Понимание фазового сдвига AC: как волновые формы опережают и отстают

Когда два или более переменного тока (AC) напряжений или токов не синхронизированы — означая, что их пики и переходы через ноль не совпадают — мы говорим, что они выходят из фазы. Это явление, известное как фазовый сдвиг, является фундаментальной концепцией в анализе AC цепей.

Две волновые формы, не синхронизированные.

Две кривые на рисунке выше (Волна A и Волна B) имеют идентичную амплитуду и частоту, но смещены во времени. Используя стандартное синусоидальное представление — 0° при нулевой амплитуде, 90° при пике положительном, 180° обратно к нулю, 270° при пике отрицательном и 360° возвращаясь к нулю — мы можем количественно оценить это смещение углом в градусах.

Волна A опережает Волну B на 45°.

Дополнительные примеры иллюстрируют, как изменение угла меняет относительное время между двумя одинаковой частоты волновыми формами:

Иллюстрации разных фазовых сдвигов.

Поскольку частота одинакова, фазовая разница остается постоянной на протяжении всего сигнала. Поэтому мы описываем соотношение как «Напряжение А отстает от Напряжения Б на 45°». Волновая форма, приходящая первой, называется опережающей, а следующая за ней — отстающей.

Фазовый сдвиг изначально относительная мера; никакая волновая форма не обладает абсолютной фазой без референса. На практике напряжение питания AC системы служит референсной точкой, определенной как «0°». Все остальные напряжения и токи выражаются относительно этого референса.

В отличие от анализа DC, AC расчеты должны учитывать и амплитуду, и фазу. Операции вроде сложения, вычитания, умножения и деления выполняются над комплексными числами, которые естественным образом кодируют информацию об амплитуде и фазе. Владение комплексными числами поэтому необходимо для точного AC анализа цепей.

Для более глубокого погружения в математику, лежащую в основе этой темы, см. следующую главу, полностью посвященную комплексным числам.

Ключевые выводы

• Фазовый сдвиг относится к относительной временной разнице между двумя или более волновыми формами.
• Он выражается в градусах, основанных на стандартной синусоидальной фазовой оси.
• Опережающая волновая форма впереди другой; отстающая — позади.
• AC анализ требует и амплитуды, и фазы, и выполняется с использованием комплексных чисел.

Связанный рабочий лист

• Рабочий лист: Тригонометрия для AC цепей