Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи переменного тока
Содержание
- 1 Определения и основные формулы
- 2 ПТ и активная нагрузка
- 3 Конденсатор в цепи ПТ
- 4 Индуктивность в цепи ПТ
- 5 Видео по теме
При транспортировке электрической энергии от мест её генерации (тепловые, атомные и гидроэлектростанции) до конечных потребителей необходимо неоднократно варьировать величину напряжения (понижать или повышать). С наибольшей эффективностью эти преобразования удаётся сделать, когда в линиях электропередачи используется переменное напряжение. При этом электрический ток, возникающий в результате действия переменного электрического поля, будет также переменным, изменяясь во времени периодически с такой же частотой. Если в сети присутствуют реактивные элементы (ёмкости, индуктивности), то возникает сдвиг фаз между переменным током и напряжением.
Определения и основные формулы
Переменным принято называть ток, изменяющийся с течением времени как по величине, так и по амплитуде. В английской технической литературе используется термин alternating current (AC). Он переводится как «чередующийся ток» или ток, изменяющий свою полярность.
Периодический переменный ток (ПТ) — это ток, который через идентичные интервалы времени принимает исходную величину, совершая таким образом циклический процесс, аналогичный гармоническому колебанию маятника. Гармонические колебания описываются с помощью синусоидальной функции:
Величина, которая определяется как произведение ω на t и имеет размерность угла (в радианах угол 90 градусов соответствует π/2 радиан), называется фазой синусоидальной переменной. В данном случае тока. Формула справедлива для случая, когда измерение тока стартует с точки отсчёта t = 0. В общем случае рабочая формула выглядит так:
Используя специальный измерительный прибор — осциллограф, можно наблюдать синусоиду напряжения на экране и определять её параметры.
ПТ и активная нагрузка
Если к источнику переменного тока подключено обычное сопротивление (резистор), то согласно закону Ома ток на резисторе, равен:
В приведенной выше формуле величина I0 = U0 / R — амплитуда ПТ. Видно, что ток в цепи с активным сопротивлением изменяется с течением времени абсолютно синхронно с напряжением.
Таким образом, на активной нагрузке угол сдвига фаз между током и напряжением равен нулю.
Конденсатор в цепи ПТ
Конструкция конденсатора препятствует протеканию постоянного тока, полностью его блокируя. Поочерёдно заряжаясь и разряжаясь конденсаторные пластины поддерживают ток в цепи, поскольку по определению ток I — это изменение заряда Q за единицу времени:
Ниже представлена картинка, объясняющая подключение конденсатора С к источнику переменного напряжения U.
Напряжение на конденсаторе в любой момент времени равно напряжению:
Тогда заряд Q(t) на обкладках конденсатора определим, используя выражение:
Пользуясь формулой для тока, получим первую производную от заряда по времени, которая равна ёмкостному току Ic(t):
Из графиков, представленных на картинке ниже, видно, что максимальная амплитуда тока наступает на четверть периода раньше, чем напряжения. Из этого следует, что фаза напряжения на π/2 радиан меньше фазы электротока. То есть, в цепи синусоидального тока существует отставание напряжения по фазе (фазовый сдвиг) на π/2.
Данное явление может быть объяснено по-другому. Из курса тригонометрии известно, что:
С помощью формул, приведенных выше, можно получить такое выражение:
Данное соотношение в явном виде показывает, что фазовый сдвиг равен π/2.
Индуктивность в цепи ПТ
Катушка индуктивности в цепях СПТ является реактивным элементом, поскольку ее активное сопротивление практически равно нулю. При подключении катушки также возникает фазовый сдвиг, но его причина несколько иная, чем в цепи с емкостью.
При практически нулевом омическом сопротивлении не может возникнуть короткое замыкание (резкий рост тока), поскольку переменный характер напряжения включает иной механизм сопротивления. Согласно закону, открытому британским учёным Майклом Фарадеем, в катушке появляется переменное магнитное поле, которое создает магнитный поток F, инициирующий появление электродвижущей силы (ЭДС самоиндукции) на концах катушки индуктивности:
В соответствии с законом Фарадея:
Откуда следует, что:
Используя данную формулу, находим определение для тока на индуктивности:
Как известно,
Следовательно, в идеальном индуктивном элементе угол сдвига фаз между напряжением и током равен π/2, причём ток отстаёт по фазе от напряжения.
Из графика видно, что максимум силы тока достигается на четверть периода позже, чем максимум напряжения, что соответствует отставанию по фазе на π/2.
От угла сдвига фаз зависит, какова будет реактивная мощность и, следовательно, коэффициент мощности, который выражается через cosφ и является очень важной характеристикой для оценки эффективности работы электрооборудования. Его значение может находиться в диапазоне от нуля до единицы. Если cosφ = 0, это означает, что в электроцепи присутствуют лишь реактивные токи. На практике такая ситуация невозможна, но чтобы потери мощности, связанные с реактивными токами, были меньше, используют компенсационные устройства.
Принцип действия таких устройств основывается на свойстве конденсаторов и катушек сдвигать фазу в противоположных направлениях. Компенсаторы зачастую используют в производственных цехах, где работает большое количество электрооборудования. Это приводит к ощутимым потерям электроэнергии и ухудшению качества электротока. Устройство компенсации решает подобные проблемы. Им успешно силу тока изменяют, если что-то сдвигают. Обычно такое устройство состоит из блоков конденсаторов довольно большой емкости, которые помещаются в отдельных шкафах.
Видео по теме
Рассмотрим
цепь переменного тока, состоящую из
последовательно соединенных сопротивления
R,
индуктивности L,
электроемкости С
и генератора
ЗГ (Рис.5). Пусть ЭДС генератора изменяется
по закону:
Тогда
сила тока в цепи будет изменяться по
тому же закону, но со сдвигом фазы:
.
Сдвиг
фазы можно определить теоретически
методом векторных диаграмм.
Известно,
что падение напряжения на активном
сопротивлении
совпадает
по фазе с током, падение напряжения на
индуктивности
,опережает
ток на π/2, а падение напряжения на емкости
,
отстает от тока на π/2.
Рис.5
Рис.6
Векторная
диаграмма напряжений для схемы,
изображенной на Рис. 5, показана на Рис.
6. Из рисунка видно, что разность фаз
между
и
(т.
е. между напряжением и током в цепи)
равна
(3).
Разность
фаз между током и напряжением в работе
создается с помощью фазовращающей
цепочки, которая состоит из последовательно
соединенных сопротивлений R
и емкости
С,
величины которых можно изменять в
процессе опыта (Рис. 5). В этом случае в
выражении (3) L=O
и для этой цели соотношение (3) упрощается,
и сдвиг фаз можно рассчитать по формуле:
(4),
где
v–
частота сигнала, снимаемого с генератора.
Для экспериментального определения
сдвига фаз используется основная фигура
Лиссажу – эллипс, который получается в
результате сложения напряжений одинаковой
частоты с генератора и с омического
сопротивления (см. Рис. 5).
Рис.7
Пусть
на Х-вход осциллографа подано напряжение,
изменяющееся со временем по закону:
а
на Y-вход – напряжение той же частоты, но
сдвинуто по фазе на φ0:
На
экране осциллографа будет наблюдаться
траектория движения электронного луча
в виде наклонного эллипса (см. Рис.5).
При х=О, получим
,
откуда
(5).
Таким
образом, для определения разности фаз
между током и напряжением достаточно
измерить максимальное отклонение луча
по вертикальной оси Y0
определить координату точки пересечения
эллипса с вертикальной осью Y и
воспользоваться формулой (5).
5Б. Проведение измерений по определению сдвига фаз.
Чтобы
создать сдвиг фаз между напряжениями,
подаваемыми на различные пластины,
пользуются фазовращающий цепочкой,
схема которой представлена на рис.7. В
такой цепочке падение потенциала на
омическом сопротивлении совпадает по
фазе, а падение потенциала на всей
цепочке отстает по фазе относительно
тока. Величина сдвига фазы определяется
постоянной времени цепочки =RС.
Измерение величины сдвига фазы
производится следующим образом.
Соберите
схему из звукового генератора, осциллографа
и фазовращающей цепочки согласно рис.
8. Частоту генератора сделайте равной
100 Гц,
а ручку «регул.
вых. сигн.»
поставьте посередине. Переключатели
осциллографа должны находиться в
положениях: «род
работы» – на
«усил.»,
«род
синхронизации»
– на «внешн.»,
«делитель»
1: К— 1: 100 или 1: 10.
Включите
генератор и осциллограф и, подобрав
разумную величину сигналов с помощью
ручек «синхронизация»
и «усиление
плавно»,
получите четкий эллипс. Ручками «смещение
X»
и «смещениеУ»
сместите
эллипс так, чтобы центр экрана совпадал
с пересечением осей эллипса. По сетке
шкалы экрана осциллографа замерьте
координату у
(при х
= 0) и амплитуду У0
и рассчитайте сдвиг фазы 0
(см. рис. 7).
Рис.8.
Повторите
измерения для различных комбинаций R
и С,
в соответствии
со значениями, указанными на панели
фазовращающей цепочки.
Заполните табл. 2, затем выключите
генератор и осциллограф.
Необходимо
зарисовать в масштабе четыре положения
эллипса для рассмотренных комбинаций
RС.
Таблица №3.
|
№ |
С,Ф |
R,Ом |
Y |
Y0 |
|
|
|
|
|
1 |
||||||||
|
2 |
||||||||
|
3 |
||||||||
|
4 |
Соседние файлы в папке 19 27 72 74 75
- #
- #
- #
- #
Сдвиг фаз переменного тока и напряжения
Мощность постоянного тока, как мы уже знаем, равна произведению напряжения на силу тока. Но при постоянном токе направления тока и напряжения всегда совпадают. При переменном же токе совпадение направлений тока и напряжения имеет место только в случае отсутствия в цепи тока конденсаторов и катушек индуктивности.
Для этого случая формула мощности
остается справедливой.
На рисунке 1 представлена кривая изменения мгновенных значений мощности для этого случая (направление тока и напряжения совпадают). Обратим внимание на то обстоятельство, что направления векторов напряжения и тока в этом случае совпадают, то есть фазы тока и напряжения всегда одинаковы.
Рисунок 1. Сдвиг фаз тока и напряжения. Сдвига фаз нет, мощность все время положительная.
При наличии в цепи переменного тока конденсатора или катушки индуктивности, фазы тока и напряжения совпадать не будут.
О причинах этого несовпадения читайте в моем учебники для емкостной цепи и для индуктивной цепи, а сейчас установим, как будет оно влиять на величину мощности переменного тока.
Представим себе, что при начале вращения радиусы-векторы тока и напряжения имеют различные направления. Так как оба вектора вращаются с одинаковой скоростью, то угол между ними будет оставаться неизменным во все время их вращения. На рисунке 2 изображен случай отставания вектора тока Im от вектора напряжения Um на угол в 45°.
Рисунок 2. Сдвиг фаз тока и напряжения. Фазы тока и напряжения сдвинуты на 45, мощность в некоторые периоды времени становиться отрицательной.
Рассмотрим, как будут изменяйся при этом ток и напряжение. Из построенных синусоид тока и напряжения видно, что когда напряжение проходит через ноль, ток имеет отрицательное значение.
Затем напряжение достигает своей наибольшей величины и начинает уже убывать, а ток хотя и становится положительным, но еще не достигает наибольшей величины и продолжает возрастать. Напряжение изменило свое направление, а ток все еще течет в прежнем направлении и т. д. Фаза тока все время запаздывает по сравнению с фазой напряжения. Между фазами напряжения и тока существует постоянный сдвиг, называемый сдвигом фаз.
Действительно, если мы посмотрим на рисунок 2, то заметим, что синусоида тока сдвинута вправо относительно синусоиды напряжения. Так как по горизонтальной оси мы откладываем градусы поворота, то и сдвиг фаз можно измерять в градусах. Нетрудно заметить, что сдвиг фаз в точности равен углу между радиусами-векторами тока и напряжения.
Вследствие отставания фазы тока от фазы напряжения его направление в некоторые моменты не будет совпадать с направлением напряжения. В эти моменты мощность тока будет отрицательной, так как произведение положительной величины на отрицательную величину всегда будет отрицательным. Эта значит, что внешняя электрическая цепь в эти моменты становится не потребителем электрической энергии, а источником ее. Некоторое количество энергии, поступившей в цепь во время части периода, когда мощность была положительной, возвращается источнику энергии в ту часть периода, когда мощность отрицательна.
Чем больше сдвиг фаз, тем продолжительнее становятся части периода, в течение которых мощность делается отрицательной, тем, следовательно, меньше будет средняя мощность тока.
При сдвиге фаз в 90° мощность в течение одной четверти периода будет положительной, а в течение другой четверти периода — отрицательной. Следовательно, средняя мощность тока будет равна нулю, и ток не будет производить никакой работы (рисунок 3).
Рисунок 3. Сдвиг фаз тока и напряжения. Фазы тока и напряжения сдвинуты на 90, мощность в течении одной четвери периода положительна, а в течении другой отрицательна. В среднем мощьноть равна нулю.
Теперь ясно, что мощность переменного тока при наличии сдвига фаз будет меньше произведения эффективных значений тока и напряжения, т. е. формулы
в этом случае будут неверны
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Похожие материалы:
Добавить комментарий
Проделаем следующий опыт. Возьмем описанный в § 153 осциллограф с двумя петлями и включим его в цепь так (рис. 305, а), чтобы петля 1 была включена в цепь последовательно с конденсатором, а петля 2 параллельно этому конденсатору. Очевидно, что кривая, получаемая от петли 1, изображает форму тока, проходящего через конденсатор, а от петли 2 дает форму напряжения между обкладками конденсатора (точками
и
), потому что в этой петле осциллографа ток в каждый момент времени пропорционален напряжению. Опыт показывает, что в этом случае кривые тока и напряжения смещены по фазе, причем ток опережает по фазе напряжение на четверть периода (на
). Если бы мы заменили конденсатор катушкой с большой индуктивностью (рис. 305, б), то оказалось бы, что ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода (на
). Наконец, таким же образом можно было бы показать, что в случае активного сопротивления напряжение и ток совпадают по фазе (рис. 305, в).
Рис. 305. Опыт по обнаружению сдвига фаз между током и напряжением: слева – схема опыта, справа – результаты
В общем случае, когда участок цепи содержит не только активное, но и реактивное (емкостное, индуктивное или и то и другое) сопротивление, напряжение между концами этого участка сдвинуто по фазе относительно тока, причем сдвиг фаз лежит в пределах от
до
и определяется соотношением между активным и реактивным сопротивлениями данного участка цепи.
В чем заключается физическая причина наблюдаемого сдвига фаз между током и напряжением?
Если в цепь не входят конденсаторы и катушки, т. е. емкостным и индуктивным сопротивлениями цепи можно пренебречь по сравнению с активным, то ток следует за напряжением, проходя одновременно с ним через максимумы и нулевые значения, как это показано на рис. 305, в.
Если цепь имеет заметную индуктивность
, то при прохождении по ней переменного тока в цепи возникает э. д. с. самоиндукции. Эта э. д. с. по правилу Ленца направлена так, что она стремится препятствовать тем изменениям магнитного поля (а следовательно, и изменениям тока, создающего это поле), которые вызывают э. д. с. индукции. При нарастании тока э. д. с. самоиндукции препятствует этому нарастанию, и потому ток позже достигает максимума, чем в отсутствие самоиндукции. При убывании тока э. д. с. самоиндукции стремится поддерживать ток и нулевые значения тока будут достигнуты в более поздний момент, чем в отсутствие самоиндукции. Таким образом, при наличии индуктивности ток отстает по фазе от тока в отсутствие индуктивности, а следовательно, отстает по фазе от своего напряжения.
Если активным сопротивлением цепи
можно пренебречь по сравнению с ее индуктивным сопротивлением
, то отставание тока от напряжения по времени равно
(сдвиг фаз равен
), т. е. максимум
совпадает с
, как это показано на рис. 305, б. Действительно, в этом случае напряжение на активном сопротивлении
, ибо
, и, следовательно, все внешнее напряжение
уравновешивается э. д. с. индукции, которая противоположна ему по направлению:
. Таким образом, максимум
совпадает с максимумом
, т. е. наступает в тот момент, когда
изменяется быстрее всего, а это бывает, когда
. Наоборот, в момент, когда
проходит через максимальное значение, изменение тока наименьшее
, т. е. в этот момент
.
Если активное сопротивление цепи
не настолько мало, чтобы им можно было пренебречь, то часть внешнего напряжения
падает на сопротивлении
, а остальная часть уравновешивается э. д. с. самоиндукции:
. В этом случае максимум
отстоит от максимума
по времени меньше, чем на
(сдвиг фаз меньше
), как это изображено на рис. 306. Расчет показывает, что в этом случае отставание по фазе
может быть вычислено по формуле
. (162.1)
При
имеем
и
, как это объяснено выше.
Рис. 306. Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи, содержащей активное и индуктивное сопротивления
Если цепь состоит из конденсатора емкости
, а активным сопротивлением можно пренебречь, то обкладки конденсатора, присоединенные к источнику тока с напряжением
, заряжаются и между ними возникает напряжение
. Напряжение на конденсаторе
следует за напряжением источника тока
практически мгновенно, т. е. достигает максимума одновременно с
и обращается в нуль, когда
.
Зависимость между током
и напряжением
в этом случае показана на рис. 307, а. На рис. 307, б условно изображен процесс перезарядки конденсатора, связанный с появлением переменного тока в цепи.
Рис. 307. а) Сдвиг фаз между напряжением и током в цепи с емкостным сопротивлением в отсутствие активного сопротивления. б) Процесс перезарядки конденсатора в цепи переменного тока
Когда конденсатор заряжен до максимума (т. е.
, а следовательно, и
имеют максимальное значение), ток
и вся энергия цепи есть электрическая энергия заряженного конденсатора (точка
на рис. 307, а). При уменьшении напряжения
конденсатор начинает разряжаться и в цепи появляется ток; он направлен от обкладки 1 к обкладке 2, т. е. навстречу напряжению
. Поэтому на рис. 307, а он изображен как отрицательный (точки лежат ниже оси времени). К моменту времени
конденсатор полностью разряжен (
и
), а ток достигает максимального значения (точка
); электрическая энергия равна нулю, и вся энергия сводится к энергии магнитного поля, создаваемого током. Далее, напряжение
меняет знак, и ток начинает ослабевать, сохраняя прежнее направление. Когда
(и
) достигнет максимума, вся энергия вновь станет электрической, и ток
(точка
). В дальнейшем
(и
) начинает убывать, конденсатор разряжается, ток нарастает, имея теперь направление от обкладки 2 к обкладке 1, т. е. положительное; ток доходит до максимума в момент, когда
(точка
) и т. д. Из рис. 307, а видно, что ток раньше, чем напряжение, достигает максимума и проходит через нуль, т. е. ток опережает напряжение по фазе.
Если активным сопротивлением цепи
нельзя пренебречь по сравнению с емкостным
, то ток опережает напряжение по времени меньше, чем на
(сдвиг фаз меньше
, рис. 308). Для этого случая, как показывает расчет, сдвиг фаз
может быть вычислен по формуле
. (162.2)
При
имеем
и
, как это объяснено выше.
Рис. 308. Сдвиг фаз между током и напряжением в цепи, содержащей активное и емкостное сопротивления
Угол сдвига фаз между током и напряжением
Начальные фазы электромагнитных синусоидальных колебаний первичного и вторичного напряжения, с частотой одинаковой величины, могут существенно различаться на некоторый угол сдвига фаз (угол φ). Переменные величины могут неоднократно в течение определенного периода некоторого времени изменяются с определенной частотой. Если электрические процессы имеют неизменный характер, а сдвиг фаз равен нулю, это свидетельствует о синхронизме источников величин переменного напряжения, например, трансформаторов. Сдвиг фазы служит определяющим фактором коэффициента мощности в электрических сетях переменного тока.
Угол сдвига фаз находится при необходимости, тогда, если один из сигналов является опорным, а второй сигнал с фазой в самом начале совпадает с углом сдвига фаз.
Измерение угла сдвига фаз производится прибором, в котором присутствует нормированная погрешность.
Фазометр может производить измерение угла сдвига в границах от 0 о до 360 о в некоторых случаях от -180 о С до +180 о С, а диапазон измеряемых частот сигналов может колебаться от 20Гц до 20 ГГц. Измерение гарантируется в том случае если напряжение входного сигнала равно от 1 мВ до 100 В, если же напряжение входного сигнала превышает эти границы точность измерения не гарантируется.
Треугольник мощностей и cos φ
Для наглядности изобразим полную мощность и её составляющие в виде векторов (см. рис. 2). Обозначим вектор полной мощности символом S, а векторам активной и реактивной составляющей присвоим символы P и Q, соответственно. Поскольку вектор S является суммой составляющих тока, то, по правилу сложения векторов, образуется треугольник мощностей.
Рис. 2. коэффициент мощности
Применяя теорему Пифагора, вычислим модуль вектора S:
Отсюда можно найти реактивную составляющую:
Реактивная составляющая
Выше мы уже упоминали, что реактивная мощность зависит от сдвига фаз, а значит и от угла этого сдвига. Эту зависимость удобно выражать через cos φ. По определению cos φ = P/S. Данную величину называют коэффициентом мощности и обозначают Pf. Таким образом, Pf = cos φ = P/S.
Коэффициент мощности, то есть cos φ, является очень важной характеристикой, позволяющей оценить эффективность работы тока. Данная величина находится в промежутке от 0 до 1.
Если угол сдвига фаз принимает нулевое значение, то cos φ = 1, а это значит что P = S, то есть полная мощность состоит только из активной мощности, а реактивность отсутствует. При сдвиге фаз на угол π/2 , cos φ = 0, откуда следует, что в цепи господствуют только реактивные токи (на практике такая ситуация не возникает).
Из этого можно сделать вывод: чем ближе к 1 коэффициент Pf , тем эффективнее используется ток. Например, для синхронных генераторов приемлемым считается коэффициент от 0,75 до 0,85.
Методы измерения угла сдвига фаз
Существует несколько способов измерения угла сдвига фаз, это:
- Использование двухлучевого или двухканального осциллографа.
- Компенсационный метод основан на сравнении измеряемого фазового сдвига, с фазовым сдвигом, который предоставляется образцовым фазовращателем.
- Суммарно-разностный метод, он заключается в использовании гармонических или сформированных прямоугольных сигналов.
- Преобразование сдвига фаз во временном интервале.
Способы компенсации
Мы уже выяснили, как влияют реактивные токи на работу устройств и оборудования с индуктивными или ёмкостными нагрузками. Для уменьшения потерь в электрических сетях с синусоидальным током их оборудуют дополнительными устройствами компенсации.
Принцип действия установок компенсации основан на свойствах индуктивностей и ёмкостей по сдвигу фаз в противоположные стороны. Например, если обмотка электромотора сдвигает фазу на угол φ, то этот сдвиг можно компенсировать конденсатором соответствующей ёмкости, который сдвигает фазу на величину – φ. Тогда результирующий сдвиг будет равняться нулю.
На практике компенсирующие устройства подключают параллельно нагрузкам. Чаще всего они состоят из блоков конденсаторов большой ёмкости, расположенных в отдельных шкафах. Одна из таких конденсаторных установок изображена на рисунке 3. На картинке видно группы конденсаторов, используемых для компенсации сдвигов напряжений в различных устройствах с индуктивными обмотками.
Рис. 3. Устройство компенсации
Компенсацию реактивной мощности ёмкостными нагрузками хорошо иллюстрируют графики на рисунке 4. Обратите внимание на то, как эффективность компенсации зависит от напряжения сети. Чем выше сетевое напряжение, тем сложнее компенсировать паразитные токи (график 3).
Рис. 4. Компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов
Устройства компенсации часто устанавливаются в производственных цехах, где работает много устройств на электроприводах. Потери электричества при этом довольно ощутимы, а качество тока сильно ухудшается. Конденсаторные установки успешно решают подобные проблемы.
Как измеряется угол сдвига фаз осциллографом
Осциллографический способ можно отнести к самому простейшему с погрешностью в районе 5 о . Определение сдвига осуществляется при помощи осциллограмм. Существует четыре осциллографических метода:
- Применение линейной развертки.
- Метод эллипса.
- Метод круговой развертки.
- Использование яркостных меток.
Определение угла сдвига фаз зависит от характера нагрузки. При определении фазного сдвига в первичной и вторичной цепях трансформатора, углы могут считаться равными и практически не отличаются друг от друга.
Угол сдвига фаз напряжений, измеряемый по эталонному источнику частоты и при использовании измерительного органа лает возможность обеспечить точность всех последующих измерений. Фазные напряжения и угол сдвига фаз зависят от нагрузки, так симметричная нагрузка обуславливает равенство фазного напряжения , токов нагрузки и угол фазного сдвига, также будет равна нагрузка по потребляемой мощности на всех фазах электроустановки.
Угол сдвига фаз между током и напряжением в несимметричных трехфазных цепях не равны друг другу. Для того чтобы вычислить угол сдвига фаз (угол φ) в цепь включают последовательно присоединенные сопротивления (резисторы), индуктивности и конденсаторы (емкости).
Рис. №1. Последовательное соединение сопротивления, индуктивности и емкости для вычисления угла сдвига фаз. В этом контуре протекает переменный ток, который способствует возникновению ЭДС.
Рис. №2. Схема проведения опыта по определению сдвига фаз между током и напряжением. Слева показаны схемы подключения конденсаторов, катушек индуктивности и резисторов, справа показаны результаты опыта.
Из результатов опыта можно определить, что сдвиг фаз между напряжением и током служит при определении нагрузки и не может зависеть от переменных величины тока и напряжения в электрической сети.
Как вывод, можно сказать, что:
- Составляющие элементы комплексного сопротивления, такие как резистор и емкость, а также проводимость не будут взаимообратными величинами.
- Отсутствие одного из элементов делает резистивные и реактивные значения, которые входят в состав комплексного сопротивления и проводимости и делают их величинами взаимообратными.
- Реактивные величины в комплексном сопротивлении и проводимости используются с противоположным знаком.
Угол сдвига фаз между напряжением и током всегда выражается, как главный аргументированный фактор комплексного сопротивления φ.
Источник
Измерение фазового сдвига
Фазовый сдвиг
Фазовым сдвигом называется модуль разности начальных фаз двух гармонических сигналов одной частоты и . Таким образом фазовый сдвиг равен . Он является постоянной величиной и не зависит от момента отсчёта.
Фазовый сдвиг можно выразить через разность моментов времени , в которых эти колебания имеют одинаковые фазы (рис. 11.1 а) рис. 11.1
Это определение распространяется на два периодических сигнала несинусоидальной формы (рис.11.1 б), если в момент перехода через ноль их напряжения изменяются в одну сторону (например, от положительных значений к отрицательным).
Рис. 11.1.
Необходимость измерения фазового сдвига возникает при исследованиях фазочастотных характеристик радиотехнических устройств, измерениях реактивной мощности, оценке свойств веществ.
Приборы для измерения разности фаз называют фазометрами или измерителями фазового сдвига и согласно ГОСТ15094 подразделяются на:
- Ф1 – установки и приборы для поверки измерителей фаз;
- Ф2 – измерители фаз;
- Ф3 – фазовращатели измерительные;
- Ф4 – измерители группового времени запаздывания.
Методы измерения фазового сдвига весьма разнообразны и зависят от диапазона частот, требуемой точности и от формы исследуемых сигналов. На практике нашли применение следующие методы:
- осциллографический;
- компенсационный;
- дискретного счета.
Осциллографический метод
Этот метод реализуется с помощью линейной, синусоидальной и круговой разверток.
Метод линейной развертки
Для этого используется двухлучевой или двухканальный осциллограф. На входы Y1 и Y2 подаются исследуемые сигналы. Частота развертки подбирается так, чтобы на экране наблюдалось 1-2 периода сигналов (рис.11.1 а). Измерив Т и по формуле определяют фазовый сдвиг, где ab и ac – измеренные на экране ЭЛТ длины отрезков.
Метод синусоидальной развертки
Метод может быть реализован с помощью однолучевого осциллографа. Один сигнал подается в канал Y, а второй – на канал Х (генератор развертки отключен). На экране осциллографа получается эллипс (рис. 11.2 рис. 11.2.), уравнение которого
где a, b – максимальные отклонения по горизонтали и вертикали соответственно.
Рис. 11.2.
Существует ряд методов определения фазового сдвига по полученной фигуре.
Метод 1.
Положив x=0 получим вертикальный отрезок . Если y=0, то горизонтальный отрезок . Следовательно , откуда можно определить
Метод неточен из-за трудности определения центра эллипса, но зато полученные формулы не зависят от соотношений Ux и Uy.
Метод 2.
Реализуется при условии a=b. В этом случае , где l1 — малая ось эллипса, l2 — его большая ось.
Метод 3.
При любых значениях a и b , где определяются по экрану ЭЛТ осциллографа.
Осциллографический метод прост, не требует дополнительных приборов, но не даёт однозначности (знак угла) и обладает большой субъективной погрешностью. Погрешность определения фазового сдвига составляет 5-10% из-за неточностей определения длин отрезков, искажений эллипса.
Метод круговой развертки
При использовании этого метода опорное напряжение с помощью фазовращателя ФВ расщепляется по фазе и в виде двух сдвинутых на 90o напряжений подается на вход усилителей У1 и У2 каналов X и Y (рис.11.3). Регулировкой коэффициентов усиления и установлением фазовой симметрии в обоих каналах добиваются получения круговой развертки.
Рис. 11.3.
Метод круговой развертки
Напряжение исследуемого сигнала подается на модулирующий электрод ЭЛТ (канал Z). На время отрицательного полупериода ЭЛТ запирается и на экране становится видимой только половина окружности. Для обеспечения необходимой точности измерений необходимо, чтобы трубка запиралась в моменты перехода сигнала через ноль, что обеспечивается применением усилителя-ограничителя УО.
В процессе измерения фазового сдвига на вход УО сначала подается опорное напряжение (положение 1) и по полуокружности на экране ЭЛТ отмечается положение диаметра mn, являющегося началом отсчета. Затем на УО подается измеряемый сигнал (положение 2) и отмечается положение pq. Измеряемый фазовый угол равен углу между прямыми mn и pq.
Источниками погрешности являются: непостоянство частоты круговой развертки, погрешность измерения угла между диаметрами, погрешность УО.
Нужны ли устройства компенсации в быту?
На первый взгляд в домашней сети не должно быть больших реактивных токов. В стандартном наборе бытовых потребителей преобладают электрическая техника с резистивными нагрузками:
- электрочайник (Pf = 1);
- лампы накаливания (Pf = 1);
- электроплита (Pf = 1) и другие нагревательные приборы;
Коэффициенты мощности современной бытовой техники, такой как телевизор, компьютер и т.п. близки к 1. Ими можно пренебречь.
Но если речь идёт о холодильнике (Pf = 0,65), стиральной машине и микроволновой печи, то уже стоит задуматься об установке синхронных компенсаторов. Если вы часто пользуетесь электроинструментом, сварочным аппаратом или у вас дома работает электронасос, тогда установка устройства компенсации более чем желательна.
