Sóng AC, lý thuyết về dòng xoay chiều AC

Dạng sóng AC và Lý thuyết mạch AC

AC Dạng sóng hình sin được tạo ra bằng cách quay một cuộn dây trong từ trường và điện áp và dòng điện xoay chiều tạo thành cơ sở của Lý thuyết AC







Dòng điện một chiều hay còn gọi là dòng điện một chiều, là một dạng của dòng điện hoặc điện áp chỉ chạy quanh mạch điện theo một hướng, làm cho nó trở thành nguồn cung cấp “Một chiều”.

Nói chung, cả dòng điện và điện áp một chiều đều được tạo ra bởi nguồn điện, pin, máy phát điện và pin mặt trời. Điện áp hoặc dòng điện một chiều có biên độ (biên độ) cố định và hướng xác định gắn liền với nó. Ví dụ: + 12V đại diện cho 12 vôn theo chiều dương hoặc -5V biểu thị 5 vôn theo chiều âm.

Chúng ta cũng biết rằng bộ nguồn DC không thay đổi giá trị của chúng theo thời gian, chúng là một giá trị không đổi chạy theo hướng trạng thái ổn định liên tục. Nói cách khác, DC duy trì cùng một giá trị cho mọi thời điểm và nguồn cung cấp DC một chiều không đổi không bao giờ thay đổi hoặc trở nên âm trừ khi các kết nối của nó được đảo ngược vật lý. Dưới đây là một ví dụ về mạch điện một chiều hoặc một chiều đơn giản.
Mạch DC và dạng sóng




Mặt khác, một hàm xoay chiều hay Dạng sóng AC được định nghĩa là một hàm thay đổi cả về cường độ và hướng theo cách đồng đều theo thời gian làm cho nó trở thành dạng sóng “Hai hướng”. Một hàm AC có thể biểu diễn nguồn điện hoặc nguồn tín hiệu có dạng sóng AC thường tuân theo dạng hình sin toán học được định nghĩa là: A (t) = A max * sin (2πƒt) .

Thuật ngữ AC hay mô tả đầy đủ của nó về Dòng điện xoay chiều, thường đề cập đến một dạng sóng thay đổi theo thời gian với dạng phổ biến nhất được gọi là Hình sin hay còn được gọi là Dạng sóng hình sin . Dạng sóng hình sin thường được gọi bằng cách mô tả ngắn gọn là Sóng hình sin . Cho đến nay, sóng sin là một trong những dạng sóng xoay chiều quan trọng nhất được sử dụng trong kỹ thuật điện.

Hình dạng thu được bằng cách vẽ biểu đồ các giá trị tọa độ tức thời của điện áp hoặc dòng điện so với thời gian được gọi là Dạng sóng AC . Một dạng sóng xoay chiều liên tục thay đổi cực của nó sau mỗi nửa chu kỳ xen kẽ giữa giá trị cực đại dương và giá trị cực đại âm tương ứng theo thời gian với một ví dụ phổ biến về điều này là nguồn cung cấp điện áp lưới trong nhà mà chúng ta sử dụng trong nhà.

Điều này có nghĩa là Dạng sóng AC là “tín hiệu phụ thuộc vào thời gian” với loại tín hiệu phụ thuộc thời gian phổ biến nhất là của Dạng sóng tuần hoàn . Dạng sóng tuần hoàn hoặc xoay chiều là sản phẩm tạo ra của máy phát điện quay. Nói chung, hình dạng của bất kỳ dạng sóng tuần hoàn nào có thể được tạo ra bằng cách sử dụng tần số cơ bản và chồng nó với các tín hiệu hài có tần số và biên độ khác nhau nhưng đó là hướng dẫn khác.

Điện áp và dòng điện xoay chiều không thể được lưu trữ trong pin hoặc tế bào như dòng điện một chiều (DC), việc tạo ra các đại lượng này dễ dàng và rẻ hơn nhiều bằng cách sử dụng máy phát điện xoay chiều hoặc máy phát dạng sóng khi chúng cần thiết. Loại và hình dạng của dạng sóng AC phụ thuộc vào máy phát hoặc thiết bị tạo ra chúng, nhưng tất cả các dạng sóng AC đều bao gồm một đường điện áp bằng không chia dạng sóng thành hai nửa đối xứng. Các đặc điểm chính của Dạng sóng AC được định nghĩa là:
Đặc điểm dạng sóng AC
• Khoảng thời gian, (T) là khoảng thời gian tính bằng giây mà dạng sóng cần để tự lặp lại từ đầu đến cuối. Đây cũng có thể được gọi là Thời gian định kỳ của dạng sóng đối với sóng sin hoặc Độ rộng xung đối với sóng vuông.
• Tần số, (ƒ) là số lần dạng sóng tự lặp lại trong khoảng thời gian một giây. Tần số là nghịch đảo của khoảng thời gian, ( ƒ = 1 / T ) với đơn vị tần số là Hertz , (Hz).
• Biên độ (A) là cường độ hoặc cường độ của dạng sóng tín hiệu được đo bằng vôn hoặc ampe.

Trong hướng dẫn của chúng tôi về Dạng sóng , chúng tôi đã xem xét các loại dạng sóng khác nhau và nói rằng “ Dạng sóng về cơ bản là sự thể hiện trực quan về sự biến đổi của điện áp hoặc dòng điện được vẽ theo cơ sở thời gian”. Nói chung, đối với dạng sóng AC, đường cơ sở nằm ngang này biểu thị điều kiện không của điện áp hoặc dòng điện. Bất kỳ phần nào của dạng sóng loại xoay chiều nằm phía trên trục 0 nằm ngang đại diện cho điện áp hoặc dòng điện chạy theo một hướng.

Tương tự như vậy, bất kỳ phần nào của dạng sóng nằm bên dưới trục 0 nằm ngang đại diện cho điện áp hoặc dòng điện chạy theo hướng ngược lại với trục đầu tiên. Nói chung đối với dạng sóng AC hình sin, hình dạng của dạng sóng phía trên trục 0 cũng giống như hình dạng bên dưới nó. Tuy nhiên, đối với hầu hết các tín hiệu AC không nguồn bao gồm cả dạng sóng âm thanh, điều này không phải lúc nào cũng đúng.

Các dạng sóng tín hiệu tuần hoàn phổ biến nhất được sử dụng trong Kỹ thuật Điện và Điện tử là Dạng sóng hình sin . Tuy nhiên, dạng sóng xoay chiều xoay chiều có thể không phải lúc nào cũng có dạng hình dạng nhẵn dựa trên hàm sin hoặc cosin lượng giác. Các dạng sóng AC cũng có thể có hình dạng của Sóng phức , Sóng vuông hoặc Sóng tam giác và chúng được hiển thị bên dưới.
Các loại dạng sóng tuần hoàn




Thời gian cần thiết để một Dạng sóng AC hoàn thành một mẫu đầy đủ từ nửa dương sang nửa âm của nó và quay trở lại đường cơ sở 0 lần nữa được gọi là Chu kỳ và một chu kỳ hoàn chỉnh chứa cả nửa chu kỳ dương và nửa chu kỳ âm. Thời gian mà dạng sóng thực hiện để hoàn thành một chu kỳ đầy đủ được gọi là Thời gian định kỳ của dạng sóng, và được ký hiệu “T”.

Số chu kỳ hoàn chỉnh được tạo ra trong vòng một giây (chu kỳ / giây) được gọi là Tần số , ký hiệu ƒ của dạng sóng xoay chiều. Tần số được đo bằng Hertz , ( Hz ) được đặt theo tên của nhà vật lý người Đức Heinrich Hertz.

Sau đó, chúng ta có thể thấy rằng một mối quan hệ tồn tại giữa chu kỳ (dao động), thời gian và tần số tuần hoàn (chu kỳ trên giây), vì vậy nếu có ƒ số chu kỳ trong một giây thì mỗi chu kỳ riêng lẻ phải mất 1 / ƒ giây để hoàn thành.
Mối quan hệ giữa tần suất và thời gian định kỳ


Ví dụ về dạng sóng AC No1

1. Thời gian tuần hoàn của một dạng sóng 50Hz và 2. tần số của một dạng sóng xoay chiều có thời gian tuần hoàn 10mS sẽ là bao nhiêu.

1).



2).




Tần số từng được biểu thị bằng “chu kỳ trên giây” viết tắt là “cps”, nhưng ngày nay nó được quy định phổ biến hơn trong các đơn vị gọi là “Hertz”. Đối với nguồn điện lưới trong nước, tần số sẽ là 50Hz hoặc 60Hz tùy thuộc vào quốc gia và được cố định bởi tốc độ quay của máy phát điện. Nhưng một hertz là một đơn vị rất nhỏ nên các tiền tố được sử dụng để biểu thị thứ tự cường độ của dạng sóng ở các tần số cao hơn như kHz , MHz và thậm chí là GHz .
Định nghĩa tiền tố tần số


Tiếp đầu ngữ

Định nghĩa

Viết như

Thời gian định kỳ


Kilo

Ngàn

kHz

1ms


Siêu cấp

Triệu

MHz

1us


Giga

Tỷ

GHz

1ns


Terra

Nghìn tỷ

THz

1 giây

Biên độ của dạng sóng AC

Cũng như việc biết thời gian tuần hoàn hoặc tần số của đại lượng xoay chiều, một tham số quan trọng khác của dạng sóng AC là Biên độ , được biết đến nhiều hơn là giá trị Cực đại hoặc Đỉnh của nó được biểu thị bằng các thuật ngữ, V cực đại cho điện áp hoặc I cực đại cho dòng điện.

Giá trị đỉnh là giá trị lớn nhất của điện áp hoặc dòng điện mà dạng sóng đạt được trong mỗi nửa chu kỳ được đo từ đường cơ sở bằng không. Không giống như điện áp hoặc dòng điện một chiều có trạng thái ổn định có thể được đo hoặc tính toán bằng định luật Ôm , đại lượng xoay chiều liên tục thay đổi giá trị của nó theo thời gian.

Đối với dạng sóng hình sin thuần túy, giá trị đỉnh này sẽ luôn giống nhau trong cả hai nửa chu kỳ ( + Vm = -Vm ) nhưng đối với dạng sóng không hình sin hoặc phức tạp, giá trị đỉnh lớn nhất có thể rất khác nhau trong mỗi nửa chu kỳ. Đôi khi, dạng sóng xoay chiều được cho giá trị đỉnh-đỉnh , V p-p và đây chỉ đơn giản là khoảng cách hoặc tổng điện áp giữa giá trị đỉnh lớn nhất, + V cực đại và giá trị đỉnh nhỏ nhất, -V max trong một chu kỳ hoàn chỉnh.
Giá trị trung bình của dạng sóng AC

Giá trị trung bình hoặc giá trị trung bình của điện áp một chiều liên tục sẽ luôn bằng giá trị đỉnh lớn nhất của nó vì điện áp một chiều không đổi. Giá trị trung bình này sẽ chỉ thay đổi nếu chu kỳ làm việc của điện áp một chiều thay đổi. Trong một sóng hình sin thuần túy nếu giá trị trung bình được tính trong toàn bộ chu kỳ, giá trị trung bình sẽ bằng 0 vì hai nửa âm và dương sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Vì vậy, giá trị trung bình hoặc giá trị trung bình của dạng sóng AC chỉ được tính toán hoặc đo trong nửa chu kỳ và điều này được hiển thị bên dưới.
Giá trị trung bình của dạng sóng không hình sin




Để tìm giá trị trung bình của dạng sóng, chúng ta cần tính diện tích bên dưới dạng sóng bằng cách sử dụng quy tắc trung bình, quy tắc hình thang hoặc quy tắc Simpson thường thấy trong toán học. Có thể dễ dàng tìm thấy diện tích gần đúng dưới bất kỳ dạng sóng bất thường nào bằng cách sử dụng quy tắc tọa độ giữa.

Đường cơ sở trục 0 được chia thành bất kỳ số phần bằng nhau nào và trong ví dụ đơn giản của chúng tôi ở trên giá trị này là chín, (V 1 đến V 9 ). Càng nhiều đường sắp xếp được vẽ càng chính xác sẽ là giá trị trung bình hoặc giá trị trung bình cuối cùng. Giá trị trung bình sẽ là phép cộng của tất cả các giá trị tức thời được cộng lại với nhau và sau đó chia cho tổng số. Điều này được đưa ra như.
Giá trị trung bình của dạng sóng AC



Trong đó: n bằng số khoảng giữa thực tế được sử dụng.

Đối với dạng sóng hình sin thuần túy, giá trị trung bình hoặc giá trị trung bình này sẽ luôn bằng 0,637 * V max và mối quan hệ này cũng đúng với các giá trị trung bình của dòng điện.
Giá trị RMS của dạng sóng AC

Giá trị trung bình của dạng sóng AC mà chúng tôi đã tính toán ở trên là: 0,637 * V max KHÔNG phải là giá trị tương tự mà chúng tôi sẽ sử dụng cho nguồn cung cấp DC. Điều này là do không giống như nguồn cung cấp DC không đổi và có giá trị cố định, dạng sóng AC liên tục thay đổi theo thời gian và không có giá trị cố định. Do đó, giá trị tương đương đối với hệ thống dòng điện xoay chiều cung cấp cùng một lượng điện năng cho tải như mạch điện một chiều tương đương được gọi là “giá trị hiệu dụng”.

Giá trị hiệu dụng của sóng hình sin tạo ra cùng một hiệu ứng đốt nóng I 2 * R trong một tải như chúng ta mong đợi để xem liệu tải tương tự có được cấp bởi nguồn DC không đổi hay không. Giá trị hiệu dụng của sóng hình sin thường được gọi là Bình phương trung bình gốc hoặc đơn giản là giá trị RMS vì nó được tính bằng căn bậc hai của giá trị trung bình (trung bình) của bình phương điện áp hoặc dòng điện.

Đó là V rms hoặc I rms được cho là căn bậc hai của giá trị trung bình của tổng tất cả các giá trị trung bình bình phương của sóng sin. Giá trị RMS cho bất kỳ dạng sóng AC nào có thể được tìm thấy từ công thức giá trị trung bình đã sửa đổi sau đây như được hiển thị.
Giá trị RMS của dạng sóng AC




Trong đó: n bằng số trung điểm.

Đối với dạng sóng hình sin thuần túy, giá trị hiệu dụng hoặc RMS này cũng sẽ luôn bằng nhau: 1 / √ 2 * V max bằng 0,707 * V max và mối quan hệ này đúng với các giá trị RMS của dòng điện. Giá trị RMS cho dạng sóng hình sin luôn lớn hơn giá trị trung bình ngoại trừ dạng sóng hình chữ nhật. Trong trường hợp này, hiệu ứng gia nhiệt không đổi nên giá trị trung bình và giá trị RMS sẽ giống nhau.

Một nhận xét cuối cùng về các giá trị RMS. Hầu hết các đồng hồ vạn năng, kỹ thuật số hoặc tương tự, trừ khi có quy định khác chỉ đo các giá trị RMS của điện áp và dòng điện chứ không phải giá trị trung bình. Vì vậy khi sử dụng đồng hồ vạn năng trên một hệ thống dòng một chiều đọc sẽ bằng I = V / R và cho một hệ thống dòng điện xoay chiều đọc sẽ bằng Irms = Vrms / R .

Ngoài ra, ngoại trừ tính toán công suất trung bình, khi tính toán RMS hoặc điện áp đỉnh, chỉ sử dụng V RMS để tìm giá trị I RMS , hoặc điện áp đỉnh, Vp để tìm dòng điện đỉnh, giá trị Ip. Không trộn chúng với nhau vì các giá trị Trung bình, RMS hoặc Đỉnh của sóng hình sin hoàn toàn khác nhau và kết quả của bạn chắc chắn sẽ không chính xác.
Yếu tố Hình thức và Yếu tố Crest

Mặc dù ngày nay ít được sử dụng, cả Hệ số dạng và Hệ số Crest đều có thể được sử dụng để cung cấp thông tin về hình dạng thực tế của dạng sóng AC. Hệ số hình thức là tỷ số giữa giá trị trung bình và giá trị RMS và được cho là.





Đối với dạng sóng hình sin thuần túy, Hệ số dạng sẽ luôn bằng 1,11 . Hệ số Crest là tỷ số giữa giá trị RMS và giá trị đỉnh của dạng sóng và được cho là.





Đối với dạng sóng hình sin thuần túy, Hệ số Crest sẽ luôn bằng 1,414 .
Ví dụ về dạng sóng AC số 2

Một dòng điện xoay chiều hình sin 6 ampe chạy qua có điện trở 40Ω. Tính hiệu điện thế trung bình và hiệu điện thế đỉnh của nguồn cung cấp.

Giá trị Điện áp RMS được tính như sau:





Giá trị điện áp trung bình được tính như sau:





Giá trị điện áp đỉnh được tính như sau:





Việc sử dụng và tính toán Trung bình, RMS, Hệ số hình thức và Hệ số Crest cũng có thể được sử dụng với bất kỳ loại dạng sóng tuần hoàn nào bao gồm Hình tam giác, Hình vuông, Hình răng cưa hoặc bất kỳ hình dạng sóng điện áp / dòng điện bất thường hoặc phức tạp nào khác. Việc chuyển đổi giữa các giá trị hình sin khác nhau đôi khi có thể gây nhầm lẫn vì vậy bảng sau đây cung cấp một cách thuận tiện để chuyển đổi giá trị sóng sin này sang giá trị sóng sin khác.
Bảng chuyển đổi dạng sóng hình sin


Chuyển đổi từ

Nhân với

Hoặc bằng cách

Để có được giá trị


Đỉnh

2

(√ 2 ) 2

Giao tiếp gián tiếp


Giao tiếp gián tiếp

0,5

1/2

Đỉnh


Đỉnh

0,707

1 / (√ 2 )

RMS


Đỉnh

0,637

2 / π

Trung bình cộng


Trung bình cộng

1.570

π / 2

Đỉnh


Trung bình cộng

1.111

π / (2√ 2 )

RMS


RMS

1.414

√ 2

Đỉnh


RMS

0,901

(2√ 2 ) / π

Trung bình cộng


Trong hướng dẫn tiếp theo về Dạng sóng hình sin, chúng ta sẽ xem xét nguyên tắc tạo ra dạng sóng AC hình sin (hình sin) cùng với biểu diễn vận tốc góc của nó.