Период и частота переменного тока

Движение электронов в проводе сначала в одну сторону, а затем в другую называют одним колебанием переменного тока. За первым колебанием следует второе, затем третье и т. д. При колебаниях тока в проводе вокруг него происходит соответствующее колебание магнитного поля. Время одного колебания называют периодом и обозначают буквой Т. Период выражают в секундах или в единицах, составляющих доли секунды. К ним относятся: тысячная доля секунды — миллисекунда (мс), равная 10-3 с, миллионная доля секунды — микросекунда (мкс), равная 10-6 с, и миллиардная доля секунды — наносекунда (нс), равная 10-9 с. Важной величиной, характеризующей переменный ток, является частота. Она представляет собой число колебаний или число периодов в секунду и обозначается буквой f или F. Единицей частоты служит герц, названный в честь немецкого ученого Г. Герца и обозначаемый сокращенно буквами Гц (или Hz). Если в одну секунду происходит одно полное колебание, то частота равна одному герцу. Когда в течение секунды совершается десять колебаний, то частота составляет 10 Гц. Частота и период являются обратными величинами: и При частоте 10 Гц период равен 0,1 с. А если период равен 0,01 с, то частота составляет 100 Гц В электрической сети переменного тока частота равна 50 Гц. Ток пятьдесят раз в секунду идет в одну сторону и пятьдесят раз в обратную. Сто раз в секунду он достигает амплитудного значения и сто раз становится равным нулю, т. е. сто раз меняет свое направление при переходе через нулевое значение. Лампы, включенные в сеть, сто раз в секунду притухают и столько же раз вспыхивают ярче, но глаз этого не замечает, благодаря зрительной инерции, т. е. способности сохранять полученные впечатления около 0,1 с. При расчетах с переменными токами пользуются также угловой частотой ω, она равна 2πf или 6,28f. Ее следует выражать не в герцах, а в радианах в секунду (радиан — угол в 2π раз меньший, чем 360 о). Переменные токи принято разделять по частоте. Токи с частотой меньше 10 000 Гц называют токами низкой частоты (токами НЧ). У этих токов частота соответствует частоте различных звуков человеческого голоса или музыкальных инструментов, и поэтому они иначе называются токами звуковой частоты (за исключением токов с частотой ниже 20 Гц, которые не соответствуют звуковым частотам). В радиотехнике токи НЧ имеют большое применение, особенно в радиотелефонной передаче. Однако главную роль в радиосвязи выполняют переменные токи с частотой более 10000 Гц, называемые токами высокой частоты, или радиочастоты (токи ВЧ). Для измерения частоты этих токов применяют единицы: килогерц (кГц), равный тысяче герц, мегагерц (МГц), равный миллиону герц, и гигагерц (ГГц), равный миллиарду герц. Иначе килогерц, мегагерц и гигагерц обозначают kHz, MHz, GHz. Токи частотой в сотни мегагерц и выше называют токами сверхвысокой или ультравысокой частоты (СВЧ и УВЧ). Радиостанции работают с помощью переменных токов ВЧ, имеющих частоту от сотен килогерц и выше. В современной радиотехнике для специальных целей применяются токи с частотой в миллиарды герц и имеются приборы, позволяющие точно измерять такие сверхвысокие частоты.

Переменный ток – онлайн-тренажер для подготовки к ЕНТ, итоговой аттестации и ВОУД

Переме́нный ток (англ. alternating current) – электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя свое направление в электрической цепи неизменным.

Условное обозначение на электроприборах: ~ или ≈ (знак синусоиды), или латинскими буквами \(AC.\)

Так как переменный ток в общем случае меняется в электрической цепи не только по величине, но и по направлению, то одно из направлений переменного тока в цепи считают условно положительным, а другое, противоположное первому, условно отрицательным. В соответствии с этим и величину мгновенного значения переменного тока в первом случае считают положительной, а во втором случае – отрицательной.

Переменный ток – величина алгебраическая, знак его определяется тем, в каком направлении в рассматриваемый момент времени протекает ток в цепи – в положительном или отрицательном.

Величина переменного тока, соответствующая данному моменту времени, называется мгновенным значением переменного тока.

Максимальное мгновенное значение переменного тока, которого он достигает в процессе своего изменения, называется амплитудой тока \(I_m\). График зависимости переменного тока от времени называется развернутой диаграммой переменного тока.

Периодическим переменным током называется такой электрический ток, который через равные промежутки времени повторяет полный цикл своих изменений, возвращаясь к своей исходной величине.

На представленной диаграмме мы видим, что через равные промежутки времени \(T\) график тока воспроизводится полностью без каких-либо изменений.

Время \(T\), в течение которого переменный периодический ток совершает полный цикл своих изменений, возвращаясь к своей исходной величине, называется периодом переменного тока.

Величина, обратная периоду, называется частотой переменного тока: \(f=\frac 1T,\) где \(f\) – частота переменного тока; \(T\) – период переменного тока. Если выразить время \(T\) в секундах (sec), то будем иметь: \(f = \frac 1T \left[ \frac{1}{sec} \right],\) то есть размерность частоты переменного тока выражается в 1/с. Частота переменного тока численно равна числу периодов в секунду. {-1}\). Десятичные кратные и дольные единицы образуют с помощью стандартных приставок СИ.

Частота переменного тока равна одному герцу, если период тока равен одной секунде.

Стандарты частоты

В большинстве стран в электротехнике применяются частоты 50 или 60 Гц (60 Гц – этот вариант принят в США и Канаде). В некоторых странах, например в Японии, используются оба стандарта. Частота \(16\frac 23\) Гц до сих пор используется в некоторых европейских железнодорожных сетях (Австрия, Германия, Норвегия, Швеция и Швейцария), частота \(25\) Гц – на старых железнодорожных линиях США. В авиации и военной технике для снижения массы устройств или с целью повышения частоты вращения электродвигателей переменного тока применяется частота \(400\) Гц.

Переменный ток, в отличие от тока постоянного, непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени.

Чтобы вызвать в цепи такой ток, используются источники переменного тока, создающие переменную ЭДС, периодически изменяющуюся по величине и направлению. Такие источники называются генераторами переменного тока. На рис. 1 показана схема устройства (модель) простейшего генератора переменного тока.

Прямоугольная рамка, изготовленная из медной проволоки, укреплена на оси и при помощи ременной передачи вращается в поле магнита. Концы рамки припаяны к медным контактным кольцам, которые, вращаясь вместе с рамкой, скользят по контактным пластинам (щеткам).

Схема простейшего генератора переменного тока

Основы переменного тока

Наиболее распространенная частота переменного тока составляет 60 циклов в секунду (обычно называется 60 циклами) или, чаще, 60 Гц (Гц). Последняя единица используется в знак признания Генриха Герца, немецкого физика, доказавшего существование и передачу электрических колебаний.

Это обозначение указывает на то, что переменный ток проходит ровно 60 полных циклов смены тока в секунду. Как показано на рис. 1 (оригинальная статья), волна тока начинается с нуля, достигает пика на положительной стороне нулевой оси, возвращается к нулю, продолжается до другого пика на отрицательной стороне нулевой оси, а затем возвращается. снова в ноль. Одна положительная и одна отрицательная петля представляют один цикл или Гц. Таким образом, ток частотой 60 Гц проходит через 60 полных наборов этих положительных и отрицательных контуров за одну секунду.

Если переменный ток меняет направление на противоположное 60 раз в секунду, как его можно измерить, поскольку равные положительные и отрицательные значения компенсируют друг друга, а чистый результат равен нулю ампер? Ответ таков: значение переменного тока не основано на его среднем значении. Вместо этого амперметры переменного тока действительно измеряют нагревательный эффект переменного тока. Шкала амперметра на амперметре переменного тока откалибрована в эффективных амперах, также называемых среднеквадратичными (среднеквадратичными) амперами.

Чтобы полностью понять эту концепцию, давайте кратко поговорим о токе и сопротивлении. Мы знаем, что когда постоянный ток проходит через заданное сопротивление, выделяется тепло. Что ж, переменный ток также выделяет тепло, когда проходит через это же сопротивление. В обоих случаях этот эффект нагрева пропорционален I2R. То есть этот эффект нагрева зависит от квадрата тока (I2) для удельного сопротивления (R). Чем больше ток, тем больше тепла выделяется в данной цепи. Следовательно, ампер переменного тока можно определить как ток, протекающий через данное омическое сопротивление, который будет выделять тепло с той же скоростью, что и ампер постоянного тока.

На рис. 2A (исходная статья) показано, что постоянный ток постоянен, а на рис. 2B (исходная статья) показано, что эффективное или истинное среднеквадратичное значение переменного тока равно нагревающему эффекту 1 А постоянного тока. Обратите внимание, что этот ток выше нулевой оси.

Волна I2 создается путем возведения в квадрат каждого мгновенного значения переменного тока как в положительном, так и в отрицательном контурах. Поскольку квадрат отрицательной величины становится положительной величиной, волна I2 для отрицательного контура переменного тока появляется над нулевой осью. Среднее значение этой волны за один цикл равно 1А. Квадрат 1 равен 1. Следовательно, 1 А эффективного или истинного среднеквадратичного значения переменного тока, показанного на рис. 2В, эквивалентно 1 А постоянного тока, показанного на рис. 2А. Возведенный в квадрат, постоянный ток будет производить такой же эффект нагрева, как 1 А эффективного (среднеквадратичного) переменного тока в квадрате.

Важно помнить. Если приведенное выше обсуждение несколько сбивает с толку, просто запомните следующие моменты. * Амперы переменного тока, если специально не указано иное в какой-либо литературе или обсуждениях, всегда являются эффективными или среднеквадратичными значениями ампер. Мощность двигателя, электронагревателя, трансформатора, переключателя, шинопровода, предохранителя, автоматического выключателя, а также номиналы проводов и кабелей указаны в среднеквадратичных значениях ампер. Расчетные токи, полученные с использованием стандартных электрических уравнений (см. «Назад к основам», выпуск за январь 1993 г.) для определения нагрузок, также являются среднеквадратичными значениями ампер. * Пиковый мгновенный ток чистой неискаженной синусоиды переменного тока равен 1,414-кратному среднеквадратичному значению ампера. Другими словами, отношение его пикового мгновенного значения к его среднеквадратичному значению составляет 1,414.

Отношение пикового мгновенного значения любого сигнала к его среднеквадратичному значению называется коэффициентом амплитуды. Таким образом, коэффициент амплитуды чистой неискаженной синусоиды равен 1,414. Пик-фактор важен при обсуждении форм сигналов, искаженных гармоническими токами, генерируемыми нелинейными нагрузками. (См. выпуск за февраль ’93.)

Волны переменного тока и их свойства

Форма волны переменного тока

Как установлено в первой части Теории цепей переменного тока, когда магнит вращается вокруг катушки или катушка вращается вокруг магнитного поля, Генерируется переменный ток или напряжение. Вращение либо магнита, либо катушки, которое приводит к периодическому изменению направления и величины напряжения (или тока), приводит к генерации какой-то волны при просмотре на осциллографе или любом другом подобном оборудовании. Эта форма волны является результатом графика изменения напряжения во времени. Из простого генератора переменного тока, который мы описали в предыдущей статье, видно, что Переменный ток или напряжение обычно представляются синусоидой (синусоидальная форма волны) в той мере, в какой при разработке инверторов они различают инверторы, описывая определенные инверторы как инверторы с чистой синусоидой. Причина этого в том, что синусоида представляет собой плавный переход и вращение катушки или магнита, в зависимости от обстоятельств.

 

A Синусоидальный сигнал , представляющий переменный ток со всеми его особенностями (которые будут объяснены далее в этой статье), показан на изображении ниже.

 

Наука, стоящая за генерацией сигналов, лучше объясняется Законом электромагнитной индукции Фарадея , который гласит: напряжение, создаваемое стационарными катушками в результате движения вращающегося магнита, пропорционально скорости изменения магнитного потока перпендикулярно катушкам.

 

Скорость магнитного потока, разрезающего катушку, наибольшая, когда магнитное поле расположено таким образом, что разрезает больше проводников, и наименьшая, когда разрезается меньше проводников, это определяет величину генерируемого тока или напряжения , и по мере того, как он продолжает вращаться, направление меняется.

 

Другие формы сигналов переменного тока:

Прежде чем мы углубимся в свойства сигнала переменного тока, важно указать на другие полезные формы сигнала, используемые для представления переменного тока помимо синусоидального шаблона сигнала. Эти формы сигнала включают в себя;

 

1. Прямоугольные волны

2. Треугольные волны

3. Пилообразные или пилообразные волны

 

1. Прямоугольные волны 90 023

Прямоугольные сигналы находят широкое применение для представления электрических сигналов, таких как напряжение, ток и цифровые выходы и тактовые сигналы в цифровой электронике.

При отрицательном или положительном колебании формы волны продолжительность каждого колебания всегда одинакова, и поэтому они называются симметричными. Прямоугольные волны, в отличие от синусоидальных, имеют вертикальные подъемы и спады с плоской вершиной на уровне пиковой амплитуды вместо прогрессивно возрастающей формы волны с острыми пиками, которая характеризует синусоидальную волну. Их в основном называют прямоугольными волнами из-за их плоских вершин. Пример прямоугольной волны показан на изображении ниже. Прямоугольные формы волны могут быть легко сгенерированы с помощью простых схем.

Частота прямоугольной волны определяется как:

Частота = 1/период
Где период = t  p 
  + t  n 
t  p  = Время, необходимое для завершения положительной половины цикла
t  n  = время, необходимое для завершения отрицательной половины того же цикла 

 

2. Треугольные волны

Треугольные волны имеют более острый край пика по сравнению с синусоидой. У них медленное время нарастания и затухания. Треугольные волны одинаково периодические и имеют одинаковое время нарастания и спада. Образец треугольной волны показан на изображении ниже.

 

3. Пилообразный сигнал

Пик пилообразного сигнала выглядит как пилообразный, отсюда и название. Пилообразные волны в основном бывают двух типов; положительная рампа характеризуется высоким крутым спадом и медленным временем нарастания, а форма отрицательной рампы характеризуется медленным крутым спадом и быстрым временем нарастания. Изображения, позволяющие различать две формы волны, показаны ниже.

Эти три формы волны , упомянутые выше , не единственные, которые можно использовать для описания формы волны переменного тока, но они являются наиболее популярным и распространенным типом формы волны, который имеет название и заслуживает упоминания. Все формы волны, используемые для представления переменного тока, имеют что-то общее, а именно периодическое изменение направления и величины, что делает «период» очень важным свойством формы волны переменного тока.

 

Свойства сигнала переменного тока:

Чтобы полностью и правильно описать форму сигнала переменного тока, необходимо использовать три свойства;

1. Амплитуда

2. Частота (или период)

3. Фаза

 

1. Амплитуда

форму сигнала переменного тока в любой конкретный момент. Величина переменного тока или напряжения зависит от синуса угла, образуемого круговым движением магнита или катушки относительно нулевой точки. Например, когда катушка образует угол 90 градусов с магнитным полем, как показано на изображении ниже, амплитуда становится равной 1, поскольку синус 90 равен 1 , так как это самая высокая точка, она называется пиковым напряжением (или током) , что будет лучше объяснено позже. Когда угол становится 270 градусов, амплитуда становится -1 , что является величиной максимального обратного напряжения (или тока).

 

2. Частота и период

Катушка или магнит непрерывно вращается означает, что после первого полного оборота форма сигнала повторяется, это означает, что мы можем выбрать точку независимо от ее местоположения на форме волны и использовать это своего рода маркер. Каждый раз, когда волна достигает этой конкретной точки после повторения, говорят, что волна прошла полный цикл, и количество полных циклов увеличивается, поскольку форма волны продолжает повторяться. Это легче всего объяснить, выбрав пик формы волны в качестве нашего маркера, тогда расстояние между двумя последовательными пиками описывает полный цикл.

Цикл измеряется в градусах, а , когда цикл измеряется во времени, он описывается как «период ». Один полный цикл переменного тока или напряжения всегда составляет 360 градусов , но скорость (то есть время) чередования (или вращения) для достижения периода описывается свойством, называемым «Частота».

 

Таким образом, частоту сигнала переменного тока можно определить как количество полных циклов (или периодов), совершаемых сигналом в единицу времени.

Единицей частоты является герц (Гц), , что просто представляет собой количество циклов (или периодов), выполненных сигналом за одну секунду. Частота рассчитывается по формуле;

Частота = 1/период
и
Период = 1 / частота 

 

Частота питания переменного тока в большей части мира обычно составляет либо 50 Гц (Нигерия и большинство европейских стран), либо 60 Гц в странах ЕС, и большинство подключаемых к сети устройств всегда рассчитаны на эту частоту. разница в частоте, поэтому устройства можно использовать в любой из этих стран.

 

3. Фаза

Горизонтальная часть синусоидальной формы волны, используемая для представления переменного тока, представляет время, и в зависимости от времени события в правой части графика являются

более поздними событиями , в то время как события в левой части графика — это бывших событий .