Подробнее о «полярности» переменного тока

Комплексные числа полезны для анализа цепей переменного тока, поскольку они обеспечивают удобный метод символического обозначения фазового сдвига между величинами переменного тока, такими как напряжение и ток.

Однако большинству людей нелегко понять эквивалентность абстрактных векторов и реальных величин схемы. Ранее в этой главе мы видели, как источники переменного напряжения получают значения напряжения в сложной форме (величина и фазовый угол), а также маркировку полярности.

Поскольку у переменного тока нет установленной «полярности», как у постоянного тока, эта маркировка полярности и их отношение к фазовому углу имеют тенденцию вводить в заблуждение. Этот раздел написан с целью прояснить некоторые из этих вопросов.

Напряжение по своей сути относительное количество. Когда мы измеряем напряжение, у нас есть выбор, как мы подключить вольтметр или другой прибор для измерения напряжения к источнику напряжения, поскольку есть две точки, между которыми существует напряжение, и два измерительных провода на приборе, с помощью которых связь.

В цепях постоянного тока мы явно обозначаем полярность источников напряжения и падения напряжения, используя символы «+» и «-», а также используем испытательные провода с цветовой кодировкой (красный и черный). Если цифровой вольтметр показывает отрицательное напряжение постоянного тока, мы знаем, что его измерительные провода подключены «назад» к напряжению (красный провод подключен к «-», а черный провод - к «+»).

Полярность батарей обозначается внутренними символами:короткая сторона батареи всегда является отрицательной (-) стороной, а длинная сторона всегда положительной (+):(Рисунок ниже)

Обычная полярность батареи.

Хотя было бы математически правильно представить напряжение аккумулятора в виде отрицательного числа с маркировкой обратной полярности, это было бы явно нетрадиционным:(рисунок ниже)

Совершенно необычная маркировка полярности.

Интерпретация таких обозначений могла бы быть проще, если бы обозначения полярности «+» и «-» рассматривались как точки отсчета для измерительных проводов вольтметра, «+» означало «красный», а «-» означало «черный». Вольтметр, подключенный к указанной выше батарее с красным проводом к нижней клемме и черным проводом к верхней клемме, действительно будет указывать на отрицательное напряжение (-6 вольт).

На самом деле, эта форма обозначения и интерпретации не так уж необычна, как вы могли подумать:она часто встречается в задачах анализа сети постоянного тока, где знаки полярности «+» и «-» сначала рисуются согласно обоснованному предположению, а затем интерпретируются как правильные. или «назад» в соответствии с математическим знаком рассчитанной цифры.

Однако в цепях переменного тока мы не имеем дело с «отрицательными» величинами напряжения. Вместо этого мы описываем, в какой степени одно напряжение помогает или противостоит другому по фазе :временной сдвиг между двумя сигналами. Мы никогда не описываем переменное напряжение как отрицательное по знаку, потому что возможность полярной записи позволяет векторам указывать в противоположном направлении.

Если одно напряжение переменного тока прямо противоположно другому напряжению переменного тока, мы просто говорим, что одно из них на 180 ° не совпадает по фазе с другим.

Тем не менее, напряжение между двумя точками является относительным, и у нас есть выбор, как подключить прибор для измерения напряжения между этими двумя точками. Математический знак показаний вольтметра постоянного тока имеет значение только в контексте подключения его измерительных проводов:к какой клемме прикасается красный провод и к какой клемме прикасается черный провод.

Точно так же фазовый угол переменного напряжения имеет значение только в контексте знания, какая из двух точек считается «опорной» точкой. Из-за этого отметки полярности «+» и «-» часто помещаются на клеммах переменного напряжения на схематических диаграммах, чтобы дать заявленному фазовому углу систему отсчета.

Показания вольтметра при каждом подключении измерительного провода

Давайте рассмотрим эти принципы с помощью графических средств. Во-первых, принцип соотношения подключений измерительных проводов к математическому знаку показаний вольтметра постоянного тока:(рисунок ниже)

Цвета тестовых проводов служат ориентиром для интерпретации знака (+ или -) показаний счетчика.

Математический знак на дисплее цифрового вольтметра постоянного тока имеет значение только в контексте подключения его измерительных проводов. Рассмотрите возможность использования вольтметра постоянного тока для определения того, помогают ли два источника постоянного напряжения друг другу или противостоят друг другу, при условии, что оба источника не имеют маркировки относительно их полярности.

Использование вольтметра для измерения на первом источнике:(рисунок ниже)

(+) Значение показывает, что черный - (-), красный - (+).

Это первое измерение +24 на левом источнике напряжения говорит нам, что черный провод измерителя действительно касается отрицательной стороны источника напряжения №1, а красный провод измерителя действительно касается положительного полюса. Таким образом, мы знаем, что источник №1 - это батарея, обращенная в эту ориентацию:(рисунок ниже).

Источник 24 В поляризован (-) на (+).

Измерение другого неизвестного источника напряжения:(рисунок ниже)

(-) При чтении видно, что черный - (+), красный - (-).

Однако это второе показание вольтметра является отрицательным . (-) 17 вольт, что говорит нам о том, что черный измерительный провод фактически касается положительной стороны источника напряжения № 2, в то время как красный измерительный провод касается отрицательной стороны. Таким образом, мы знаем, что источник №2 - это батарея, обращенная противоположной направление:(рисунок ниже)

Источник 17 В поляризован (+) на (-)

Для любого опытного изучающего электричество постоянного тока должно быть очевидно, что эти две батареи противостоят друг другу. По определению, противоположные напряжения вычитаются друг от друга, поэтому мы вычитаем 17 вольт из 24 вольт, чтобы получить общее напряжение на обоих:7 вольт.

Однако мы могли бы изобразить два источника в виде невзрачных рамок, помеченных точными значениями напряжения, полученными с помощью вольтметра, а отметки полярности указывают на размещение испытательных проводов вольтметра:(рисунок ниже)

Показания вольтметра по метрам.

Значение маркировки полярности

Согласно этой схеме, отметки полярности (которые указывают на размещение измерительного провода) указывают на вспомогательные источники. друг с другом. По определению, помощь источникам напряжения добавить друг с другом, чтобы сформировать общее напряжение, поэтому мы добавляем 24 вольт к -17 вольт, чтобы получить 7 вольт:все же правильный ответ.

Если мы позволим маркировке полярности определять наше решение, складывать или вычитать значения напряжения - соответствуют ли эти маркировки полярности истинным полярность или ориентация измерительных проводов измерителя - и учитывать математические знаки этих значений напряжения в наших расчетах, результат всегда будет правильным.

Опять же, маркировка полярности служит ориентиром . разместить математические знаки цифр напряжения в соответствующем контексте.

То же верно и для переменного напряжения, за исключением того, что фазовый угол заменяет математический знак . Чтобы связать несколько напряжений переменного тока с разными фазовыми углами друг с другом, нам нужна маркировка полярности, чтобы обеспечить систему отсчета для фазовых углов этих напряжений. (Рисунок ниже)

Возьмем, к примеру, следующую схему:

Фазовый угол заменяет знак ±.

Маркировка полярности показывает, что эти два источника напряжения помогают друг другу, поэтому для определения общего напряжения на резисторе мы должны сложить значения напряжения 10 В 0 ° и 6 В 45 ° вместе дают 14,861 В 16,59 °.

Однако было бы вполне приемлемо представить 6-вольтовый источник как 6 В 225 °, с обратным набором маркировки полярности, и при этом получить такое же полное напряжение:(рисунок ниже)

Переключение проводов вольтметра на источнике 6 В меняет фазовый угол на 180 °.

6 В 45 ° с минусом слева и плюсом справа точно то же самое, что 6 В ∠ 225 ° с плюсом слева и минус справа:изменение полярности маркировки идеально дополняет добавление 180 ° к Обозначение фазового угла:(рисунок ниже)

Изменение полярности добавляет 180 ° к фазовому углу

В отличие от источников напряжения постоянного тока, символы которых определяют полярность посредством коротких и длинных линий, символы напряжения переменного тока не имеют собственной маркировки полярности. Следовательно, любые знаки полярности должны быть включены в качестве дополнительных символов на диаграмму, и не существует единого «правильного» способа их размещения.

Однако они должны коррелировать с заданным фазовым углом, чтобы отображать истинное фазовое соотношение этого напряжения с другими напряжениями в цепи.

ОБЗОР:

• Маркировка полярности иногда наносится на напряжение переменного тока в принципиальных схемах, чтобы обеспечить систему отсчета для их фазовых углов.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

• Рабочий лист сетевого анализа переменного тока