Мгновенное и действующее значение тока

№13 Действующее значение переменного тока.

Понятие действующего значения тока вводится в связи с необходимостью производства измерений. Что измерять у переменного тока? Если бы мы имели дело только с синусоидами – кривыми одной формы, то можно было бы измерять амплитуды. Но на практике встречаются самые разные кривые, и может оказаться так, что два различных по форме тока имеют одинаковые амплитуды, хотя очевидно, что на электрическую цепь они будут оказывать разное воздействие.

Поэтому наиболее целесообразно оценивать величину тока по той работе, которую он совершает. При такой оценке действие переменного тока сравнивается с аналогичным действием постоянного тока. Например, если некоторый переменный ток выделяет на участке цепи такое же количество тепла, что и постоянный ток силой 10 ампер, то говорят, что величина этого переменного тока составляет 10 ампер. Это значение тока и называют действующим.

Итак, действующим значением переменного тока называется численное значение такого постоянного тока, который за время, равное одному периоду, выделяет в сопротивлении такое же количество тепла, что и ток переменный..

Таким образом, для оценки величины переменного тока мы должны сделать следующее.

1.Определить количество теплоты, выделяющейся в сопротивлении R за время Т при протекании переменного тока i. Это количество теплоты равно:

2.Подобрать такой постоянный ток I, который за то же время Т в том же сопротивлении R выделяет такое же количество тепла. При постоянном токе оно равно: W=I2RT.

3. Приравнять W=W:

Последняя формула и определяет действующее значение переменного тока.

Пример 2.1. На вход некоторой цепи подается импульсное напряжение треугольной формы (рис. 13.1, а). Чему равно его действующее значение?

Рис. 13.1 — Переменные напряжения различной формы

Пример 2.2. На рис. 13.1, б показана кривая напряжения на выходе схемы однофазного однополупериодного выпрямления. Чему равно действующее значение напряжения, если его амплитудное значение Um составляет 311 В?

Пример 2.3. Определить действующее значение синусоидального тока i=Imsin(ωt):

Рассмотренные примеры показывают, что действующее значение переменного тока зависит от его формы.

Мгновенное и действующее значение тока

Основные определения, термины
и понятия по военно-технической подготовке

Военно-техническая подготовка
Тактитка зенитных ракетных войск
Боевое применение зенитного ракетного комплекса

1.3. Переменный ток

1.3.1. Параметры сигналов переменного тока.

Величина переменного тока, как и напряжения, постоянно меняется во времени. Количественными показателями для измерений и расчётов применяются их следующие параметры:

Период T — время, в течении которого происходит один полный цикл изменения тока в оба направления относительно нуля или среднего значения.

Частота f — величина, обратная периоду, равная количеству периодов за одну секунду.

Один период в секунду это один герц (1 Hz)

Циклическая частота ω — угловая частота, равная количеству периодов за 2π секунд.

Обычно используется при расчётах тока и напряжения синусоидальной формы. Тогда в пределах периода можно не рассматривать частоту и время, а исчисления производить в радианах или градусах. T = 2π = 360°

Начальная фаза ψ — величина угла от нуля ( ωt = 0) до начала периода. Измеряется в радианах или градусах. Показана на рисунке для синего графика синусоидального тока.

Начальная фаза может быть положительной или отрицательной величиной, соответственно справа или слева от нуля на графике.

Мгновенное значение — величина напряжения или тока измеренная относительно нуля в любой выбранный момент времени t .

Последовательность всех мгновенных значений в любом интервале времени можно рассмотреть как функцию изменения тока или напряжения во времени.

Например, синусоидальный ток или напряжение можно выразить функцией:

С учётом начальной фазы:

Здесь I _amp и U _amp — амплитудные значения тока и напряжения.

Амплитудное значение — максимальное по модулю мгновенное значение за период.

Может быть положительным и отрицательным в зависимости от положения относительно нуля.

Часто вместо амплитудного значения применяется термин амплитуда тока (напряжения) — максимальное отклонение от нулевого значения.

Среднее значение (avg) — определяется как среднеарифметическое всех мгновенных значений за период T .

Среднее значение является постоянной составляющей DC напряжения и тока.

Для синусоидального тока (напряжения) среднее значение равно нулю.

Средневыпрямленное значение — среднеарифметическое модулей всех мгновенных значений за период.

Для синусоидального тока или напряжения средневыпрямленное значение равно среднеарифметическому за положительный полупериод.

Среднеквадратичное значение (rms) — определяется как квадратный корень из среднеарифметического квадратов всех мгновенных значений за период.

Для синусоидального тока и напряжения амплитудой Iamp ( Uamp ) среднеквадратичное значение определится из расчёта:

Среднеквадратичное — это действующее, эффективное значение, наиболее удобное для практических измерений и расчётов. Является объективным количественным показателем для любой формы тока.

В активной нагрузке переменный ток совершает такую же работу за время периода, что и равный по величине его среднеквадратичному значению постоянный ток.

1.3.2. Виды модуляции сигналов.

Амплитудная модуляция — вид модуляции, при которой изменяемым параметром несущего сигнала является его амплитуда.

Тогда амплитудно-модулированный сигнал Uam ( t ) может быть записан следующим образом:

(1)

Здесь m — некоторая константа, называемая коэффициентом модуляции. Формула (1) описывает несущий сигнал U c ( t ) , модулированный по амплитуде сигналом S ( t ) с коэффициентом модуляции m . Предполагается также, что выполнены условия:

$|S(t)|<1,\quad 0<m\leqslant 1.\qquad\qquad(2)$

Выполнение условий (2) необходимо для того, чтобы выражение в квадратных скобках в (1) всегда было положительным. Если оно может принимать отрицательные значения в какой-то момент времени, то происходит так называемая перемодуляция (избыточная модуляция). Простые демодуляторы (типа квадратичного детектора) демодулируют такой сигнал с сильными искажениями.

Амплитудной модуляции свойственны следующие существенные недостатки:

1) приему амплитудно-модулированных сигналов сильно мешают индустриальные и атмосферные помехи;

2) в процессе модуляции лампа используется по мощности полностью только при подаче максимального мгновенного модулирующего напряжения, а во все остальное время она недоиспользуется.

Эти недостатки в значительной степени устраняются при частотной и фазовой модуляции.

Рис 1. Амплитудная модуляция с различным коэффициентом модуляции.

Рис 2. Спектр АМ колебания.

Частотная модуляция — вид аналоговой модуляции, при котором информационный сигнал управляет частотой несущего колебания. По сравнению с амплитудной модуляцией здесь амплитуда остаётся постоянной.

Основными характеристиками частотной модуляции являются девиация (отклонение) и индекс модуляции .

Девиация частоты (frequency deviation) – наибольшее отклонение значения модулированного сигнала от значения его несущей частоты. Единицей девиации частоты является герц (Hz), а также кратные ему единицы.

Индекс модуляции (modulation index) – отношение девиации частоты к частоте модулирующего сигнала.

Колебание называют частотно-модулированным (ЧМ), если частота его изменяется пропорционально передаваемому колебанию (например звуковому) S(t). Следовательно, угловая частота такого колебания должна равняться:

где ω ₀ и a — некоторые постоянные, которые выбираются так, чтобы частота ω изменялась в желаемых пределах.

Рис 3. Пример частотной модуляции по линейному закону.

Рис 4. Пример частотной модуляции. Вверху — информационный сигнал на фоне несущего колебания. Внизу — результирующий сигнал.

Фазовая модуляция — вид модуляции, при которой фаза несущего колебания управляется информационным сигналом. Фазомодулированный сигнал s(t) имеет следующий вид:

где g(t) — огибающая сигнала; φ ( t ) является модулирующим сигналом; f _c — частота несущего сигнала; t — время.

Фазовая модуляция, не связанная с начальной фазой несущего сигнала, называется относительной фазовой модуляцией (ОФМ).

Решающее устройство для режима QPSK демодулятора OFDMA сетей связи четвёртого поколения стандарта IEEE 802.16E мобильный WIMAX

Рис 5. Пример фазовой модуляции — двоичная фазовая модуляция BPSK.

Рис 6. AM,FM модуляции.

1.3.3. Особенности цепей переменного тока.

Переменный ток изменяется во времени по синусоидальному закону. Время, за которое совершается полный цикл изменений по величине и направлению, называется периодом. При векторном изображении синусоиды вектор периодически описывает угол а, равный 360° или в дуговом (радианном) измерении равный 2π. Следовательно, первый полупериод оканчивается при α = π, а первое максимальное значение синусоида принимает при π/2. Время, за которое вектор описывает угол 2π [рад], называется периодом и обозначается буквой Т. Число периодов в секунду называется частотой и обозначается буквой f.

[1/сек] ,

За единицу частоты принят герц (гц). Частота промышленной сети переменною тока обычно равна 50 гц.

В теории переменного тока часто приходится иметь дело с круговой частотой

[1/сек] ,

В течение периода переменный ток, изменяющийся. по синусоидальному закону, достигает максимального значения 2 раза (при π/2 и Зπ/2). Максимальное значение тока или напряжения обозначают соответственно буквами Iмакс и, Uмакс. Действующее значение переменного тока равно величине такого постоянного тока, который, проходя через сопротивление, выделяет в нем (за одинаковое время с переменным током) равное количество тепла:

Следует иметь в виду, что, например, при расчете токовой нагрузки проводов принимается во внимание действующее значение тока. Это положение во многих случаях распространяется и на напряжение. Лишь при расчете изоляции на пробой необходимо учитывать максимальное (мгновенное) значение напряжения, так как пробой может произойти во время прохождения напряжения через максимум. На шкалах измерительных приборов указываются, как правило, действующие значения тока или напряжения.

Резистор в цепи переменного тока

Здесь через IR обозначена амплитуда тока, протекающего через резистор. Связь между амплитудами тока и напряжения на резисторе выражается соотношением

Фазовый сдвиг между током и напряжением на резисторе равен нулю.

Физическая величина R называется активным сопротивлением резистора .

Конденсатор в цепи переменного тока

Соотношение между амплитудами тока IC и напряжения UC :

Ток опережает по фазе напряжение на угол π/2.

называется емкостным сопротивлением конденсатора .

Катушка в цепи переменного тока

Соотношение между амплитудами тока IL и напряжения UL :

Ток отстает по фазе от напряжения на угол π/2.

Физическая величина XL = ω L называется индуктивным сопротивлением катушки .

Методическое пособие для студентов

Синусоидальные величины и их символическое изображение

Мгновенные значения синусоидальной величины определяются выражением:

– угловая частота, [с -1 ];

– линейная частота, [Гц];

– период колебаний [ c ];

 – начальная фаза, [рад].

Расчет цепей переменного тока облегчается, если изображать гармонические токи, напряжения и ЭДС векторами на комплексной плоскости.

Совокупность векторов, изображающих синусоидальные функции в заданный момент времени, называется векторной диаграммой.

Комплексное число может быть представлено в алгебраической и показательной форме:

Переход из показательной формы в алгебраическую форму осуществляется по формуле Эйлера:

При обратном переходе: , если вещественная часть алгебраической формы положительная, то а если вещественная часть отрицательная, то .

Комплексная синусоидальная функция представляется в виде вращающегося вектора на комплексной плоскости:

Мгновенное значение синусоидальной функции есть проекция вращающегося вектора на мнимую ось: .

Обозначения:

i , u , e – мгновенные значения тока, напряжения, ЭДС.

I _m , U _m , E _m – комплексные амплитудные значения тока, напряжения, ЭДС.

I , U , E – комплексные действующие значения тока, напряжения, ЭДС.

Дано синусоидальное напряжение .

Записать выражения для комплексного амплитудного и действующего значения.

Комплексное действующее значение тока .

Записать выражение для мгновенных значений тока.

Ток изменяется по синусоидальному закону. Период c , амплитуда A , начальная фаза . Ток изменяется по синусоидальному закону с той же частотой и амплитудой.

§ Записать выражения и для случаев:

§ опережает ток на угол ;

§ отстает от тока на угол ;

§ находится в противофазе с током ;

§ совпадает по фазе с током .

Ток изменяется по синусоидальному закону. Частота Гц, амплитуда А, начальная фаза . Ток изменяется по синусоидальному закону с той же частотой и амплитудой.

Записать выражения и для случаев:

§ совпадает по фазе с током ;

§ отстает от тока на угол ;

§ опережает ток на угол ;

§ находится в противофазе с током .

Ток изменяется по синусоидальному закону. Период мс, амплитуда A , начальная фаза . Ток изменяется по синусоидальному закону с той же частотой, но амплитуда в два раза больше.

Записать выражения и для случаев:

§ опережает ток а угол ;

§ отстает от тока на угол ;

§ находится в противофазе с током ;

§ совпадает по фазе с током .

Ток изменяется по синусоидальному закону. Период мс, амплитуда I_m ₁ = 2,8 A , начальная фаза . Ток изменяется по синусоидальному закону с той же частотой и амплитудой.

Записать выражения и для случаев:

§ опережает ток на угол ;

§ отстает от тока на угол ;

§ находится в противофазе с током ;

§ совпадает по фазе с током .

Заданы мгновенные значения токов: , , , , .

Записать комплексные мгновенные, амплитудные и действующие значения токов в алгебраической и показательной формах.

Построить векторы комплексных действующих значений токов на комплексной плоскости.

Заданы мгновенные значения токов: , , , , .

Построить векторы комплексных действующих значений токов на комплексной плоскости.

Заданы мгновенные значения токов: , , , , .

Построить векторы комплексных действующих значений токов на комплексной плоскости.

Заданы мгновенные значения токов: , , , , .

Построить векторы комплексных действующих значений токов на комплексной плоскости.

Заданы комплексные действующие значения токов и напряжений: , , , .

Построить векторы токов и напряжений на комплексной плоскости.