Период, частота, амплитуда и фаза переменного тока
Период и частота переменного тока
Время, в течение которого совершается одно полное изменение ЭДС, то есть один цикл колебания или один полный оборот радиуса-вектора, называется периодом колебания переменного тока (рисунок 1).
Рисунок 1. Период и амплитуда синусоидального колебания. Период — время одного колебания; Аплитуда — его наибольшее мгновенное значение.
Период выражают в секундах и обозначают буквой Т.
Так же используются более мелкие единицы измерения периода это миллисекунда (мс)- одна тысячная секунды и микросекунда (мкс)- одна миллионная секунды.
1 мкс=0,001 мс = 0,000001сек =10 -6 сек.
Число полных изменений ЭДС или число оборотов радиуса-вектора, то есть иначе говоря, число полных циклов колебаний, совершаемых переменным током в течение одной секунды, называется частотой колебаний переменного тока.
Частота обозначается буквой f и выражается в периодах в секунду или в герцах.
Одна тысяча герц называется килогерцом (кГц), а миллион герц — мегагерцом (МГц). Существует так же единица гигагерц (ГГц) равная одной тысячи мегагерц.
1000 000 Гц = 10 6 Гц = 1000 кГц = 1 МГц;
1000 000 000 Гц = 10 9 Гц = 1000 000 кГц = 1000 МГц = 1 ГГц;
Чем быстрее происходит изменение ЭДС, то есть чем быстрее вращается радиус-вектор, тем меньше период колебания Чем быстрее вращается радиус-вектор, тем выше частота. Таким образом, частота и период переменного тока являются величинами, обратно пропорциональными друг другу. Чем больше одна из них, тем меньше другая.
Математическая связь между периодом и частотой переменного тока и напряжения выражается формулами
Например, если частота тока равна 50 Гц, то период будет равен:
И наоборот, если известно, что период тока равен 0,02 сек, (T=0,02 сек.), то частота будет равна:
Частота переменного тока, используемого для освещения и промышленных целей, как раз и равна 50 Гц.
Частоты от 20 до 20 000 Гц называются звуковыми частотами. Токи в антеннах радиостанций колеблются с частотами до 1 500 000 000 Гц или, иначе говоря, до 1 500 МГц или 1,5 ГГц. Такие высокие частоты называются радиочастотами или колебаниями высокой частоты.
Наконец, токи в антеннах радиолокационных станций, станций спутниковой связи, других спецсистем (например ГЛАНАСС, GPS) колеблются с частотами до 40 000 МГц (40 ГГц) и выше.
Амплитуда переменного тока
Наибольшее значение, которого достигает ЭДС или сила тока за один период, называется амплитудой ЭДС или силы переменного тока. Легко заметить, что амплитуда в масштабе равна длине радиуса-вектора. Амплитуды тока, ЭДС и напряжения обозначаются соответственно буквами Im, Em и Um (рисунок 1).
Угловая (циклическая) частота переменного тока.
Скорость вращения радиуса-вектора, т. е. изменение величины угла поворота в течение одной секунды, называется угловой (циклической) частотой переменного тока и обозначается греческой буквой ? (омега). Угол поворота радиуса-вектора в любой данный момент относительно его начального положения измеряется обычно не в градусах, а в особых единицах — радианах.
Радианом называется угловая величина дуги окружности, длина которой равна радиусу этой окружности (рисунок 2). Вся окружность, составляющая 360°, равна 6,28 радиан, то есть 2.
Рисунок 2. Радиан.
1рад = 360°/2
Следовательно, конец радиуса-вектора в течение одного периода пробегают путь, равный 6,28 радиан (2). Так как в течение одной секунды радиус-вектор совершает число оборотов, равное частоте переменного тока f, то за одну секунду его конец пробегает путь, равный 6,28 * f радиан. Это выражение, характеризующее скорость вращения радиуса-вектора, и будет угловой частотой переменного тока — ? .
? = 6,28*f = 2f
Фаза переменного тока.
Угол поворота радиуса-вектора в любое данное мгновение относительно его начального положения называется фазой переменного тока. Фаза характеризует величину ЭДС (или тока) в данное мгновение или, как говорят, мгновенное значение ЭДС, ее направление в цепи и направление ее изменения; фаза показывает, убывает ли ЭДС или возрастает.
Рисунок 3. Фаза переменного тока.
Полный оборот радиуса-вектора равен 360°. С началом нового оборота радиуса-вектора изменение ЭДС происходит в том же порядке, что и в течение первого оборота. Следовательно, все фазы ЭДС будут повторяться в прежнем порядке. Например, фаза ЭДС при повороте радиуса-вектора на угол в 370° будет такой же, как и при повороте на 10°. В обоих этих случаях радиус-вектор занимает одинаковое положение, и, следовательно, мгновенные значения ЭДС будут в обоих этих случаях одинаковыми по фазе.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Источник
Часть III. Цепи синусоидального тока
Тема 3. Цепи синусоидального тока
- Общие сведения и определения
- Комплексная амплитуда
- Действующие значения синусоидальной функции
- Изображение синусоидальных функций векторами. Векторная диаграмма
- Изображение синусоидальной функции комплексными числами
- Закон Ома в комплексной форме
- Уравнения элементов в комплексной форме
- § 3.1. Общие сведения и определения:
Переменный ток имеет большее распространение, чем постоянный.
- конструкция электродвигателей и генераторов переменного тока гораздо проще;
- генераторы переменного тока могут быть выполнены для более высокого напряжения;
- переменный ток легко преобразовывается с помощью трансформатора, что необходимо при распределении электроэнергии и т.д.
Переменный ток – ток, периодически меняющий свое значение и направление. Наибольшее значение переменного тока – его амплитуда.
Переменный ток характеризуется:
Амплитуда – наибольшие (положительные или отрицательные) величины.
Период – время, в течение которого происходит полное колебание тока в проводнике.
Фаза – характеризует состояние переменного тока в любой момент времени.
Основным видом переменного тока является синусоидальный (гармонический) ток. Закон изменения такого тока описывается синусоидальной функцией.
В линейных электрических цепях, в которых действуют синусоидальные источники, все электрические параметры изменяются по синусоидальному закону.
ЭДС: .
Напряжение: .
Ток: ;
e(t), u(t), i(t) – мгновенные значения;
ω = 2π – угловая частота, [рад/с];
ƒ = 1 Т – циклическая частота, [Гц];
Любую синусоидальную функцию можно изобразить в виде графика, который называется графиком временных значений или временной диаграммой.
Расчет цепей синусоидального тока с использованием мгновенных значений требует громоздкой вычислительной работы и применим для простейших электрических цепей.
Для расчета цепей синусоидального тока синусоидальную функцию заменяют эквивалентной величиной.
где j = √ — 1 – мнимая единица.
– комплексная амплитуда.
– сопряженная комплексная амплитуда.
– поворотный множитель.
Последняя запись означает, что синусоидальное напряжение можно представить на комплексной плоскости в виде двух векторов, длина которых равна Um и которые равномерно вращаются со скоростями, равными ω в противоположные стороны.
- § 3.3. Действующие значения синусоидальной функции:
Действующее значение синусоидальной функции – ее количественная оценка.
Действующие значения – среднеквадратичные за период значения синусоидальной функции, то есть, если:
Аналогично и для тока I и ЭДС ε .
Часто используются выражения, связывающие между собой амплитуду и действующее значение:
Действующее значение – это постоянная величина, которую обычно обозначают той же буквой, что и амплитуду, только без индекса m.
Действующее значение тока оказывает такое же тепловое действие на проводник с сопротивлением R , что и переменный ток, в течение времени, равном периоду. Поэтому большинство электроизмерительных приборов фиксируют и реагируют на действующие значения.
- § 3.4. Изображение синусоидальных функций векторами. Векторная диаграмма:
где a – проекция вектора на ось y в момент времени t.
рис. а рис. б
Любому равномерно вращающемуся радиус-вектору соответствует некоторая синусоидальная функция, и наоборот.
Посмотрим, как условный графический образ синусоидальной функции – радиус-вектор – может быть применим при расчетах цепей переменного тока. Определим ток:
если: и .
Как известно, сумма двух синусоид одинаковой частоты ω представляет собой также синусоиду частотой ω , то есть i = Imsin (ωt + ψ ) и, следовательно, задача сводится к нахождению амплитуды Im и начальной фазы Ψ суммарного тока i. Искомые параметры Im и Ψ можно найти, воспользовавшись известными тригонометрическими преобразованиями.
Проведем решение задачи с помощью радиус-векторов I1m и I2m , вращающихся с частотой ω, положение которых для момента времени t = 0 показаны на рисунке ниже и осуществим геометрическое суммирование этих радиус-векторов по правилу параллелограмма. Результирующий радиус-вектор Im будет вращаться с частотой ω и является изображением некоторой синусоидальной функцией времени.
Следовательно, i = i1 + i2 – геометрическое изображение искомого тока.
Измерив дугу суммарного радиус-вектора и, зная выбранный масштаб, можно определить амплитуду Im тока. Непосредственно по чертежу определяется и начальная фаза Ψ.
Рассмотренная совокупность радиус-векторов, изображающих синусоидальные функции времени, называется векторной диаграммой.
- § 3.5. Изображение синусоидальной функции комплексными числами:
Для введения комплексного изображения перенесем радиус-вектор, изображающий синусоидальную функцию времени в декартовой плоскости на плоскость комплексных чисел. Для чего совместим ось x с осью действительных чисел Re, а ось y – с Im.
Любому вектору A, расположенному на комплексной плоскости, однозначно соответствует комплексное число, которое может быть записано в трех формах:
- алгебраической:
- тригонометрической:
- показательной: ( e – основание натурального логарифма).
Все три формы записи в соответствии с формулой Эйлера равнозначны:
Переход от одной формы записи к другой:
где a1 – действительная часть;
Запишем в трех формах выражение для единичных действительных и мнимых комплексных чисел ( A = 1 ):
Отношение комплексной амплитуды напряжения к комплексной амплитуде тока называется комплексным сопротивлением:
Модуль комплексного сопротивления, называемый полным сопротивлением, равен отношению амплитуды напряжения к амплитуде тока, а аргумент Ψ комплексного сопротивления – разности начальных фаз напряжения и тока:
Закон Ома в комплексной форме соответственно для амплитудных и действительных значений:
.
Добавить комментарий Отменить ответ
Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.
Источник