พารามิเตอร์พื้นฐานของกระแสสลับ: ระยะเวลา, ความถี่, เฟส, แอมพลิจูด, การสั่นของฮาร์มอนิก

กระแสสลับคือกระแสไฟฟ้าที่มีทิศทางและความแรงเปลี่ยนแปลงเป็นระยะ เนื่องจากโดยปกติแล้วความแรงของกระแสสลับจะแตกต่างกันไปตามกฎของไซน์ กระแสสลับคือความผันผวนของแรงดันและกระแสไซน์

ดังนั้น ทุกสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการสั่นทางไฟฟ้าแบบซายน์จึงใช้ได้กับไฟฟ้ากระแสสลับ การสั่นแบบซายน์เป็นการสั่นที่ค่าการสั่นเปลี่ยนแปลงตามกฎของไซน์ ในบทความนี้ เราจะพูดถึงพารามิเตอร์ AC

การเปลี่ยนแปลงใน EMF และการเปลี่ยนแปลงของกระแสโหลดเชิงเส้นที่เชื่อมต่อกับแหล่งที่มาดังกล่าวจะเป็นไปตามกฎไซน์ ในกรณีนี้ EMF สลับ แรงดันและกระแสสลับสามารถกำหนดลักษณะได้ด้วยพารามิเตอร์หลักสี่ตัว:

• ระยะเวลา;

• ความถี่;

• แอมพลิจูด;

• ค่าที่มีประสิทธิภาพ

นอกจากนี้ยังมีพารามิเตอร์เพิ่มเติม:

• ความถี่เชิงมุม

• เฟส;

• มูลค่าทันที

ต่อไปเราจะดูพารามิเตอร์เหล่านี้แยกกันและรวมกัน

ระยะเวลา T

ระยะเวลา — เวลาที่ระบบสั่นเพื่อผ่านสถานะระหว่างกลางทั้งหมดและกลับสู่สถานะเริ่มต้นอีกครั้ง

คาบ T ของไฟฟ้ากระแสสลับคือช่วงเวลาที่กระแสหรือแรงดันทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครบหนึ่งรอบ

เนื่องจากแหล่งที่มาของกระแสสลับเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ระยะเวลาจึงสัมพันธ์กับความเร็วของการหมุนของโรเตอร์ และยิ่งความเร็วของการหมุนของขดลวดหรือโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสูงเท่าใด ระยะเวลาของ EMF สลับที่สร้างขึ้นก็จะสั้นลงเท่านั้น และ ดังนั้นกระแสสลับของโหลดจึงปรากฎขึ้น

ระยะเวลาวัดเป็นวินาที มิลลิวินาที ไมโครวินาที นาโนวินาที ขึ้นอยู่กับสถานการณ์เฉพาะที่พิจารณากระแสนี้ รูปด้านบนแสดงให้เห็นว่าแรงดันไฟฟ้า U เปลี่ยนแปลงอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไปในขณะที่มีช่วงคุณลักษณะคงที่ T

ความถี่ฉ

ความถี่ f คือส่วนกลับของช่วงเวลาและมีค่าเท่ากับจำนวนของช่วงเวลาปัจจุบันหรือการเปลี่ยนแปลง EMF ใน 1 วินาที นั่นคือ f = 1 / T หน่วยวัดความถี่คือ เฮิรตซ์ (Hz) ซึ่งตั้งชื่อตามนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน ไฮน์ริช เฮิรตซ์ ผู้มีส่วนสำคัญในการพัฒนาอิเล็กโทรไดนามิกส์ในศตวรรษที่ 19 ยิ่งช่วงเวลาสั้นลงเท่าใด ความถี่ของ EMF หรือการเปลี่ยนแปลงปัจจุบันก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

วันนี้ในรัสเซียความถี่มาตรฐานของกระแสสลับในเครือข่ายไฟฟ้าคือ 50 Hz นั่นคือแรงดันไฟฟ้าเครือข่าย 50 ความผันผวนปรากฏใน 1 วินาที

ในพื้นที่อื่นๆ ของอิเล็กโทรไดนามิกส์ ความถี่ที่สูงขึ้นจะถูกใช้ เช่น 20 kHz ขึ้นไปในอินเวอร์เตอร์สมัยใหม่ และสูงถึงหลาย MHz ในพื้นที่แคบๆ ของอิเล็กโทรไดนามิกส์ ในรูปด้านบน คุณจะเห็นว่ามีการสั่นทั้งหมด 50 ครั้งในหนึ่งวินาที แต่ละครั้งกินเวลา 0.02 วินาที และ 1 / 0.02 = 50

จากกราฟของการเปลี่ยนแปลงของกระแสสลับไซน์เมื่อเวลาผ่านไป จะเห็นได้ว่ากระแสที่มีความถี่ต่างกันมีจำนวนคาบต่างกันในช่วงเวลาเดียวกัน

ความถี่เชิงมุม

ความถี่เชิงมุม — จำนวนการแกว่งที่เกิดขึ้นใน 2pi วินาที

ในช่วงหนึ่งเฟสของ EMF ไซน์หรือกระแสไซน์เปลี่ยนไป 2pi เรเดียนหรือ 360 ° ดังนั้นความถี่เชิงมุมของกระแสสลับไซน์จึงเท่ากับ:

ใช้จำนวนการสั่นเป็น 2pi วินาที (ไม่ใช่ 1 วินาที) สะดวกเพราะในสูตรแสดงกฎของการเปลี่ยนแปลงของแรงดันและกระแสระหว่างการสั่นของฮาร์มอนิกแสดงความต้านทานแบบเหนี่ยวนำหรือแบบคาปาซิทีฟของกระแสสลับ และในหลายๆ กรณีอื่น ๆ ความถี่การแกว่ง n จะปรากฏขึ้นพร้อมกับตัวคูณ 2pi

เฟส

เฟส — สถานะ, ขั้นตอนของกระบวนการเป็นระยะ คำว่าเฟสมีความหมายที่ชัดเจนมากขึ้นในกรณีของการสั่นแบบไซน์ ในทางปฏิบัติ โดยปกติจะไม่ใช่เฟสเองที่มีบทบาท แต่เป็นเฟสที่เปลี่ยนไประหว่างสองโปรเซสเป็นระยะๆ

ในกรณีนี้ คำว่า «เฟส» ถูกเข้าใจว่าเป็นขั้นตอนของการพัฒนากระบวนการ และในกรณีนี้ ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับกระแสสลับและแรงดันไซน์ เฟสนี้เรียกว่าสถานะของกระแสสลับ ณ ช่วงเวลาหนึ่งใน เวลา.

ตัวเลขแสดง: ความบังเอิญของแรงดัน U1 และกระแส I1 ในเฟส, แรงดัน U1 และ U2 ในแอนติเฟส เช่นเดียวกับการเปลี่ยนเฟสระหว่าง I1 ปัจจุบันและแรงดัน U2 การเลื่อนเฟสจะวัดเป็นเรเดียน ส่วนของช่วงเวลา ในหน่วยองศา

ดูสิ่งนี้ด้วย: เฟส มุมเฟส และการเลื่อนเฟสคืออะไร

แอมพลิจูด อืม และอิม

เมื่อพูดถึงขนาดของกระแสสลับไซน์หรือ EMF กระแสสลับไซน์ ค่าสูงสุดของ EMF หรือกระแสเรียกว่าแอมพลิจูดหรือค่าแอมพลิจูด (สูงสุด)

แอมพลิจูด — ค่าที่ใหญ่ที่สุดของปริมาณที่มีการสั่นแบบฮาร์มอนิก (เช่น ค่าสูงสุดของความแรงของกระแสไฟฟ้าในกระแสสลับ การเบี่ยงเบนของลูกตุ้มการสั่นจากตำแหน่งสมดุล) การเบี่ยงเบนที่ใหญ่ที่สุดของปริมาณการสั่นจากค่าหนึ่งๆ แบบมีเงื่อนไข ยอมรับเป็นศูนย์เริ่มต้น

พูดอย่างเคร่งครัด คำว่าแอมพลิจูดหมายถึงการสั่นแบบไซน์เท่านั้น แต่โดยปกติแล้ว (ไม่ถูกต้องนัก) จะถูกนำไปใช้ในความหมายข้างต้นกับการสั่นทั้งหมด

หากเราพูดถึงเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ EMF ของเทอร์มินัลสองครั้งต่อช่วงเวลาจะถึงค่าแอมพลิจูด ค่าแรกคือ + Em ค่าที่สองคือค่า Em ตามลำดับในช่วงครึ่งรอบบวกและลบ ปัจจุบันฉันประพฤติคล้ายกันและแสดงโดยอิมตามนั้น

การสั่นสะเทือนแบบฮาร์มอนิก — การสั่นที่ปริมาณการสั่น เช่น แรงดันไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า เปลี่ยนแปลงตามเวลาตามกฎฮาร์มอนิกไซน์หรือกฎโคไซน์ แสดงกราฟิกด้วยเส้นโค้งไซน์

กระบวนการจริงสามารถประมาณการสั่นของฮาร์มอนิกเท่านั้น อย่างไรก็ตาม หากการแกว่งสะท้อนถึงลักษณะเฉพาะส่วนใหญ่ของกระบวนการ กระบวนการดังกล่าวจะถือว่าเป็นฮาร์มอนิก ซึ่งช่วยอำนวยความสะดวกอย่างมากในการแก้ปัญหาทางกายภาพและทางเทคนิคจำนวนมาก

การเคลื่อนไหวที่ใกล้เคียงกับการสั่นแบบฮาร์มอนิกเกิดขึ้นในหลายระบบ: เชิงกล (การสั่นของลูกตุ้ม), อะคูสติก (การสั่นของคอลัมน์อากาศในท่อออร์แกน), แม่เหล็กไฟฟ้า (การสั่นในวงจร LC) เป็นต้นทฤษฎีการสั่นจะพิจารณาปรากฏการณ์เหล่านี้ ซึ่งมีความแตกต่างในธรรมชาติทางกายภาพ จากมุมมองที่เป็นหนึ่งเดียว และกำหนดคุณสมบัติทั่วไปของปรากฏการณ์เหล่านี้

เป็นการสะดวกที่จะแสดงการสั่นแบบฮาร์มอนิกแบบกราฟิกโดยใช้เวกเตอร์ที่หมุนด้วยความเร็วเชิงมุมคงที่รอบแกนที่ตั้งฉากกับเวกเตอร์นี้และผ่านจุดกำเนิด ความเร็วเชิงมุมของการหมุนของเวกเตอร์สอดคล้องกับความถี่วงกลมของการสั่นแบบฮาร์มอนิก

แผนภาพเวกเตอร์ของการสั่นสะเทือนแบบฮาร์มอนิก

กระบวนการเป็นระยะของรูปแบบใด ๆ สามารถแยกย่อยเป็นชุดการสั่นของฮาร์มอนิกอย่างง่ายที่ไม่มีที่สิ้นสุดซึ่งมีความถี่ แอมพลิจูด และเฟสต่างกัน

กลมกลืน — การสั่นแบบฮาร์มอนิกที่มีความถี่มากกว่าความถี่ของการสั่นแบบอื่นเป็นจำนวนเต็ม เรียกว่า เบสิกโทน จำนวนของฮาร์มอนิกระบุว่าความถี่ของมันมากกว่าความถี่ของเสียงพื้นฐานกี่เท่า (ตัวอย่างเช่น ฮาร์มอนิกที่สามคือการสั่นสะเทือนของฮาร์มอนิกที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ของเสียงพื้นฐานสามเท่า)

การสั่นแบบคาบระยะแต่ไม่ใช่แบบฮาร์มอนิกใดๆ (นั่นคือ รูปร่างแตกต่างจากไซน์ซอยด์) สามารถแสดงเป็นผลรวมของการสั่นแบบฮาร์มอนิก ซึ่งเป็นเสียงพื้นฐานและฮาร์มอนิกจำนวนหนึ่ง ยิ่งการแกว่งที่พิจารณาแตกต่างจากรูปแบบไซน์มากเท่าไร ฮาร์มอนิกก็ยิ่งมีมากขึ้นเท่านั้น

ค่าทันทีของคุณและฉัน

ค่าของ EMF หรือค่าปัจจุบัน ณ ช่วงเวลาหนึ่งเรียกว่า ค่าทันที ซึ่งแสดงด้วยอักษรตัวพิมพ์เล็ก u และ i แต่เนื่องจากค่าเหล่านี้เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา จึงไม่สะดวกในการประมาณกระแส AC และ EMF จากค่าเหล่านี้

ค่า RMS ของ I, E และ U

ความสามารถของไฟฟ้ากระแสสลับในการทำงานที่มีประโยชน์ เช่น การหมุนโรเตอร์ของมอเตอร์ทางกลไกหรือการผลิตความร้อนบนอุปกรณ์ทำความร้อน ประเมินได้สะดวกด้วยค่าที่มีประสิทธิภาพของแรงเคลื่อนไฟฟ้าและกระแส

ดังนั้น, มูลค่าปัจจุบันที่มีประสิทธิภาพ เรียกว่า ค่าของไฟฟ้ากระแสตรงดังกล่าว ซึ่งเมื่อผ่านตัวนำในช่วงหนึ่งของกระแสสลับที่กำลังพิจารณาอยู่ จะทำให้เกิดงานเชิงกลที่เหมือนกันหรือความร้อนในปริมาณที่เท่ากันกับไฟฟ้ากระแสสลับนี้

ค่า RMS ของแรงดัน emfs และกระแสจะแสดงด้วยอักษรตัวใหญ่ I, E และ U สำหรับกระแสสลับไซน์และสำหรับแรงดันสลับไซน์ ค่าที่มีประสิทธิภาพคือ:

เพื่ออธิบายเครือข่ายไฟฟ้า สะดวกที่จะใช้ค่าที่มีประสิทธิภาพของกระแสและแรงดัน ตัวอย่างเช่น ค่า 220-240 โวลต์เป็นค่าที่มีประสิทธิภาพของแรงดันไฟฟ้าในเต้ารับในครัวเรือนที่ทันสมัย ​​และแอมพลิจูดจะสูงกว่ามาก — จาก 311 เป็น 339 โวลต์

เช่นเดียวกับกระแส เช่น เมื่อพวกเขากล่าวว่ากระแส 8 แอมแปร์ไหลผ่านอุปกรณ์ทำความร้อนในบ้าน นั่นหมายถึงค่าที่มีประสิทธิภาพ ในขณะที่แอมพลิจูดคือ 11.3 แอมแปร์

ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง งานเครื่องกลและพลังงานไฟฟ้าในการติดตั้งระบบไฟฟ้าเป็นสัดส่วนกับค่าที่มีประสิทธิภาพของแรงดันและกระแส ส่วนสำคัญของอุปกรณ์การวัดแสดงค่าที่มีประสิทธิภาพของแรงดันและกระแสอย่างแม่นยำ