相位的意义是什么呢?在电路中有什么作用

先讲一下交流电的产生机理:如下图所示交流发电机模型,转子绕组在磁场中以角频率ω做逆时针匀速转动时,根据右手定则判断,转子绕组的有效边((ab、cd)切割磁力线,在其中就产生感生电动势和感应电流,由于有效边是在做圆周运动,因此电动势和感应电流是按正弦规律在周期性的变化,也就是其大小、方向做不断的变化,用公式表示u=Umsinωt。两个要素在周期性的变化:大小、方向。

相位的意义是什么呢?在电路中有什么作用

图一 正弦交流电机模型

若对于单一的一个正弦交流电,我们只知道它的大小就足够了,比如我们使用的市电220v,这就够了,你不需要探究它的其它参数。但不同的交流电就不行了,为什么呢?举个例子,如下图所示,A、B是两个乒乓球以相同的速度v、周期t在地面垂直上下弹跳,我们会发现,若A向上运动,B的运动有多种情况:1.B和A一样以相同的方向、幅度弹跳,也就是同时到达最高点,同时到达最低点,两个球在做同步运动。2.和A正好相反,A最高点时,B最低点,一上一下;3.B的弹跳和A差了某个时间,也就是介于前面两种情况之间,运动情况就多了。这就是相位问题。相位的意思:相就是状态,位就是位置,就是反映两个变量之间的关系。

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图二 乒乓球弹跳情况

通过对两个乒乓球的弹跳分析,我们接着研究正弦交流电的变化规律。如图一,我们假定发电机的启动位置正好在a,也就是指中性面的位置,此时其启动电压为零(瞬时值)。如果其启动位置在是在b,那么发电机的起始电压为最大值Em。若在d位置,则启动电压为-Em;以上说的是发电机的有效边正好在特殊位置的情况,在其它位置的情况就更多了;这就是交流电的相位问题,由于其有效边的初始位置不同,导致其变化规律不同。如果两个不同的交流电相加或相减,由于其相位不同,则结果也不同,这正是交流电不同于直流电的重要地方之一。

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图三 交流发电机模型

通过上面的分析我们明白了不同的交流电发电机若起始位置不同,则其变化规律也不同,单纯的u=Umsinωt已经无法完整表达交流电的特征,于是引入初相位φ,如下图四所示,也就是有效边与中性面的夹角。其值在-π-π之间。这样交流电完整的表达式u=Umsin(ωt+φ)以上分析我们是用交流发电机的原理来进行的,任何交流电都是这种情况。

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图四 交流电的初相位

由于不同的交流电的初相位、幅值不同,u1=U1msin(ωt+φ1),u,2=U2msin(ωt+φ2),φ1与φ2之差就是相位差,它反映了两个交流电的相位关系,也即启动时的位置不同。如三相正弦交流电三组电压的波形图。瞬时值ua=Umsinωt,ub=Umsin(ωt-120°),uc=Umsin(ωt+120°),三相交流电初相位分别为0°、-120°、120°。相位差互为120°。矢量图如下图。

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图五 三相交流电波形图与相量图

两个交流电a、b的相位差等于β度(大于零),称为a交流电超前于b交流电β度,或b交流电滞后于a交流电β度;若a、b的相位差等于零,称为a、b同相;若a、b的相位差等于180度,称为a、b反相;若a、b的相位差等于90度,则称为a、b交流电正交。

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图六 同相、反相、正交关系图

常见的特殊的相位差:同相0度;30度(三相交流电线电压与相电压)、90度(纯电感、纯电容上的电压与电流之间)、120度(三相交流电三相电源之间)、180度(反相)

相位关系在电子电路中的应用。振荡电路的两个要素:相位平衡、振幅平衡,相位平衡就是反馈信号必须和输入信号同相(相位差0度),如下图所示变压器反馈式振荡电路。只有这种接法,反馈信号与输入电压才能同相,电路才具备振荡条件。LC谐振电路,就是在合适的元件参数下,其电压和电流处于同相。

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图七 相位在振荡电路中的应用

相位在强电电路中的应用,下图是单相异步电动机电路图,在启动绕组中串联电容后,两组绕组的电流相位差90度,这样就能产生旋转磁场。

相位的意义是什么呢?在电路中有什么作用

图八 单相异步电动机电路原理图

综上所述,交流电的相位是其重要特征,在表示、计算上与直流电有较大差别,掌握其机理,对于我们研究电路学意义重大。

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