交流电中相位的意义是什么呢?在电路中有什么作用

相位的意义是什么呢?在电路中有什么作用

先讲一下交流电的产生机理：如下图所示交流发电机模型，转子绕组在磁场中以角频率ω做逆时针匀速转动时，根据右手定则判断，转子绕组的有效边（（ab、cd）切割磁力线，在其中就产生感生电动势和感应电流，由于有效边是在做圆周运动，因此电动势和感应电流是按正弦规律在周期性的变化，也就是其大小、方向做不断的变化，用公式表示u=Umsinωt。两个要素在周期性的变化：大小、方向。

图一 正弦交流发电机模型

若对于单一的一个正弦交流电，我们只知道它的大小就足够了，比如我们使用的市电220v，这就够了，你不需要探究它的其它参数。但不同的交流电就不行了，为什么呢？举个例子，如下图所示，A、B是两个乒乓球以相同的速度v、周期t在地面垂直上下弹跳，我们会发现，若A向上运动，B的运动有多种情况：1.B和A一样以相同的方向、幅度弹跳，也就是同时到达最高点，同时到达最低点，两个球在做同步运动。2.和A正好相反，A最高点时，B最低点，一上一下；3.B的弹跳和A差了某个时间，也就是介于前面两种情况之间，运动情况就多了。这就是相位问题。相位的意思：相就是状态，位就是位置，就是反映两个变量之间的关系。

图二 乒乓球弹跳情况

通过对两个乒乓球的弹跳分析，我们接着研究正弦交流电的变化规律。如图一，我们假定发电机的启动位置正好在a，也就是指中性面的位置，此时其启动电压为零（瞬时值）。如果其启动位置在是在b,那么发电机的起始电压为最大值Em。若在d位置，则启动电压为-Em；以上说的是发电机的有效边正好在特殊位置的情况，在其它位置的情况就更多了；这就是交流电的相位问题，由于其有效边的初始位置不同，导致其变化规律不同。如果两个不同的交流电相加或相减，由于其相位不同，则结果也不同，这正是交流电不同于直流电的重要地方之一。

图三 交流发电机模型

通过上面的分析我们明白了不同的交流电发电机若起始位置不同，则其变化规律也不同，单纯的u=Umsinωt已经无法完整表达交流电的特征，于是引入初相位φ,如下图四所示，也就是有效边与中性面的夹角。其值在-π-π之间。这样交流电完整的表达式u=Umsin（ωt+φ）以上分析我们是用交流发电机的原理来进行的，任何交流电都是这种情况。

图四 交流电的初相位

由于不同的交流电的初相位、幅值不同，u1=U1msin（ωt+φ1），u,2=U2msin（ωt+φ2），φ1与φ2之差就是相位差，它反映了两个交流电的相位关系，也即启动时的位置不同。如三相正弦交流电三组电压的波形图。瞬时值ua=Umsinωt，ub=Umsin（ωt-120°），uc=Umsin（ωt+120°），三相交流电初相位分别为0°、-120°、120°。相位差互为120°。矢量图如下图。

图五 三相交流电波形图与相量图

两个交流电a、b的相位差等于β度（大于零），称为a交流电超前于b交流电β度，或b交流电滞后于a交流电β度；若a、b的相位差等于零，称为a、b同相；若a、b的相位差等于180度，称为a、b反相；若a、b的相位差等于90度，则称为a、b交流电正交。

图六 同相、反相、正交关系图

常见的特殊的相位差：同相0度；30度（三相交流电线电压与相电压）、90度（纯电感、纯电容上的电压与电流之间）、120度（三相交流电三相电源之间）、180度（反相）

相位关系在电子电路中的应用。振荡电路的两个要素：相位平衡、振幅平衡，相位平衡就是反馈信号必须和输入信号同相（相位差0度），如下图所示变压器反馈式振荡电路。只有这种接法，反馈信号与输入电压才能同相，电路才具备振荡条件。LC谐振电路，就是在合适的元件参数下，其电压和电流处于同相。

图七 相位在振荡电路中的应用

相位在强电电路中的应用，下图是单相异步电动机电路图，在启动绕组中串联电容后，两组绕组的电流相位差90度，这样就能产生旋转磁场。

图八 单相异步电动机电路原理图

综上所述，交流电的相位是其重要特征，在表示、计算上与直流电有较大差别，掌握其机理，对于我们研究电路学意义重大。