Jaký je fázový posun mezi proudem a napětím?

Počáteční fáze elektromagnetických sinusových kmitů primárního a sekundárního napětí, s frekvencí stejné hodnoty, se mohou výrazně lišit o určitý úhel fázového posunu (úhel φ). Proměnné veličiny se mohou opakovaně měnit po určitou dobu s určitou frekvencí. Pokud se elektrické procesy nemění a fázový posun je nulový, znamená to synchronizaci zdrojů střídavého napětí, například transformátorů. Fázový posun je určujícím faktorem účiníku ve střídavých elektrických sítích.

Úhel fázového posunu se najde v případě potřeby, pak pokud je jeden ze signálů referenčním signálem a druhý signál s fází na samém začátku se shoduje s úhlem fázového posunu.

Úhel fázového posunu se měří pomocí zařízení, které má normalizovanou chybu.

Fázový měřič může měřit úhel posunu v rozsahu od 0 o do 360 o, v některých případech od -180 o C do +180 o C a rozsah frekvencí měřeného signálu se může pohybovat od 20 Hz do 20 GHz. Měření je zaručeno, pokud je napětí vstupního signálu mezi 1 mV a 100 V, ale pokud napětí vstupního signálu překročí tyto limity, není zaručena přesnost měření.

Metody měření fázového úhlu

Existuje několik způsobů, jak měřit fázový úhel, jsou to:

1. Použití dvoupaprskového nebo dvoukanálového osciloskopu.
2. Kompenzační metoda je založena na porovnání naměřeného fázového posunu s fázovým posunem poskytovaným referenčním fázovým posunovačem.
3. Metoda součtu diference spočívá v použití harmonických nebo tvarovaných obdélníkových signálů.
4. Převod fázového posunu v časové oblasti.

Jak měřit fázový úhel pomocí osciloskopu

Oscilografickou metodu lze považovat za nejjednodušší s chybou asi 5 o. Posun je určen pomocí oscilogramů. Existují čtyři oscilografické metody:

1. Aplikace lineárního rozmítání.
2. Elipsová metoda.
3. Metoda kruhového skenování.
4. Použití značek jasu.

Určení úhlu fázového posunu závisí na charakteru zátěže. Při určování fázového posunu v primárním a sekundárním obvodu transformátoru lze úhly považovat za stejné a prakticky se od sebe neliší.

Fázový úhel napětí, měřený pomocí zdroje referenční frekvence a pomocí měřicího prvku, umožňuje zajistit přesnost všech následných měření. Fázová napětí a úhel fázového posunu závisí na zátěži, takže symetrická zátěž určuje rovnost fázového napětí, zátěžových proudů a úhlu fázového posuvu a zátěž z hlediska spotřeby energie na všech fázích elektroinstalace bude také stejná.

Fázový úhel mezi proudem a napětím v asymetrických třífázových obvodech není stejný. Pro výpočet úhlu fázového posunu (úhel φ) jsou v obvodu zahrnuty sériově zapojené odpory (rezistory), indukčnosti a kondenzátory (kondenzátory).

Rýže. č. 1 Sériové zapojení odporu, indukčnosti a kapacity pro výpočet fázového úhlu. V tomto obvodu protéká střídavý proud, který přispívá ke vzniku EMF.

Rýže. č. 2 Schéma provedení experimentu k určení fázového posunu mezi proudem a napětím. Vlevo jsou schémata zapojení kondenzátorů, tlumivek a rezistorů, vpravo výsledky experimentu.

Z výsledků experimentu lze určit, že fázový posun mezi napětím a proudem slouží k určení zátěže a nemůže záviset na proměnném proudu a napětí v elektrické síti.

Na závěr můžeme říci, že:

1. Základní prvky komplexního odporu, jako je odpor a kapacita, stejně jako vodivost, nebudou reciproční veličiny.
2. Absence jednoho z prvků činí odporové a reaktivní hodnoty, které jsou součástí komplexního odporu a vodivosti, a činí z nich reciproké veličiny.
3. Reaktivní veličiny v komplexním odporu a vodivosti se používají s opačným znaménkem.

Fázový úhel mezi napětím a proudem je vždy vyjádřen jako hlavní důvodný faktor v komplexním odporu φ.

Uvažujme samostatně případy připojení externího zdroje střídavého proudu k odporu s odporem R, kapacita kondenzátoru C a induktory L. Ve všech třech případech se napětí na rezistoru, kondenzátoru a cívce rovná napětí střídavého zdroje.

1. Rezistor ve střídavém obvodu

Odpor R se nazývá aktivní, protože obvod s takovým odporem pohlcuje energii.

Aktivní odpor – zařízení, ve kterém se energie elektrického proudu nevratně přeměňuje na jiné druhy energie (vnitřní, mechanická)

Nechte napětí v obvodu změnit podle zákona: u = Umcos ωt ,

pak se aktuální síla mění podle zákona: i = u/R = I_Rcosωt

u – okamžitá hodnota napětí;

i – okamžitá hodnota proudu;

I_R je amplituda proudu procházejícího rezistorem.

Vztah mezi amplitudami proudu a napětí na rezistoru je vyjádřen vztahem RI_R = U_R

Kolísání proudu je ve fázi s kolísáním napětí. (tj. fázový posun mezi proudem a napětím na rezistoru je nulový).

2. Kondenzátor ve střídavém obvodu

Když je kondenzátor připojen k obvodu stejnosměrného napětí, proud je nulový, a když je kondenzátor připojen k obvodu střídavého napětí, proud není nulový. Proto kondenzátor v obvodu střídavého napětí vytváří menší odpor než ve stejnosměrném obvodu.

Vztah mezi amplitudami proudu I_C a napětí

Proud předbíhá napětí ve fázi o úhel π/2.

3. Cívka ve střídavém obvodu

V cívce připojené k obvodu střídavého napětí je intenzita proudu menší než intenzita proudu v obvodu s konstantním napětím pro stejnou cívku. V důsledku toho cívka v obvodu střídavého napětí vytváří větší odpor než v obvodu stejnosměrného napětí.

Vztah mezi amplitudami proudu I_L a napětí U_L:

Proud se fázově zpožďuje od napětí o úhel π/2.

Nyní můžeme sestrojit vektorový diagram pro sériový RLC obvod, ve kterém dochází k vynuceným oscilacím při frekvenci ω. Protože proud protékající sériově zapojenými sekcemi obvodu je stejný, je vhodné sestrojit vektorový diagram vzhledem k vektoru znázorňujícímu oscilace proudu v obvodu. Amplitudu proudu označujeme jako I. Předpokládá se, že proudová fáze je nulová. To je docela přijatelné, protože fyzikální význam nemají absolutní fázové hodnoty, ale relativní fázové posuny.

Vektorový diagram na obrázku je konstruován pro případ, kdy nebo V tomto případě je napětí externího zdroje ve fázi před proudem tekoucím obvodem o určitý úhel φ.

Vektorový diagram pro sériový RLC obvod

Z obrázku je zřejmé, že

Z výrazu pro I je vidět, že amplituda proudu za dané podmínky nabývá maximální hodnoty

Jev zvýšení amplitudy proudových oscilací, když se frekvence ω vnějšího zdroje shoduje s vlastní frekvencí ω elektrický obvod se nazývá elektrická rezonance. Při rezonanci

Fázový posun φ mezi aplikovaným napětím a proudem v obvodu se při rezonanci stává nulovým. Rezonance v sériovém obvodu RLC se nazývá napěťová rezonance. Podobným způsobem, pomocí vektorového diagramu, můžete studovat jev rezonance při paralelním spojování prvků R, L и C (tzv proudová rezonance).

Při sekvenční rezonanci (ω = ω) amplitudy U_C и U_L Napětí na kondenzátoru a cívce se prudce zvýší:

Obrázek znázorňuje jev rezonance v sériovém elektrickém obvodu. Na obrázku je graficky znázorněna závislost poměru amplitud U_C napětí kondenzátoru na amplitudu napětí zdroje od jeho frekvence ω. Křivky na obrázku jsou tzv rezonanční křivky.