Basisparameters van wisselstroom: periode, frequentie, fase, amplitude, harmonische oscillaties

Wisselstroom is een elektrische stroom waarvan de richting en sterkte periodiek veranderen. Aangezien de sterkte van wisselstroom meestal varieert volgens een sinusvormige wet, is wisselstroom sinusvormige fluctuaties in spanning en stroom.

Daarom is alles wat van toepassing is op sinusvormige elektrische oscillaties van toepassing op wisselstroom. Sinusoïdale oscillaties zijn oscillaties waarbij de oscillerende waarde verandert volgens de sinuswet.In dit artikel zullen we het hebben over AC-parameters.

De verandering in EMF en de verandering in stroom van een lineaire belasting die op een dergelijke bron is aangesloten, volgen een sinusvormige wet. In dit geval kunnen wisselende EMF's, wisselende spanningen en stromen worden gekenmerkt door hun vier belangrijkste parameters:

• periode;

• frequentie;

• amplitude;

• effectieve waarde.

Er zijn ook aanvullende parameters:

• hoekfrequentie;

• fase;

• onmiddellijke waarde.

Vervolgens bekijken we al deze parameters afzonderlijk en samen.

Periode T.

Periode - de tijd die een systeem dat oscilleert nodig heeft om door alle tussenliggende toestanden te gaan en weer terug te keren naar de begintoestand.

De periode T van een wisselstroom is het tijdsinterval waarin de stroom of spanning een volledige cyclus van veranderingen doormaakt.

Aangezien de bron van wisselstroom een ​​generator is, is de periode gerelateerd aan de rotatiesnelheid van de rotor, en hoe hoger de rotatiesnelheid van de wikkeling of rotor van de generator, hoe korter de periode van de gegenereerde wissel EMF en, dienovereenkomstig, de wisselstroom van belasting, zo blijkt.

De periode wordt gemeten in seconden, milliseconden, microseconden, nanoseconden, afhankelijk van de specifieke situatie waarin deze stroom wordt beschouwd. De figuur hierboven laat zien hoe de spanning U in de loop van de tijd verandert met een constante karakteristieke periode T.

Frequentie f

De frequentie f is het omgekeerde van de periode en is numeriek gelijk aan het aantal perioden van stroom- of EMF-verandering in 1 seconde. Dat wil zeggen, f = 1 / T. De meeteenheid van frequentie is de hertz (Hz), genoemd naar de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz, die een belangrijke bijdrage leverde aan de ontwikkeling van de elektrodynamica in de 19e eeuw. Hoe korter de periode, hoe hoger de frequentie van de EMF- of stroomverandering.

Tegenwoordig is in Rusland de standaardfrequentie van wisselstroom in elektrische netwerken 50 Hz, dat wil zeggen dat er in 1 seconde 50 fluctuaties van de netwerkspanning optreden.

Op andere gebieden van de elektrodynamica worden hogere frequenties gebruikt, bijvoorbeeld 20 kHz en meer in moderne omvormers, en tot enkele MHz in smallere gebieden van de elektrodynamica. In de bovenstaande figuur kun je zien dat er 50 volledige oscillaties zijn in één seconde, die elk 0,02 seconden duren en 1 / 0,02 = 50.

Uit de grafieken van veranderingen in sinusvormige wisselstroom in de loop van de tijd, kan worden gezien dat stromen met verschillende frequenties een verschillend aantal perioden in hetzelfde tijdsinterval bevatten.

Hoekfrequentie

Hoekfrequentie — het aantal oscillaties gemaakt in 2pi sec.

In één periode verandert de fase van de sinusvormige EMF of sinusvormige stroom met 2pi radialen of 360 °, daarom is de hoekfrequentie van de wisselende sinusvormige stroom gelijk aan:

Gebruik het aantal oscillaties in 2 pi sec.(niet in 1 sec.) Het is handig omdat in de formules die de wet van de verandering van spanning en stroom tijdens harmonische oscillaties uitdrukken, de inductieve of capacitieve weerstand van wisselstroom wordt uitgedrukt, en in veel andere gevallen verschijnt de oscillatiefrequentie n samen met de vermenigvuldiger 2pi.

Fase

Fase — toestand, stadium van een periodiek proces. De term fase heeft een meer definitieve betekenis in het geval van sinusoïdale oscillaties. In de praktijk speelt meestal niet de fase zelf een rol, maar de faseverschuiving tussen twee willekeurige periodieke processen.

In dit geval wordt de term «fase» opgevat als een fase van de ontwikkeling van het proces, en in dit geval, met betrekking tot wisselstromen en sinusvormige spanningen, wordt de fase de toestand van de wisselstroom op een bepaald moment in tijd.

De figuren laten zien: het samenvallen van spanning U1 en stroom I1 in fase, spanning U1 en U2 in tegenfase, evenals de faseverschuiving tussen stroom I1 en spanning U2. Faseverschuiving wordt gemeten in radialen, delen van een periode, in graden.

Zie ook: Wat is fase, fasehoek en faseverschuiving

Amplitude Um en Im

Over de grootte van sinusvormige wisselstroom of sinusvormige wissel-EMF gesproken, de hoogste waarde van EMF of stroom wordt amplitude of amplitude (maximum) waarde genoemd.

Amplitude — de grootste waarde van de grootheid die harmonische oscillaties uitvoert (bijvoorbeeld de maximale waarde van de stroomsterkte in wisselstroom, de afwijking van de oscillerende slinger van de evenwichtspositie), de grootste afwijking van de oscillerende grootheid van een bepaalde waarde, voorwaardelijk geaccepteerd als beginnul.

Strikt genomen verwijst de term amplitude alleen naar sinusoïdale oscillaties, maar wordt meestal (niet helemaal correct) in de bovenstaande zin toegepast op alle oscillaties.

Als we het hebben over een dynamo, dan bereikt de EMF van zijn terminals tweemaal per periode een amplitudewaarde, waarvan de eerste respectievelijk + Em is, de tweede Em tijdens de positieve en negatieve halve cycli. De stroom I gedraagt ​​zich op dezelfde manier en wordt dienovereenkomstig aangeduid met Im.

Harmonische trillingen — oscillaties waarbij een oscillerende grootheid, zoals de spanning in een elektrisch circuit, in de tijd verandert volgens een harmonische sinusoïdale of cosinuswet. Grafisch weergegeven door een sinusvormige curve.

Echte processen kunnen alleen harmonische oscillaties benaderen. Als de oscillaties echter de meest karakteristieke kenmerken van het proces weerspiegelen, wordt een dergelijk proces als harmonisch beschouwd, wat de oplossing van veel fysieke en technische problemen aanzienlijk vergemakkelijkt.

Bewegingen die lijken op harmonische oscillaties komen voor in verschillende systemen: mechanisch (oscillaties van een slinger), akoestisch (oscillaties van een luchtkolom in een orgelpijp), elektromagnetisch (oscillaties in een LC-circuit), enz.De theorie van oscillaties beschouwt deze fenomenen, verschillend in fysieke aard, vanuit een verenigd gezichtspunt en bepaalt hun gemeenschappelijke eigenschappen.

Het is handig om harmonische oscillaties grafisch weer te geven met behulp van een vector die met een constante hoeksnelheid rond een as loodrecht op deze vector draait en door zijn oorsprong gaat. De hoeksnelheid van de rotatie van de vector komt overeen met de cirkelvormige frequentie van de harmonische trilling.

Vectordiagram van een harmonische trilling

Een periodiek proces van welke vorm dan ook kan worden ontleed in een oneindige reeks eenvoudige harmonische oscillaties met verschillende frequenties, amplitudes en fasen.

Harmonisch — een harmonische trilling waarvan de frequentie een geheel aantal malen groter is dan de frequentie van een andere trilling, de grondtoon genoemd. Het nummer van de harmonische geeft aan hoeveel keer de frequentie ervan groter is dan de frequentie van de grondtoon (de derde harmonische is bijvoorbeeld een harmonische trilling met een frequentie die drie keer hoger is dan de frequentie van de grondtoon).

Elke periodieke maar niet harmonische (dat wil zeggen, verschillend in vorm van sinusoïdale) oscillaties kan worden weergegeven als een som van harmonische oscillaties - de grondtoon en een aantal harmonischen. Hoe meer de beschouwde oscillatie qua vorm verschilt van een sinusvormige, hoe meer harmonischen deze bevat.

Momentane waarde van u en i

De waarde van de EMF of stroom op een bepaald moment wordt de momentane waarde genoemd, ze worden aangeduid met kleine letters u en i. Maar aangezien deze waarden de hele tijd veranderen, is het onhandig om de AC-stromen en EMF's daaruit te schatten.

RMS-waarden van I, E en U

Het vermogen van wisselstroom om nuttig werk uit te voeren, zoals het mechanisch draaien van de rotor van een motor of het produceren van warmte op een verwarmingsapparaat, wordt gemakkelijk geschat door de effectieve waarden van emfs en stromen.

Dus, effectieve contante waarde wordt de waarde genoemd van zo'n gelijkstroom die, wanneer hij door een geleider gaat gedurende één periode van de beschouwde wisselstroom, dezelfde mechanische arbeid of dezelfde hoeveelheid warmte produceert als deze wisselstroom.

De RMS-waarden van spanningen, emf's en stromen worden aangegeven met hoofdletters I, E en U. Voor sinusvormige wisselstroom en voor sinusvormige wisselspanning zijn de effectieve waarden:

Om elektrische netwerken te beschrijven, is het handig om de effectieve waarde van stroom en spanning te gebruiken. Een waarde van 220-240 volt is bijvoorbeeld de effectieve waarde van de spanning in moderne huishoudelijke stopcontacten, en de amplitude is veel hoger - van 311 tot 339 volt.

Hetzelfde geldt voor stroom, als ze bijvoorbeeld zeggen dat er een stroom van 8 ampère door een verwarmingstoestel in huis vloeit, betekent dat een effectieve waarde, terwijl de amplitude 11,3 ampère is.

Op de een of andere manier zijn mechanische arbeid en elektrische energie in elektrische installaties evenredig met de effectieve waarden van spanningen en stromen. Een aanzienlijk deel van de meettoestellen geeft exact de effectieve waarden van spanningen en stromen weer.