В физике и технике , в фазора (в чемодане от фазового вектора [1] [2] ), представляет собой комплексное число , представляющее собой синусоидальную функцию которого амплитуда ( ), угловая частота ( ω ), и начальная фаза ( θ ) являются по времени инвариантный . Это связано с более общим понятием, называемым аналитическим представлением , [3]который разлагает синусоиду на произведение комплексной постоянной и множителя в зависимости от времени и частоты. Комплексная константа, которая зависит от амплитуды и фазы, известен как фазора , или комплексной амплитуды , [4] [5] и (в более старых текстах) Sinor [6] или даже complexor . [6]
Распространенной ситуацией в электрических сетях является наличие нескольких синусоид с одинаковой частотой, но с разными амплитудами и фазами. Единственное различие в их аналитических представлениях - это комплексная амплитуда (вектор). Линейная комбинация таких функций может быть разложена на произведение линейной комбинации векторов (известной как арифметика векторов ) и общего фактора, зависящего от времени / частоты.
Происхождение термина "фазор" справедливо предполагает, что (схематическое) исчисление, в некоторой степени подобное тому, которое возможно для векторов , возможно и для векторов. [6] Важной дополнительной особенностью преобразования векторов является то, что дифференцирование и интегрирование синусоидальных сигналов (имеющих постоянную амплитуду, период и фазу) соответствует простым алгебраическим операциям с вектором; бластера преобразования , таким образом , позволяет анализ (расчет) в сети переменного тока стационарного состояния в цепях RLC путем решения простых алгебраических уравнений (хотя и с комплексными коэффициентами) в области фазора вместо решениядифференциальные уравнения (с действительными коэффициентами) во временной области. [7] [8] Создателем векторного преобразования был Чарльз Протеус Стейнмец, работавший в General Electric в конце 19 века. [9] [10]
Если упустить некоторые математические детали, то векторное преобразование также можно рассматривать как частный случай преобразования Лапласа , которое дополнительно может использоваться для (одновременно) получения переходной характеристики схемы RLC. [8] [10] Однако преобразование Лапласа математически сложнее применить, и усилия могут быть неоправданными, если требуется только анализ установившегося состояния. [10]
Обозначение [ править ]
Обозначение фазора (также известное как обозначение угла ) - математическое обозначение, используемое в электронике и электротехнике . может представлять либо вектор или комплексное число , причем , оба из которых имеют величины 1. вектора, полярные координаты являются величиной и угла записывается [11]
Угол может быть указан в градусах с подразумеваемым преобразованием из градусов в радианы . Например , предполагается, что это вектор или число
Определение [ править ]
Формула Эйлера показывает, что синусоиды могут быть представлены математически как сумма двух комплекснозначных функций:
- [а]
или как реальная часть одной из функций:
Функция называется аналитическое представление о . На рисунке 2 это изображено как вращающийся вектор в комплексной плоскости. Иногда удобно обращаться к целой функции как бластер , [12] , как мы делаем в следующем разделе. Но термин " фазор" обычно подразумевает только статический вектор .
Арифметика [ править ]
Умножение на константу (скаляр) [ править ]
Умножение фазора на комплексную константу дает другой вектор. Это означает, что его единственный эффект - изменить амплитуду и фазу основной синусоиды:
В электронике будет представлять импеданс , не зависящий от времени. В частности, это не сокращенное обозначение другого фазора. Умножение векторного тока на импеданс дает векторное напряжение. Но произведение двух векторов (или возведение вектора в квадрат) будет представлять произведение двух синусоид, что является нелинейной операцией, которая создает новые частотные компоненты. Обозначение фазора может представлять только системы с одной частотой, такие как линейная система, стимулированная синусоидой.
Дополнение [ править ]
Сумма нескольких векторов дает другой вектор. Это потому, что сумма синусоид с одинаковой частотой также является синусоидой с этой частотой:
куда
- а если взять , то:
- если , то , с по знаковой функции ;
- если , то ;
- если , то .
или через закон косинусов на комплексной плоскости (или тригонометрическое тождество для угловых разностей ):
где .
Ключевым моментом является то, что A 3 и θ 3 не зависят от ω или t , что делает возможной векторную запись. Зависимость от времени и частоты может быть подавлена и повторно вставлена в результат при условии, что единственные операции, используемые между ними, - это те, которые производят другой вектор. В угловых обозначениях операция, показанная выше, записывается
Другой способ просмотра сложения состоит в том, что два вектора с координатами [ A 1 cos ( ωt + θ 1 ), A 1 sin ( ωt + θ 1 )] и [ A 2 cos ( ωt + θ 2 ), A 2 sin ( ωt + θ 2 )] являются добавляет векторно для получения результирующего вектора с координатами [ 3 совы ( ωt + θ3 ), A 3 sin ( ωt + θ 3 )] . (см. анимацию)
В физике такое сложение происходит, когда синусоиды конструктивно или деструктивно мешают друг другу. Концепция статического вектора обеспечивает полезное понимание таких вопросов, как: « Какая разность фаз потребуется между тремя идентичными синусоидами для идеального подавления? » В этом случае просто представьте, что вы берете три вектора одинаковой длины и размещаете их головой к хвосту так, чтобы последний голова совпадает с первым хвостом. Очевидно, что форма , которая удовлетворяет этим условиям равносторонний треугольник , так что угол между каждым вектором к следующему составляет 120 ° ( 2 & pi ; / 3 радиан), или одну треть длины волны λ / 3. Таким образом, разность фаз между каждой волной также должна составлять 120 °, как в случае с трехфазным питанием .
Другими словами, это показывает, что
В примере с тремя волнами разность фаз между первой и последней волнами составляла 240 градусов, в то время как для двух волн деструктивная интерференция происходит под углом 180 градусов. В пределе многих волн векторы должны образовывать круг для деструктивной интерференции, так что первый вектор почти параллелен последнему. Это означает, что для многих источников деструктивная интерференция возникает, когда первая и последняя волны различаются на 360 градусов, то есть на полную длину волны . Вот почему при дифракции на одной щели минимумы возникают, когда свет с дальнего края проходит на полную длину волны дальше, чем свет с ближнего края.
Поскольку единичный вектор вращается против часовой стрелки, его вершина в точке A совершит один полный оборот на 360 ° или 2 π радиан, представляющих один полный цикл. Если длина его движущегося наконечника переносится с разными угловыми интервалами во времени на график, как показано выше, синусоидальная форма волны будет нарисована, начиная слева с нулевого времени. Каждое положение по горизонтальной оси указывает время, прошедшее с момента нуля, t = 0. Когда вектор расположен горизонтально, вершина вектора представляет углы в 0 °, 180 ° и 360 °.
Точно так же, когда кончик вектора является вертикальной она представляет собой положительное пиковое значение, (+ макс ) при 90 ° или п / 2 и отрицательного пикового значения, (- макс ) на 270 ° или 3 л / 2 . Тогда ось времени сигнала представляет собой угол в градусах или радианах, на который переместился вектор. Таким образом, мы можем сказать, что вектор представляет собой масштабированное значение напряжения или тока вращающегося вектора, который «заморожен» в некоторый момент времени ( t ), а в нашем примере выше он находится под углом 30 °.
Иногда, когда мы анализируем чередующиеся формы сигналов, нам может потребоваться знать положение фазора, представляющего переменную величину в некоторый конкретный момент времени, особенно когда мы хотим сравнить две разные формы сигналов на одной оси. Например, напряжение и ток. В приведенной выше форме волны мы предположили, что она начинается в момент времени t = 0 с соответствующим фазовым углом в градусах или радианах.
Но если второй сигнал начинается слева или справа от этой нулевой точки, или если мы хотим представить в векторной нотации соотношение между двумя формами сигнала, тогда нам нужно будет принять во внимание эту разность фаз Φ формы сигнала. . Рассмотрим приведенную ниже диаграмму из предыдущего руководства по разнице фаз.
Дифференциация и интеграция [ править ]
Производная по времени или интеграл фазора дает другой вектор. [b] Например:
Следовательно, в векторном представлении производная синусоиды по времени становится просто умножением на константу .
Точно так же интегрирование фазора соответствует умножению на . Фактор, зависящий от времени , не изменяется.
Когда мы решаем линейное дифференциальное уравнение с помощью векторной арифметики, мы просто вычитаем все члены уравнения и снова вставляем их в ответ. Например, рассмотрим следующее дифференциальное уравнение для напряжения на конденсаторе в RC-цепи :
Когда источник напряжения в этой цепи синусоидальный:
мы можем заменить
где фазор , а фазор - неизвестная величина, которую необходимо определить.
В сокращенной системе обозначений векторов дифференциальное уравнение сводится к
- [c]
Решение для напряжения векторного конденсатора дает
Как мы видели, коэффициент умножения представляет собой разницу амплитуды и фазы относительно и .
В форме полярных координат это
Следовательно
Приложения [ править ]
Окружные законы [ править ]
С помощью векторов методы решения цепей постоянного тока могут применяться для решения линейных цепей переменного тока. Список основных законов приведен ниже.
- Закон Ома для резисторов: резистор не имеет временных задержек и, следовательно, не изменяет фазу сигнала, поэтому V = IR остается в силе.
- Закон Ома для резисторов, катушек индуктивности и конденсаторов: V = IZ, где Z - комплексный импеданс .
- В цепи переменного тока у нас есть активная мощность ( P ), которая является представлением средней мощности в цепи, и реактивная мощность ( Q ), которая указывает мощность, протекающую туда и обратно. Мы также можем определить комплексную мощность S = Р + JQ и кажущаяся мощность , которая является величиной S . Степенной закон для цепи переменного тока выражается в фазорах затем S = VI * (где я * является комплексно сопряженным из I , а величины напряжения и ток фазоров V и I является RMS значения напряжения и тока соответственно).
- Законы Кирхгофа работают с фазорами в сложной форме
Учитывая это, мы можем применить методы анализа резистивных цепей с векторами для анализа одночастотных линейных цепей переменного тока, содержащих резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности. Многочастотные линейные цепи переменного тока и цепи переменного тока с различными формами сигналов могут быть проанализированы для поиска напряжений и токов путем преобразования всех форм сигналов в компоненты синусоидальной волны (с использованием ряда Фурье ) с величиной и фазой, а затем анализировать каждую частоту отдельно, как это разрешено теоремой суперпозиции . Этот метод решения применяется только к входам, которые являются синусоидальными, и для решений, которые находятся в установившемся состоянии, то есть после того, как все переходные процессы исчезли. [13]
Эта концепция часто используется для представления электрического импеданса . В этом случае фазовый угол - это разность фаз между напряжением, приложенным к импедансу, и протекающим через него током.
Энергетика [ править ]
При анализе трехфазных систем питания переменного тока обычно набор векторов определяется как три комплексных кубических корня из единицы, графически представленные в виде единиц величин под углами 0, 120 и 240 градусов. Рассматривая величины многофазных цепей переменного тока как векторы, симметричные схемы можно упростить, а несимметричные схемы можно рассматривать как алгебраическую комбинацию симметричных компонентов . Такой подход значительно упрощает работу, необходимую для электрических расчетов падения напряжения, потока мощности и токов короткого замыкания. В контексте анализа энергосистем фазовый угол часто указывается в градусах , а величина - в среднеквадратичном значении, а не пиковая амплитуда синусоиды.
Технология синхрофазоров использует цифровые инструменты для измерения векторов, представляющих напряжения системы передачи в широко распространенных точках сети передачи. Различия между векторами указывают на поток мощности и стабильность системы.
Телекоммуникации: аналоговые модуляции [ править ]
Изображение вращающегося кадра с использованием фазора может быть мощным инструментом для понимания аналоговой модуляции, такой как амплитудная модуляция (и ее варианты [14] ) и частотная модуляция .
, где член в скобках рассматривается как вращающийся вектор в комплексной плоскости.
Вектор имеет длину , вращается против часовой стрелки со скоростью вращения в секунду и в момент времени составляет угол относительно положительной действительной оси.
Затем форму волны можно рассматривать как проекцию этого вектора на действительную ось.
- Модуляция AM: векторная диаграмма одиночного тона частоты
- Модуляция FM: векторная диаграмма одного тона частоты
См. Также [ править ]
- Синфазная и квадратурная составляющие
- Аналитический сигнал , обобщение векторов для изменяющихся во времени амплитуды, фазы и частоты.
- Сложный конверт
- Фазовый коэффициент , вектор единичной величины
Сноски [ править ]
- ^
- i - мнимая единица ( ).
- В текстах по электротехнике воображаемая единица часто обозначается буквой j.
- Частота волны в Гц равна .
- ^ Это вытекает из, что означаетчто комплекс экспоненциальное является собственной функцией от производной операции.
- ^
- Доказательство
( Уравнение 1 )
Поскольку это должно выполняться для всех , в частности:, отсюда следует, что
( Уравнение 2 )
Также легко увидеть, что
Подставляя их в уравнения 1 и 2 , умножая уравнение 2 на и складывая оба уравнения, получаем
Ссылки [ править ]
- ^ Хью Фокс; Уильям Болтон (2002). Математика для инженеров и технологов . Баттерворт-Хайнеманн. п. 30 . ISBN 978-0-08-051119-1.
- ^ Клей Роулинс (2000). Основные схемы переменного тока (2-е изд.). Newnes. п. 124 . ISBN 978-0-08-049398-5.
- ^ Bracewell, Рон. Преобразование Фурье и его приложения . McGraw-Hill, 1965. стр. 269.
- ^ KS Суреш Кумар (2008). Электрические схемы и сети . Pearson Education India. п. 272. ISBN. 978-81-317-1390-7.
- ^ Kequian Чжан; Децзе Ли (2007). Электромагнитная теория для микроволн и оптоэлектроники (2-е изд.). Springer Science & Business Media. п. 13. ISBN 978-3-540-74296-8.
- ^ a b c Дж. Хиндмарш (1984). Электрические машины и их применение (4-е изд.). Эльзевир. п. 58. ISBN 978-1-4832-9492-6.
- ^ Уильям Дж. Экклс (2011). Прагматическая электротехника: основы . Издатели Morgan & Claypool. п. 51. ISBN 978-1-60845-668-0.
- ^ а б Ричард К. Дорф; Джеймс А. Свобода (2010). Введение в электрические схемы (8-е изд.). Джон Вили и сыновья. п. 661 . ISBN 978-0-470-52157-1.
- ^ Аллан Х. Роббинс; Вильгельм Миллер (2012). Цепной анализ: теория и практика (5-е изд.). Cengage Learning. п. 536. ISBN. 1-285-40192-1.
- ^ a b c Вон Ю. Ян; Сын С. Ли (2008). Схемотехнические системы с MATLAB и PSpice . Джон Вили и сыновья. С. 256–261. ISBN 978-0-470-82240-1.
- ^ Нильссон, Джеймс Уильям; Ридель, Сьюзан А. (2008). Электрические схемы (8-е изд.). Прентис Холл. п. 338. ISBN 0-13-198925-1., Глава 9, страница 338
- ^ Singh, Равиш R (2009). «Раздел 4.5: Фазорное представление переменных величин». Электрические сети . Макгроу Хилл Высшее образование. п. 4.13. ISBN 0070260966.
- ^ Клейтон, Пол (2008). Введение в электромагнитную совместимость . Вайли. п. 861. ISBN 978-81-265-2875-2.
- ^ де Оливейра, Х.М. и Нуньес, Ф. Д. О фазорных путях в аналогичных амплитудных модуляциях . Международный журнал исследований в области инженерии и науки (IJRES) Том 2, № 1, январь, стр. 11–18, 2014 г. ISSN 2320-9364
Дальнейшее чтение [ править ]
- Дуглас К. Джанколи (1989). Физика для ученых и инженеров . Прентис Холл. ISBN 0-13-666322-2.
- Дорф, Ричард С .; Талларида, Рональд Дж. (1993-07-15). Карманный справочник формул электротехники (1-е изд.). Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. С. 152–155. ISBN 0849344735.
Внешние ссылки [ править ]
Викискладе есть медиафайлы по теме фазоров . |
- Фазорная фабрика
- Визуальное представление фазоров
- Полярное и прямоугольное обозначение