Что такое фаза, фазовый угол и сдвиг фаз
Фаза, фазовый угол и сдвиг фаз — это важные понятия в электротехнике и электроэнергетике. Понимание этих понятий является необходимым условием для квалифицированных инженеров-электриков и других специалистов, работающих в этой области.
Они играют ключевую роль в понимании работы электроэнергетических систем и позволяют выполнять качественный анализ и диагностику возможных неисправностей.
В этой статье мы рассмотрим основные понятия, связанные с фазами, фазовыми углами и сдвигом фаз, а также их применение в электротехнике и электроэнергетике.
Говоря о переменном токе, часто оперируют такими терминами как «фаза», «фазовый угол», «сдвиг фаз». Обычно это касается синусоидального переменного или пульсирующего тока (полученного путем выпрямления синусоидального тока).
Поскольку периодическое изменение ЭДС в сети или тока в цепи — это гармонический колебательный процесс, то и функция, описывающая данный процесс, — гармоническая, то есть синус или косинус, в зависимости от начального состояния колебательной системы.
Аргументом функции в данном случае является как раз фаза, то есть положение колеблющейся величины (тока или напряжения) в каждый рассматриваемый момент времени относительно момента начала колебаний. А сама функция принимает значение колеблющейся величины, в этот же момент времени.
Чтобы лучше понять значения термина «фаза», обратимся к графику зависимости напряжения в однофазной сети переменного тока от времени. Здесь мы видим что, напряжение изменяется от некоторого максимального значения Um до -Um, периодически проходя чрез ноль.
В процессе изменения, напряжение принимает множество значений в каждый момент времени, периодически (спустя период времени Т) возвращаясь к тому значению, с которого начиналось наблюдение за данным напряжением.
Можно сказать, что в любой момент времени напряжение находится в определенной фазе, которая зависит от нескольких факторов: от времени t, прошедшего от начала колебаний, от угловой частоты, и от начальной фазы. То что стоит в скобках — полная фаза колебаний в текущий момент времени t. Пси — начальная фаза.
Фазовый угол
Начальную фазу называют в электротехнике еще начальным фазовым углом, поскольку фаза измеряется в радианах или в градусах, как и все обычные геометрические углы. Пределы изменения фазы лежат в интервале от 0 до 360 градусов или от 0 до 2*пи радиан.
На приведенном выше рисунке видно, что в момент начала наблюдения за переменным напряжением U, его значение не было нулем, то есть фаза уже успела в данном примере отклониться от нуля на некоторый угол Пси, равный около 30 градусов или пи/6 радиан — это и есть начальный фазовый угол.
В составе аргумента синусоидальной функции, Пси является константной, поскольку данный угол определяется в начале наблюдения за изменяющимся напряжением, и потом уже в принципе не изменяется. Однако его наличие определяет общий сдвиг синусоидальной кривой относительно начала координат.
По ходу дальнейшего колебания напряжения, текущий фазовый угол изменяется, вместе с ним изменяется и напряжение.
Для синусоидальной функции, если полный фазовый угол (полная фаза с учетом начальной фазы) равен нулю, 180 градусам (пи радиан) или 360 градусам (2*пи радиан), то напряжение принимает нулевое значение, а если фазовый угол принимает значение 90 градусов (пи/2 радиан) или 270 градусов (3*пи/2 радиан) то в такие моменты напряжение максимально отклонено от нуля.
Фазовый сдвиг
Обычно в ходе электротехнических измерений в цепях переменного синусоидального тока (напряжения), наблюдение ведут одновременно и за током и за напряжением в исследуемой цепи. Тогда графики тока и напряжения изображают на общей координатной плоскости.
В этом случае частота изменения тока и напряжения идентичны, но различны, если смотреть на графики, их начальные фазы. В этом случае говорят о фазовом сдвиге между током и напряжением, то есть о разности их начальных фазовых углов.
Иными словами фазовый сдвиг определяет то, на сколько одна синусоида смещена во времени относительно другой. Фазовый сдвиг, как и фазовый угол, измеряется в градусах или радианах. По фазе опережает тот синус, период которого начинается раньше, а отстает по фазе тот, чей период начинается позже. Фазовый сдвиг обозначают обычно буквой Фи.
Фазовый сдвиг, например, между напряжениями на проводах трехфазной сети переменного тока относительно друг друга является константой и равен 120 градусов или 2*пи/3 радиан.
Применение на практике
Понимание концепции фазы, фазового угла и сдвига фазы является ключевым для решения многих практических задач в электротехнике. Они используются в различных областях, таких как электроэнергетика, автоматизация и электроника.
В электроэнергетике, фазы, фазовый угол и сдвиг фазы используются для определения характеристик электрической сети, в том числе для оценки ее надежности и эффективности. Фазовый угол позволяет определять синхронность токов в разных фазах и корректировать их, чтобы обеспечить стабильную работу системы.
В автоматизации, фазовый угол и сдвиг фазы используются для синхронизации и контроля процессов, в том числе для управления двигателями и другими механическими устройствами.
В электронике, фазы, фазовый угол и сдвиг фазы используются для определения характеристик электрического сигнала и его обработки. Они играют важную роль в многих электронных приложениях, таких как управление двигателями, системы аудио и видео кодирования, регулирование напряжения и многое другое.
В системах управления двигателем, фазы используются для управления положением ротора и обеспечения правильной работы двигателя. В системах аудио и видео кодирования, фазовый угол и сдвиг фазы используются для компрессии и декомпрессии сигналов.
В области освещения фазы, фазовый угол и сдвиг фазы используются для определения характеристик источников света и для подбора необходимых элементов освещения. Например, в случае использования электронных блоков питания для светодиодных ламп, фазовый сдвиг может влиять на качество и яркость света.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
фазовый угол
фазовый угол — угол сдвига фаз — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Параллельные тексты EN RU If the phase currents are connected correctly and there is an ideal… … Справочник технического переводчика
фазовый угол — fazinis kampas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. phase angle vok. Phasenwinkel, m rus. фазовый угол, m pranc. angle de phase, m … Automatikos terminų žodynas
фазовый угол — fazinis kampas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. phase angle vok. Phasenwinkel, m rus. фазовый угол, m pranc. angle de phase, m … Fizikos terminų žodynas
Фазовый угол между гармоническими составляющими напряжения и тока — 60 Источник: ГОСТ Р 54130 2010: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа Смотри также родственные термины … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Фазовый угол между напряжением и током нулевой последовательности — 61 Источник: ГОСТ Р 54130 2010: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа Смотри также родственные термины … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Фазовый угол между напряжением и током обратной последовательности — 63 Источник: ГОСТ Р 54130 2010: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа Смотри также родственные термины … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Фазовый угол между напряжением и током прямой последовательности — 62 Источник: ГОСТ Р 54130 2010: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа Смотри также родственные термины … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Фазовый угол сдвига гармонических составляющих напряжения — 55 Источник: ГОСТ Р 54130 2010: Качество электрической энергии. Термины и определения оригинал документа Смотри также родственные термины … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
фазовый угол чувствительности микрофона по свободному полю — фазовый угол чувствительности микрофона по свободному полю: Фазовый угол на данной частоте для плоской синусоидальной бегущей волны для определенного направления распространения звука при данных внешних условиях между напряжением холостого хода и … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
фазовый угол диэлектрика — угол диэлектрических потерь — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы угол диэлектрических потерь EN… … Справочник технического переводчика
фазовый угол сигнала — фаза сигнала В комплексной плоскости это угол между вектором, соответствующим сигналу, и вектором, соответствующим опорному направлению. Ориентация опорного направления определяется рабочей процедурой. [Система неразрушающего контроля. Виды… … Справочник технического переводчика
Что такое ФЧХ фазочастотная характеристика
Фазочастотная характеристика описывает зависимость изменения фазового угла и амплитуды сигнала от его частоты. Поскольку изменение напряжения или тока в цепи представляет собой гармонический колебательный процесс, то и характеристика, описывающая его, также является гармонической. Понимание ФЧХ является важным условием для инженеров, научных исследователей и всех, кто работает в электроэнергетической системе.
Определение фазы и частоты
При использовании переменного электротока часто употребляют такие термины, как фаза, сдвиг фаз, фазовый угол. Поэтому следует знать, что они означают. Итак, фаза — это понятие, описывающее относительное положение двух волн или колебаний, которые имеют одинаковую частоту. Она измеряется в радианах или градусах и показывает, насколько одна волна сдвинута во времени по отношению к другой. Фаза может быть положительной, отрицательной или равной нулю.
Частота — это количество повторений сигнала в единицу времени. Она обычно измеряется в герцах (Гц) и описывает скорость, с которой повторяются колебания. Частота может быть низкой или высокой.
Фаза и частота взаимосвязаны в том смысле, что изменение частоты влечет за собой фазовое изменение. Кроме того, они являются важными параметрами сигнала, изменения в них могут оказывать влияние на его поведение и свойства. Вместе фаза и частота определяют форму и свойства сигнала. Понимание их взаимосвязи — ключевой аспект действий, связанных с анализом и обработкой сигналов в различных областях науки и техники.
Фазовый угол и его измерение
Фазовый угол — это угол, на который сигнал или волна сдвинуты по времени относительно другого сигнала или волны той же частоты. Фазовый угол может быть выражен в радианах или градусах. Он является важной составляющей фазочастотной характеристики. С помощью одной RC-цепи можно фазу сдвинуть на 90 градусов.
Если используется две RC-цепи, то угол сдвига составит 180 градусов, если 3 — 270 и т. д.
Измерение фазового угла может быть выполнено с помощью приборов, которые называются осциллографами. Для этого на осциллографе необходимо подключить два канала, соединяющих исследуемые сигналы. Затем можно произвести измерение фазового угла, используя горизонтальную шкалу осциллографа, которая показывает время и амплитуду сигнала. Осциллограф также может автоматически измерять фазовый угол, используя встроенные функции измерения фазы.
Другой способ измерения фазового угла — использование фазометра. С помощью этого прибора определим разность фаз между двумя сигналами. Он также может использоваться для измерения фазового угла.
Измерение фазового угла важно для анализа и сравнения сигналов. От его значения зависят характеристики сигнала, связанные с фазой и частотой.
Амплитудно-частотная характеристика
Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты входного сигнала. Обычно АЧХ представляют в виде графика, на котором по горизонтальной оси откладывается частота входного сигнала, а по вертикальной — амплитуда выходного сигнала.
АЧХ используется в электронике и связи для оценки процессов, связанных с частотной характеристикой различных устройств, таких как фильтры, усилители, радиопередатчики и т. д. АЧХ позволяет понять, как устройство изменяет амплитуду входного сигнала в зависимости от его частоты. Например, для фильтра высоких частот АЧХ показывает, что он ослабляет сигналы с низкими частотами и пропускает сигналы с высокими частотами. АЧХ может быть использована для определения полосы пропускания или затухания, а также для оценки уровня искажения сигнала при прохождении через устройство.
Фазочастотная характеристика
ФЧХ (фазочастотная характеристика) — это зависимость фаз входного и выходного сигнала от частоты. При изменении частоты сигнала фазовый угол также изменяется. Таким образом, физический смысл ФЧХ заключается в том, что она отражает изменения фазового угла сигнала при изменении его частоты. Формула для определения фазочастотной характеристики RC-цепи имеет такой вид:
Общая формула ФЧХ для электрической цепи определяется как:
Обычно ФЧХ представляется в виде графика, где по оси абсцисс откладывается частота, а по оси ординат — фазовый угол сигнала.
Графическое представление ФЧХ может иметь различную форму в зависимости от свойств и характеристик конкретного сигнала. Например, графики АЧХ и ФЧХ фильтров, у которых идеальные характеристики, будут иметь вид прямой линии. Во всех других случаях форма графика будет зависеть от частоты среза и других параметров. ФЧХ фильтра также может содержать пики и провалы, которые связаны с резонансными явлениями в сигнале.
Примеры применения
АЧХ и ФЧХ имеют широкий спектр применений в различных областях науки и техники.
Применение в электронике
Частотная и фазочастотная характеристики используются для настройки и оптимизации фильтров различных типов. Это может быть полосовой фильтр или фильтр нижних и верхних частот, с резонансной частотой и других.
Амплитудно-частотные характеристики и фазочастотные приходят на помощь, когда возникает необходимость определения времени задержки при передаче сигнала через устройства с задержкой или для определения фазовых искажений в сигналах передачи данных.
Еще одно применение ФЧХ — компенсация фазовых искажений в электронных системах. Например, фазочастотная характеристика позволяет корректировать работу усилителя мощности или управлять сдвигом в оптических системах.
Применение в автоматическом управлении
ФЧХ применяется для компенсации фазовых искажений в системах автоматического управления, например, в системах управления электродвигателями или системах стабилизации напряжения.
ФЧХ используется для определения устойчивости системы автоматического управления, например, для анализа устойчивости системы регулирования тока или напряжения в электрической цепи.
Применение для обработки сигналов
ФЧХ применяется для анализа сигналов в радиосвязи, например, для определения частотной характеристики антенн. Она также используется для анализа аудиосигналов, например, для определения фазовых отклонений в звуковых системах и исследования влияния фазовых искажений на качество звука. Также ФЧХ применяется для обработки звуковых сигналов в студийных условиях, где необходима точная настройка фазы для получения максимально чистого звучания.
Таким образом, фазочастотная характеристика является важным понятием в различных областях, включая электронику, автоматическое управление, обработку сигналов и изображений, медицину. Она позволяет определить фазовый угол и частоту сигнала, а также оценить качество системы и улучшить его путем настройки фазы. Графическое представление АЧХ и ФЧХ дает наглядное представление о поведении системы при изменении частоты сигнала. Знание фазочастотной характеристики позволяет инженерам и ученым разрабатывать более эффективные системы и улучшать качество сигналов в различных областях.
Фазовый угол и коэффициент мощности
Как определить фазовый угол и коэффициент мощности в электрической цепи резистора и конденсатора: цепь переменного тока с разными фазами, схема цепи, формула.
В цепи резистора и конденсатора (RC), подключенной к источнику переменного тока, напряжение и ток поддерживают разность фаз.
Задача обучения
- Сравнить токи в резисторе и конденсаторе цепи RC.
Основные пункты
- В цепи RC, подключенной к источнику переменного напряжения, токи в резисторе и конденсаторе приравниваются и располагаются в фазе.
- Общее напряжение должно соответствовать сумме напряжений на резисторе и конденсаторе.
- Напряжение и ток обладают разностью фаз, где
где cosφ (коэффициент мощности).
Термины
- Переменный ток – электрический ток, где направление потока электронов периодически изменяется со средним значением нуля.
- Полное сопротивление – мера противодействия потоку переменного тока в цепи (Z).
- Среднее квадратичное (СК) – статическая мера переменной величины.
Фазовый угол
Полное сопротивление – аналоговый переменный ток для сопротивления в пределах цепи постоянного тока. Мы уже писали, что напряжение и полное сопротивление основываются на законе Ома: I = V/Z (I и V – пиковые ток и напряжение, а Z – полное сопротивление схемы).
В схеме последовательного соединения резистора и конденсатора сохранение заряда нуждается в том, чтобы ток оставался неизменным в каждой части схемы. Поэтому токи в резисторе и конденсаторе равняются и располагаются в фазе.
Общее напряжение должно равняться сумме напряжения на резисторе и конденсаторе, поэтому получаем:
где ω – угловая частота источника переменного напряжения, j – мнимая единица; j 2 = -1.
Так как комплексное число 
имеет фазовый угол φ, удовлетворяющий Отметьте, что напряжение и ток обладают разностью фаз.
Фактор силы
Напряжение и ток не соответствуют фазе, поэтому рассеиваемая схемой мощность не будет равной. Тогда средней мощностью будет IСКVСКcosφ, где IСК и VСК – среднеквадратичные значения тока и напряжения. Поэтому cosφ именуют коэффициентом мощности, который может находиться в диапазоне от 0 до 1.