Základní parametry střídavého proudu: perioda, frekvence, fáze, amplituda, harmonické kmity

Střídavý proud je elektrický proud, jehož směr a síla se periodicky mění. Protože se obvykle síla střídavého proudu mění podle sinusového zákona, střídavý proud je sinusové kolísání napětí a proudu.

Proto vše, co platí pro sinusové elektrické oscilace, platí pro střídavý proud. Sinusové kmity jsou kmity, při kterých se mění kmitající hodnota podle sinusového zákona.V tomto článku budeme hovořit o střídavých parametrech.

Změna EMF a změna proudu lineární zátěže připojené k takovému zdroji se bude řídit sinusovým zákonem. V tomto případě lze střídavé EMF, střídavé napětí a proudy charakterizovat jejich hlavními čtyřmi parametry:

• doba;

• frekvence;

• amplituda;

• efektivní hodnotu.

K dispozici jsou také další parametry:

• úhlová frekvence;

• fáze;

• okamžitá hodnota.

Dále se podíváme na všechny tyto parametry samostatně a společně.

Období T.

Období — doba, kterou potřebuje systém, který osciluje, projít všemi přechodnými stavy a vrátit se znovu do původního stavu.

Perioda T střídavého proudu je časový interval, během kterého proud nebo napětí provede jeden úplný cyklus změn.

Protože zdrojem střídavého proudu je generátor, perioda souvisí s rychlostí otáčení jeho rotoru a čím vyšší je rychlost otáčení vinutí nebo rotoru generátoru, tím kratší je perioda generovaného střídavého EMF a, podle toho se ukazuje střídavý proud zátěže.

Perioda se měří v sekundách, milisekundách, mikrosekundách, nanosekundách v závislosti na konkrétní situaci, ve které je tento proud uvažován. Výše uvedený obrázek ukazuje, jak se napětí U mění v čase, zatímco má konstantní charakteristickou periodu T.

Frekvence f

Frekvence f je převrácená hodnota periody a je číselně rovna počtu period změny proudu nebo EMF za 1 sekundu. Tedy f = 1 / T. Jednotkou měření frekvence je hertz (Hz), pojmenovaný po německém fyzikovi Heinrichu Hertzovi, který významně přispěl k rozvoji elektrodynamiky v 19. století. Čím kratší je perioda, tím vyšší je frekvence změny EMF nebo proudu.

Dnes v Rusku je standardní frekvence střídavého proudu v elektrických sítích 50 Hz, to znamená, že za 1 sekundu se objeví 50 kolísání síťového napětí.

V jiných oblastech elektrodynamiky se používají vyšší frekvence, např. 20 kHz a více u moderních měničů a až několik MHz v užších oblastech elektrodynamiky. Na obrázku výše můžete vidět, že za jednu sekundu je 50 úplných oscilací, z nichž každá trvá 0,02 sekundy a 1 / 0,02 = 50.

Z grafů změn sinusového střídavého proudu v čase je vidět, že proudy různých frekvencí obsahují různý počet period ve stejném časovém intervalu.

Úhlová frekvence

Úhlová frekvence — počet kmitů provedených za 2pi sec.

V jedné periodě se fáze sinusového EMF nebo sinusového proudu změní o 2pi radiány nebo 360 °, proto je úhlová frekvence střídavého sinusového proudu rovna:

Použijte počet kmitů ve 2pi sec. (ne v 1 sec.) Je to vhodné, protože ve vzorcích vyjadřujících zákon změny napětí a proudu při harmonických kmitech, vyjadřujících indukční nebo kapacitní odpor střídavého proudu a v mnoha v ostatních případech se frekvence kmitů n objeví spolu s násobičem 2pi.

Fáze

Phase — stav, fáze periodického procesu. Pojem fáze má v případě sinusových kmitů konkrétnější význam. V praxi obvykle nehraje roli samotná fáze, ale fázový posun mezi libovolnými dvěma periodickými procesy.

V tomto případě je pojem «fáze» chápán jako stádium vývoje procesu a v tomto případě ve vztahu ke střídavým proudům a sinusovým napětím se fáze nazývá stav střídavého proudu v určitém okamžiku v čas.

Obrázky ukazují: shodu napětí U1 a proudu I1 ve fázi, napětí U1 a U2 v protifázi a také fázový posun mezi proudem I1 a napětím U2. Fázový posun se měří v radiánech, částech periody, ve stupních.

Viz také: Co je fáze, fázový úhel a fázový posun

Amplituda Um a Im

Když už mluvíme o velikosti sinusového střídavého proudu nebo sinusového střídavého EMF, nejvyšší hodnota EMF nebo proudu se nazývá amplituda nebo amplituda (maximální) hodnota.

Amplituda — největší hodnota veličiny provádějící harmonické kmity (například maximální hodnota síly proudu ve střídavém proudu, výchylka kmitajícího kyvadla z rovnovážné polohy), největší odchylka kmitající veličiny od určité hodnoty, podmíněně přijat jako počáteční nula.

Přísně vzato se termín amplituda týká pouze sinusových kmitů, ale obvykle (ne zcela správně) je ve výše uvedeném smyslu aplikován na všechny kmity.

Pokud mluvíme o alternátoru, pak EMF jeho svorek dvakrát za periodu dosáhne hodnoty amplitudy, z nichž první je + Em, druhá je Em během kladných a záporných půlcyklů. Proud I se chová podobně a podle toho se označuje Im.

Harmonické vibrace — oscilace, ve kterých se oscilující veličina, jako je napětí v elektrickém obvodu, mění s časem podle harmonického sinusového nebo kosinového zákona. Graficky znázorněno sinusovou křivkou.

Reálné procesy mohou harmonické oscilace pouze aproximovat. Pokud však oscilace odrážejí nejcharakterističtější rysy procesu, pak je takový proces považován za harmonický, což značně usnadňuje řešení mnoha fyzikálních a technických problémů.

K pohybům blízkým harmonickým kmitům dochází v různých systémech: mechanické (kmity kyvadla), akustické (kmity vzduchového sloupce v píšťale varhan), elektromagnetické (kmity v LC obvodu) atd.Teorie kmitů uvažuje tyto jevy, odlišné fyzikální povahy, z jednotného hlediska a určuje jejich společné vlastnosti.

Harmonické kmity je vhodné znázornit graficky pomocí vektoru rotujícího konstantní úhlovou rychlostí kolem osy kolmé k tomuto vektoru a procházejícího jeho počátkem. Úhlová rychlost otáčení vektoru odpovídá kruhové frekvenci harmonického kmitání.

Vektorový diagram harmonické vibrace

Periodický proces jakékoli formy lze rozložit na nekonečnou řadu jednoduchých harmonických kmitů s různými frekvencemi, amplitudami a fázemi.

Harmonický — harmonická vibrace, jejíž frekvence je mnohonásobně vyšší než frekvence jiné vibrace, nazývané základní tón. Číslo harmonické udává, kolikrát je její frekvence větší než frekvence základního tónu (třetí harmonická je například harmonické kmitání s frekvencí třikrát vyšší, než je frekvence základního tónu).

Jakékoli periodické, ale ne harmonické (tj. tvarově odlišné od sinusových) oscilací lze znázornit jako součet harmonických oscilací – základního tónu a řady harmonických. Čím více se uvažované kmitání liší ve formě od sinusového, tím více harmonických obsahuje.

Okamžitá hodnota u a i

Hodnota EMF nebo proudu v určitém okamžiku se nazývá okamžitá hodnota, značí se malými písmeny u ai. Ale protože se tyto hodnoty neustále mění, je nepohodlné z nich odhadovat střídavé proudy a EMF.

RMS hodnoty I, E a U

Schopnost střídavého proudu vykonávat užitečnou práci, jako je mechanické otáčení rotoru motoru nebo produkování tepla na topném zařízení, se pohodlně odhaduje pomocí efektivních hodnot emf a proudů.

Tak, efektivní současnou hodnotu se nazývá hodnota takového stejnosměrného proudu, který při průchodu vodičem během jedné periody uvažovaného střídavého proudu vyvine stejnou mechanickou práci nebo stejné množství tepla jako tento střídavý proud.

Efektivní hodnoty napětí, emf a proudů jsou označeny velkými písmeny I, E a U. Pro sinusový střídavý proud a pro sinusové střídavé napětí jsou efektivní hodnoty:

Pro popis elektrických sítí je vhodné použít efektivní hodnotu proudu a napětí. Například hodnota 220-240 voltů je efektivní hodnota napětí v moderních domácích zásuvkách a amplituda je mnohem vyšší - od 311 do 339 voltů.

To samé s proudem, když například říkají, že domácím topným zařízením protéká proud 8 ampér, znamená to efektivní hodnotu, přičemž amplituda je 11,3 ampéru.

Tak či onak je mechanická práce a elektrická energie v elektrických instalacích úměrná efektivním hodnotám napětí a proudů. Značná část měřících zařízení ukazuje přesně efektivní hodnoty napětí a proudů.