相位的意義(yi) 是什麽(me) ?在電路中有什麽(me) 作用。相位的原理分析:
先講一下交流電的產(chan) 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(chan) 生感生電動勢和感應電流,由於(yu) 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。這是一個(ge) 正弦波的交流電。兩(liang) 個(ge) 要素在周期性的變化:大小、方向。
圖一 正弦交流發電機模型
若對於(yu) 單一的一個(ge) 正弦交流電,我們(men) 隻知道它的大小就足夠了,比如我們(men) 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(wei) 什麽(me) 呢?舉(ju) 個(ge) 例子,如下圖所示,A、B是兩(liang) 個(ge) 乒乓球以相同的速度v、周期t在地麵垂直上下彈跳,我們(men) 會(hui) 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(liang) 個(ge) 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(ge) 時間,也就是介於(yu) 前麵兩(liang) 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(liang) 個(ge) 變量之間的關(guan) 係。
圖二 乒乓球彈跳情況
通過對兩(liang) 個(ge) 乒乓球的彈跳分析,我們(men) 接著研究正弦交流電的變化規律。如圖一,我們(men) 假定發電機的啟動位置正好在a,也就是指中性麵的位置,此時其啟動電壓為(wei) 零(瞬時值)。如果其啟動位置在是在b,那麽(me) 發電機的起始電壓為(wei) 最大值Em。若在d位置,則啟動電壓為(wei) -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,由於(yu) 其有效邊的初始位置不同,導致其變化規律不同。如果兩(liang) 個(ge) 不同的交流電相加或相減,由於(yu) 其相位不同,則結果也不同,這正是交流電不同於(yu) 直流電的重要地方之一。
圖三 交流發電機模型
通過上麵的分析我們(men) 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,於(yu) 是引入初相位φ,如下圖四所示,也就是有效邊與(yu) 中性麵的夾角。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(men) 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
由於(yu) 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(yu) φ2之差就是相位差,它反映了兩(liang) 個(ge) 交流電的相位關(guan) 係,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(wei) 0°、-120°、120°。相位差互為(wei) 120°。矢量圖如下圖。
圖五 三相交流電波形圖與(yu) 相量圖
兩(liang) 個(ge) 交流電a、b的相位差等於(yu) β度(大於(yu) 零),稱為(wei) a交流電超前於(yu) b交流電β度,或b交流電滯後於(yu) a交流電β度;若a、b的相位差等於(yu) 零,稱為(wei) a、b同相;若a、b的相位差等於(yu) 180度,稱為(wei) a、b反相;若a、b的相位差等於(yu) 90度,則稱為(wei) a、b交流電正交。
圖六 同相、反相、正交關(guan) 係圖
常見的特殊的相位差:同相0度;30度(三相交流電線電壓與(yu) 相電壓)、90度(純電感、純電容上的電壓與(yu) 電流之間)、120度(三相交流電三相電源之間)、180度(反相)
相位關(guan) 係在電子電路中的應用。振蕩電路的兩(liang) 個(ge) 要素:相位平衡、振幅平衡,相位平衡就是反饋信號必須和輸入信號同相(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,反饋信號與(yu) 輸入電壓才能同相,電路才具備振蕩條件。LC諧振電路,就是在合適的元件參數下,其電壓和電流處於(yu) 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(liang) 組繞組的電流相位差90度,這樣就能產(chan) 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(yu) 直流電有較大差別,掌握其機理,對於(yu) 我們(men) 研究電路學意義(yi) 重大。