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,那麼它的意義是什麼呢?在電路中有什麼作用呢?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産生機理: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,在其中就産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。
圖一 正弦交流發電機模型
若對于單一的一個正弦交流電,我們隻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,為什麼呢?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:相就是狀态,位就是位置,就是反映兩個變量之間的關系。
通過對兩個乒乓球的彈跳分析,我們接着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,那麼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,導緻其變化規律不同。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别為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交流電滞後于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
常見的特殊的相位差:同相0度;30度(三相交流電線電壓與相電壓)、90度(純電感、純電容上的電壓與電流之間)、120度(三相交流電三相電源之間)、180度(反相)
相位關系在電子電路中的應用。振蕩電路的兩個要素:相位平衡、振幅平衡,相位平衡就是反饋信号必須和輸入信号同相(相位差0度),如下圖所示變壓器反饋式振蕩電路。隻有這種接法,反饋信号與輸入電壓才能同相,電路才具備振蕩條件。LC諧振電路,就是在合适的元件參數下,其電壓和電流處于同相。
圖七 相位在振蕩電路中的應用
相位在強電電路中的應用,下圖是單相異步電動機電路圖,在啟動繞組中串聯電容後,兩組繞組的電流相位差90度,這樣就能産生旋轉磁場。
圖八 單相異步電動機電路原理圖
綜上所述,交流電的相位是其重要特征,在表示、計算上與直流電有較大差别,掌握其機理,對于我們研究電路學意義重大。
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