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相位的概念及應用 相位是什么意思

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相位的概念及應用 相位是什么意思


  • 相位這個名詞在交流電中、放大電路中經常提到，它是交流電的三要素之一，那么它的意義是什么呢？在電路中有什么作用呢？下面就此問題開始我們的課程 。
  • 說起相位我們不得不先講一下交流電的產生機理：如下圖所示交流發電機模型，轉子繞組在磁場中以角頻率ω做逆時針勻速轉動時，根據右手定則判斷，轉子繞組的有效邊（（ab、cd）切割磁力線，在其中就產生感生電動勢和感應電流，由于有效邊是在做圓周運動，因此電動勢和感應電流是按正弦規律在周期性的變化，也就是其大小、方向做不斷的變化，用公式表示u=Umsinωt 。兩個要素在周期性的變化：大小、方向 。
【相位的概念及應用 相位是什么意思】圖一 正弦交流發電機模型
  • 若對于單一的一個正弦交流電，我們只知道它的大小就足夠了，比如我們使用的市電220v，這就夠了，你不需要探究它的其它參數 。但不同的交流電就不行了，為什么呢？舉個例子，如下圖所示，A、B是兩個乒乓球以相同的速度v、周期t在地面垂直上下彈跳，我們會發現，若A向上運動，B的運動有多種情況：1.B和A一樣以相同的方向、幅度彈跳，也就是同時到達最高點，同時到達最低點，兩個球在做同步運動 。2.和A正好相反，A最高點時，B最低點，一上一下；3.B的彈跳和A差了某個時間，也就是介于前面兩種情況之間，運動情況就多了 。這就是相位問題 。相位的意思：相就是狀態，位就是位置，就是反映兩個變量之間的關系 。
圖二 乒乓球彈跳情況
  • 通過對兩個乒乓球的彈跳分析，我們接著研究正弦交流電的變化規律 。如圖一，我們假定發電機的啟動位置正好在a，也就是指中性面的位置，此時其啟動電壓為零（瞬時值） 。如果其啟動位置在是在b,那么發電機的起始電壓為最大值Em 。若在d位置，則啟動電壓為-Em；以上說的是發電機的有效邊正好在特殊位置的情況，在其它位置的情況就更多了；這就是交流電的相位問題，由于其有效邊的初始位置不同，導致其變化規律不同 。如果兩個不同的交流電相加或相減，由于其相位不同，則結果也不同，這正是交流電不同于直流電的重要地方之一 。
圖三 交流發電機模型
  • 通過上面的分析我們明白了不同的交流電發電機若起始位置不同，則其變化規律也不同，單純的u=Umsinωt已經無法完整表達交流電的特征，于是引入初相位φ,如下圖四所示，也就是有效邊與中性面的夾角 。其值在-π-π之間 。這樣交流電完整的表達式u=Umsin（ωt φ）以上分析我們是用交流發電機的原理來進行的，任何交流電都是這種情況 。
圖四 交流電的初相位
  • 由于不同的交流電的初相位、幅值不同，u1=U1msin（ωt φ1），u,2=U2msin（ωt φ2），φ1與φ2之差就是相位差，它反映了兩個交流電的相位關系，也即啟動時的位置不同 。如三相正弦交流電三組電壓的波形圖 。瞬時值ua=Umsinωt，ub=Umsin（ωt-120°），uc=Umsin（ωt 120°），三相交流電初相位分別為0°、-120°、120° 。相位差互為120° 。矢量圖如下圖 。
圖五 三相交流電波形圖與相量圖
  • 兩個交流電a、b的相位差等于β度（大于零），稱為a交流電超前于b交流電β度，或b交流電滯后于a交流電β度；若a、b的相位差等于零，稱為a、b同相；若a、b的相位差等于180度，稱為a、b反相；若a、b的相位差等于90度，則稱為a、b交流電正交 。
圖六 同相、反相、正交關系圖