AC. Velká ruská encyklopedie

AC, elektrický proud, jehož velikost a/nebo směr se v průběhu času mění. Obecně střídavý proud zahrnuje různé typy pulzních, pulzujících, periodických a kvaziperiodických proudů. Pokud se nějaké hodnoty střídavého proudu opakují v pravidelných intervalech, pak se střídavý proud nazývá periodický. Perioda TTT střídavého proudu je nejkratší časový úsek, ve kterém je síla proudu v časech ttt a t + T t + T t + T rovna: i ( t ) = i ( t + T ) i(t) = i (t + T) i (t) = i (t + T). Ve strojírenství střídavý proud obvykle znamená periodický (nebo téměř periodický) proud, ve kterém jsou průměrné hodnoty proudu a napětí za určité období nulové.

V případě, že se střídavý proud mění ve směru, je jeden ze směrů střídavého proudu považován za kladný a opačný směr za záporný. Pokud se tedy směr střídavého proudu v určitém okamžiku shoduje s kladným směrem, pak je hodnota proudu také považována za kladnou a pro opačný směr proudu – zápornou. V nejjednodušším případě se okamžitá hodnota střídavého proudu v čase mění podle harmonického zákona (harmonický, nebo sinusový střídavý proud):

i = I msin ( ω t + α ) i = I_msin ( omega t+α) i = I m ​ s in ( ω t + α ),

kde I m I_m I m ​ amplituda proudu, α alfa α – počáteční fáze, ω = 2 π f ω = 2πf ω = 2 π f – úhlová frekvence, f = 1 / T f = 1/T f = 1/ T – lineární frekvence. Harmonický proud vzniká vlivem sinusového napětí u stejná frekvence:

u = U msin ( ω t + β ) u = U_msin (ωt+β) u = U m ​ s in ( ω t + β ),

kde U m U_m U m ​ – amplituda napětí, β beta β – počáteční fáze.

Pro charakterizaci střídavého proudu je vhodné použít efektivní (neboli efektivní) hodnoty proudu a napětí, což jsou střední kvadratické (za určité období) hodnoty proudu a napětí. Pro sinusové proudy jsou efektivní hodnoty střídavého proudu a napětí stejné: I = I m 2 styl zobrazení I= frac < sqrt[]>I = 2

​ I m ​ ​ a U = U m 2 styl zobrazení U= frac < sqrt[]>U = 2

U m . Většina přístrojů používaných k měření periodických napětí a proudů ukazuje efektivní hodnoty těchto veličin. Součin efektivních hodnot proudu a napětí určuje výkon, který je vynaložen na výrobu tepla nebo provádění mechanické práce v elektrickém obvodu.

Důležitou vlastností střídavého proudu je jeho frekvence f. V elektrických energetických systémech Ruské federace a většiny zemí světa je přijata standardní frekvence fff = 50 Hz, v USA fff = 60 Hz. V komunikační technice se používají vysokofrekvenční střídavé proudy (od 100 kHz do 30 GHz). Pro speciální účely v průmyslu, medicíně a dalších oborech vědy a techniky se používá střídavý proud různých frekvencí, ale i proudy pulzní.

V elektrotechnice (a částečně v radiotechnice) se obvykle realizují elektrické obvody kvazistacionárních proudů, přičemž okamžité hodnoty střídavého proudu ve všech úsecích obvodu jsou stejné. Ve vícevodičových kvazistacionárních systémech určených pro přenos energie se často používají vícefázové střídavé proudy – proudy protékající různými dráty se stejnými amplitudami, ale různými fázemi. Většina obvodů obsahujících odpory, kapacity a indukčnosti pracuje v lineárním režimu, pokud platí princip superpozice. Při průchodu těmito obvody harmonické střídavé proudy nezkreslují svůj tvar, zatímco v přítomnosti nelineárních prvků (například jader v transformátorech, nelineárních měničích, elektronkách atd.) jsou sinusové signály zkreslené, obohacené o vyšší harmonické – signály na frekvencích, které jsou násobky základní frekvence. Kvazistacionární obvody se soustředěnými parametry mohou být složeny ve formě určité kombinace odporů RRR, indukčností LLL a kapacit CCC. Protéká-li elektrickým obvodem ustálený kvazistacionární elektrický proud, pak napětí na odporu u R u_R u R ​, indukčnosti u L u_L u L ​ a kapacitě u C u_C u C ​ jsou určeny vztahy:

u R = i R uR = iR u R = i R , u L = L didt displaystyle u_L=L frac u L ​ = L dtdi ​, C du C dt = i displaystyle C frac=i C dtdu C ​ ​ = i .

Pro sinusový proud i = I m sin ⁡ ω ti = I_m sin omega ti = I m ​ sin ω t se odpovídající hodnoty amplitud napětí na těchto prvcích rovnají:

UR m = RI m U_=RI_m UR m ​ = RI m ​, UL m = ω LI m U_= omega LI_m UL m ​ = ω LI m ​, UC m = I m ω C styl zobrazení U_= frac UC m ​ = ω CI m ​ .

V nelineárních režimech jsou veličiny RRR, LLL a CCC funkcemi protékajícího proudu i; v lineárních režimech jsou buď konstantní, nebo explicitně závislé na čase (parametrické systémy).

Při výpočtu elektrických obvodů harmonických střídavých proudů je vhodné použít komplexní amplitudy napětí a proudu, jakož i komplexní odpor ZZZ (impedance), definované v odporové, indukční a kapacitní části obvodu, resp.

ZR = R Z_R=RZR ​ = R , ZL = j ω L Z_L=j omega LZL ​ = jω L a ZC = 1 j ω C styl zobrazení Z_C= frac ZC ​ = jω C 1 ​ (zde jjj je imaginární jednotka) .

Pak lze vypočítat kvazistacionární lineární obvod (multipól) podle Kirchhoffových pravidel, tj. v tomto případě jsou použitelné metody pro výpočet stejnosměrných obvodů.

S rostoucí frekvencí, kdy se velikost elektrického obvodu stává srovnatelnou s délkou elektromagnetické vlny λ = c / f lambda = c/f λ = c / f ( ccc je rychlost světla), kvazistacionární aproximace ustává aby byly platné a pro získání rozdělení střídavého proudu je nutné použít Maxwellovy rovnice. Střídavý proud protékající vodivým prostředím není v tomto případě rozložen rovnoměrně po průřezu, ale především v povrchové vrstvě. Někdy se takové proudy nazývají rychle střídavé a nepracují s celkovými (integrálními) proudy, ale s jejich objemovými hustotami. Hustota rychle se střídajících proudů zahrnuje potenciální a vířivé složky. Ten je zodpovědný za buzení vírových elektromagnetických polí. V otevřených (nestíněných) soustavách je právě s vířivými střídavými proudy spojeno vyzařování elektromagnetické energie, čehož se využívá např. u zářičů (antén), kde volbou rozvodů rychle se střídajících proudů jsou potřebné úhlové rozvody el. vznikají radiační pole (směrové obrazce).

Zveřejněno 22. června 2022 ve 11:23 (GMT+3). Naposledy aktualizováno 22. června 2022 ve 11:23 (GMT+3). Kontaktujte redakci

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

Pro střídavý proud tedy platí vše, co platí pro sinusové elektrické oscilace. Sinusové kmity jsou kmity, při kterých se mění kmitající veličina podle sinusového zákona. V tomto článku budeme hovořit o parametrech střídavého proudu.

Graf změn proudu podle sinusového zákona

Změna EMF a změna proudu lineární zátěže připojené k takovému zdroji nastane podle sinusového zákona. V tomto případě lze střídavé EMF, střídavé napětí a proudy charakterizovat jejich hlavními čtyřmi parametry:

• doba;
• frekvence;
• amplituda;
• efektivní hodnotu.

Existují také pomocné parametry:

• úhlová frekvence;
• fáze;
• okamžitá hodnota.

Dále budeme uvažovat všechny tyto parametry samostatně a ve vzájemném vztahu.

Perioda je doba, během které oscilující systém projde všemi mezistavy a poté se vrátí do původního stavu.

Perioda T střídavého proudu je časový úsek, 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 cívky nebo rotoru generátoru, tím menší je perioda generované proměnné EMF a v souladu s tím střídavý proud zátěže.

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

Frekvence f je převrácená hodnota periody a je číselně rovna počtu period změny proudu nebo EMF za 1 sekundu. To znamená, že f = 1/T. Jednotkou 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 je v Rusku standardní frekvence střídavého proudu v elektrických sítích 50 Hz, to znamená, že za 1 sekundu dojde k 50 oscilacím síťového napětí.

V jiných oblastech elektrodynamiky se používají vyšší frekvence, např. 20 kHz nebo více u moderních měničů a až několik MHz v užších oblastech elektrodynamiky. Obrázek výše ukazuje, že za jednu sekundu dojde k 50 úplným oscilacím, 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 úseku.

Úhlová frekvence je počet oscilací provedených za 2pi sekund.

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

Použijte počet kmitů za 2pi sec. (a ne za 1 sekundu) je výhodné, protože ve vzorcích vyjadřujících zákon změny napětí a proudů při harmonických kmitech, vyjadřujících indukční nebo kapacitní odpor proti střídavému proudu a v mnoha dalších případech se frekvence kmitů n objevuje spolu s faktorem 2pi. .

Fáze je stav, fáze periodického procesu. Pojem fáze má specifičtější význam v případě sinusových kmitů. 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 je fáze stavem střídavého proudu v určitém časovém okamžiku.

Na obrázcích vidíte: 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, zlomcích periody nebo stupních.

Úhel fázového posunu sinusových veličin se stejnou periodou

Amplituda Um a Im

Když mluvíme o velikosti sinusového střídavého proudu nebo sinusového střídavého emf, největší hodnota emf nebo proudu se nazývá amplituda nebo amplituda (maximální) hodnota.

Amplituda – největší hodnota veličiny, která vykonává harmonické kmity (například maximální hodnota proudu ve střídavém proudu, výchylka kmitajícího kyvadla z rovnovážné polohy), největší odchylka kmitající veličiny od určité hodnoty, konvenčně přijata 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 generátoru střídavého proudu, pak EMF na svých svorkách dvakrát během periody dosáhne hodnoty amplitudy, z nichž první je +Em, druhá -Em během kladných a záporných půlcyklů. Proud I se chová podobně a je podle toho označen jako Im.

Harmonické vibrace – oscilace, při kterých se mění v čase kolísavá veličina, například napětí v elektrickém obvodu, podle harmonického sinusového nebo kosinového zákona. Graficky znázorněno křivkou – sinusoidou.

Skutečnými procesy mohou být pouze přibližně harmonické kmity. 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 (kmitání kyvadla), akustické (kmitání vzduchového sloupce v píšťalě varhan), elektromagnetické (kmitání v LC obvodu) atd. Teorie kmitů uvažuje o těchto jevech, např. různé fyzikální povahy, s jediným úhlem pohledu a určuje jejich obecné 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 vektorové rotace odpovídá kruhové frekvenci harmonického kmitání.

Vektorový diagram jedné harmonické oscilace

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

Harmonický – harmonická vibrace, jejíž frekvence je celočíselný početkrát větší než frekvence jiné vibrace, nazývané základní tón. Harmonické číslo přesně udává, kolikrát je jeho frekvence větší než frekvence základního tónu (třetí harmonická je například harmonické kmitání s frekvencí třikrát větší, než je frekvence základního tónu).

Jakékoli periodické, ale ne harmonické (tj. tvarově odlišné od sinusového) kmitání může být reprezentováno jako součet harmonických kmitů – základní tón a řada harmonických. Čím více se dotyčná oscilace svým tvarem liší od sinusové, tím větší počet harmonických obsahuje.

Okamžitá hodnota u a i

Hodnota emf neboli proudu v konkrétním aktuálním okamžiku se nazývá okamžitá hodnota, značí se malými písmeny u ai. Ale protože se tyto hodnoty neustále mění, je nepohodlné z nich posuzovat střídavé proudy a EMF.

Efektivní hodnoty I, E a U

Schopnost střídavého proudu vykonávat nějakou užitečnou práci, například mechanicky otáčet rotorem motoru nebo produkovat teplo na topném zařízení, se pohodlně posuzuje efektivními hodnotami emf a proudů.

Efektivní hodnota proudu je tedy hodnota takového stejnosměrného proudu, který při průchodu vodičem během jedné periody předmětného střídavého proudu vyrobí stejnou mechanickou práci nebo stejné množství tepla jako daný 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:

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

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

Tak či onak, mechanická práce a elektrická energie v elektrických instalacích jsou úměrné efektivním hodnotám napětí a proudů. Značná část měřicích přístrojů zobrazuje skutečné hodnoty napětí a proudů.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře

Pokud se vám tento článek líbil, sdílejte odkaz na něj na sociálních sítích. Velmi to pomůže rozvoji našeho webu!

Nenechte si ujít aktualizace, přihlaste se k odběru našich sociálních sítí: