećenja spojenog na takav izvor pratit će sinusoidni zakon. U ovom slučaju, izmjenični EMF, izmjenični naponi i struje mogu se karakterizirati s četiri glavna parametra:

• razdoblje;

• frekvencija;

• amplituda;

• efektivna vrijednost.

Tu su i dodatni parametri:

• kutna frekvencija;

• faza;

• neposredna vrijednost.

Zatim ćemo sve te parametre promatrati zasebno i zajedno.

Razdoblje T.

Period — vrijeme koje je potrebno sustavu koji oscilira da prođe kroz sva međustanja i ponovno se vrati u početno stanje.

Period T izmjenične struje je vremenski interval tijekom kojeg struja ili napon napravi jedan potpuni ciklus promjena.

Budući da je izvor izmjenične struje generator, period je povezan s brzinom vrtnje njegovog rotora, a što je veća brzina vrtnje namota ili rotora generatora, to je kraći period generiranog izmjeničnog EMF-a i, prema tome, izmjenična struja opterećenja, ispada.

Razdoblje se mjeri u sekundama, milisekundama, mikrosekundama, nanosekundama, ovisno o konkretnoj situaciji u kojoj se ta struja razmatra. Gornja slika pokazuje kako se napon U mijenja tijekom vremena dok ima konstantan karakteristični period T.

Učestalost f

Frekvencija f je recipročna vrijednost perioda i brojčano je jednaka broju perioda promjene struje ili EMF-a u 1 sekundi. Odnosno, f = 1 / T. Mjerna jedinica frekvencije je herc (Hz), nazvan po njemačkom fizičaru Heinrichu Hertzu, koji je dao značajan doprinos razvoju elektrodinamike u 19. stoljeću. Što je razdoblje kraće, to je veća frekvencija EMF-a ili promjena struje.

Danas je u Rusiji standardna frekvencija izmjenične struje u električnim mrežama 50 Hz, odnosno u 1 sekundi pojavljuje se 50 kolebanja mrežnog napona.

U drugim područjima elektrodinamike koriste se više frekvencije, npr. 20 kHz i više u suvremenim izmjenjivačima, a do nekoliko MHz u užim područjima elektrodinamike. Na gornjoj slici možete vidjeti da postoji 50 potpunih oscilacija u jednoj sekundi, od kojih svaka traje 0,02 sekunde i 1 / 0,02 = 50.

Iz grafova promjena sinusne izmjenične struje u vremenu vidljivo je da struje različitih frekvencija sadrže različit broj perioda u istom vremenskom intervalu.

Kutna frekvencija

Kutna frekvencija — broj oscilacija napravljenih u 2pi sek.

U jednom razdoblju faza sinusoidnog EMF-a ili sinusoidne struje mijenja se za 2pi radijana ili 360 °, stoga je kutna frekvencija izmjenične sinusoidalne struje jednaka:

Koristite broj oscilacija u 2pi sek. (ne u 1 sek.) To je zgodno jer u formulama koje izražavaju zakon promjene napona i struje tijekom harmonijskih oscilacija, izražavajući induktivni ili kapacitivni otpor izmjenične struje, te u mnogim u drugim slučajevima frekvencija osciliranja n pojavljuje se zajedno s množiteljem 2pi.

Faza

Faza — stanje, stadij periodičkog procesa. Izraz faza ima određenije značenje u slučaju sinusoidnih oscilacija. U praksi obično ne igra ulogu sama faza, već fazni pomak između bilo koja dva periodična procesa.

U ovom slučaju, pod pojmom «faza» podrazumijeva se faza razvoja procesa, au ovom slučaju, u odnosu na izmjenične struje i sinusne napone, faza se naziva stanje izmjenične struje u određenom trenutku u vrijeme.

Na slikama je prikazano: podudarnost napona U1 i struje I1 u fazi, napona U1 i U2 u protufazi, kao i fazni pomak između struje I1 i napona U2. Fazni pomak se mjeri u radijanima, dijelovima perioda, u stupnjevima.

Vidi također: Što je faza, fazni kut i fazni pomak

Amplituda Um i Im

Govoreći o veličini sinusne izmjenične struje ili sinusne izmjenične EMF, najveća vrijednost EMF ili struje naziva se amplituda ili amplitudna (maksimalna) vrijednost.

Amplituda — najveća vrijednost veličine koja vrši harmonijske oscilacije (npr. najveća vrijednost jakosti struje u izmjeničnoj struji, otklon titrajnog njihala od ravnotežnog položaja), najveće odstupanje titrajne veličine od određene vrijednosti, uvjetno prihvaćena kao početna nula.

Strogo govoreći, pojam amplituda odnosi se samo na sinusne oscilacije, ali se obično (ne sasvim ispravno) primjenjuje u gornjem smislu na sve oscilacije.

Ako govorimo o alternatoru, tada EMF njegovih terminala dva puta po razdoblju doseže vrijednost amplitude, od kojih je prva + Em, druga je Em, odnosno tijekom pozitivnih i negativnih poluciklusa. Struja I ponaša se slično i prema tome se označava s Im.

Harmonijske vibracije — oscilacije u kojima se oscilirajuća veličina, kao što je napon u električnom krugu, mijenja s vremenom prema harmonijskom sinusoidnom ili kosinusnom zakonu. Grafički prikazan sinusoidnom krivuljom.

Realni procesi mogu samo aproksimirati harmonijske oscilacije. Međutim, ako oscilacije odražavaju najkarakterističnije značajke procesa, tada se takav proces smatra harmonijskim, što uvelike olakšava rješavanje mnogih fizičkih i tehničkih problema.

Gibanja bliska harmonijskom titranju javljaju se u različitim sustavima: mehaničkim (njihanjem njihala), akustičkim (njihanje zračnog stupca u orguljskoj cijevi), elektromagnetskim (njihanje u LC krugu) itd.Teorija oscilacija te fenomene, različite fizičke prirode, razmatra s jedinstvenog gledišta i utvrđuje njihova zajednička svojstva.

Prikladno je grafički prikazati harmonijske oscilacije pomoću vektora koji rotira konstantnom kutnom brzinom oko osi okomite na taj vektor i prolazi kroz njegovo ishodište. Kutna brzina rotacije vektora odgovara kružnoj frekvenciji harmonijskog titranja.

Vektorski dijagram harmonijske vibracije

Periodički proces bilo kojeg oblika može se rastaviti na beskonačan niz jednostavnih harmoničnih oscilacija s različitim frekvencijama, amplitudama i fazama.

Skladan — harmonijska vibracija čija je frekvencija cijeli broj puta veća od frekvencije neke druge vibracije, koja se naziva temeljni ton. Broj harmonika pokazuje koliko je puta njegova frekvencija veća od frekvencije osnovnog tona (npr. treći harmonik je harmonijska vibracija tri puta veće frekvencije od frekvencije osnovnog tona).

Bilo koje periodične, ali ne harmonijske (to jest, različite po obliku od sinusoidnih) oscilacije mogu se predstaviti kao zbroj harmonijskih oscilacija - temeljnog tona i niza harmonika. Što se razmatrani titraj po obliku više razlikuje od sinusoidnog, to sadrži više harmonika.

Trenutna vrijednost u i i

Vrijednost EMF-a ili struje u određenom trenutku naziva se trenutna vrijednost, označava se malim slovima u i i. Ali budući da se te vrijednosti stalno mijenjaju, nezgodno je procijeniti AC struje i EMF iz njih.

RMS vrijednosti I, E i U

Sposobnost izmjenične struje da obavlja koristan rad, kao što je mehaničko okretanje rotora motora ili proizvodnja topline na uređaju za grijanje, prikladno se procjenjuje efektivnim vrijednostima emf-a i struja.

Tako, efektivna sadašnja vrijednost naziva se vrijednost takve istosmjerne struje koja pri prolasku kroz vodič tijekom jednog perioda razmatrane izmjenične struje proizvodi isti mehanički rad ili istu količinu topline kao ova izmjenična struja.

RMS vrijednosti napona, emfs i struja označene su velikim slovima I, E i U. Za sinusoidnu izmjeničnu struju i za sinusoidalni izmjenični napon, efektivne vrijednosti su:

Za opisivanje električnih mreža prikladno je koristiti efektivnu vrijednost struje i napona. Na primjer, vrijednost od 220-240 volti je efektivna vrijednost napona u modernim kućanskim utičnicama, a amplituda je mnogo veća - od 311 do 339 volti.

Isto je i sa strujom, npr. kada kažu da kroz kućno grijanje teče struja od 8 ampera, to znači efektivnu vrijednost, a amplituda je 11,3 ampera.

Na ovaj ili onaj način, mehanički rad i električna energija u električnim instalacijama proporcionalni su efektivnim vrijednostima napona i struja. Značajan dio mjernih uređaja pokazuje točno efektivne vrijednosti napona i struja.