В современном мире электронная техника развивается семимильными шагами. Каждый день появляется что-то новое, и это не только небольшие улучшения уже существующих моделей, но и результаты применения инновационных технологий, позволяющих в разы улучшить характеристики.
Не отстает от электронной техники и приборостроительная отрасль – ведь чтобы разработать и выпустить на рынок новые устройства, их необходимо тщательно протестировать, как на этапе проектирования и разработки, так и на этапе производства. Появляются новая измерительная техника и новые методы измерения, а, следовательно – новые термины и понятия.
Для тех, кто часто сталкивается с непонятными сокращениями, аббревиатурами и терминами и хотел бы глубже понимать их значения, и предназначена эта рубрика.
Фазовый сдвиг – разность между начальными фазами двух переменных величин, изменяющихся во времени периодически с одинаковой частотой. Сдвиг фаз является величиной безразмерной и может измеряться в радианах (градусах) или долях периода. При неизменном, в частности нулевом сдвиге фаз говорят о синхронности двух процессов, или о выполненной синхронизации двух источников переменных величин.
Фазой (фазовым углом) называется угол φ = 2π*t/T, где Т — период, t — доля периода смещения по фазе при наложении синусоид друг на друга.
Фазовый сдвиг — явление, когда некоторые частоты (обычно ниже 100 Гц) слегка запаздывают после прохождения сигнала через прибор. Обычно фазовый сдвиг увеличивается чрезмерной эквализацией, и в высшей степени нежелателен.
Фазовый сдвиг — что это
Сдвиг фаз позволяет дать оценку двум волновым процессам во времени. Например, фазы двух синусоид будут сдвинутыми, если они пересекают нулевую точку в разные моменты времени. Первой это сделает синусоида с большей начальной фазой.
Следовательно, сдвигом фаз можно считать запаздывание первого сигнала относительно второго. Если сигналы колеблются с одинаковой частотой, то фазовый сдвиг становится причиной ослабления или усиления результирующего сигнала. В предельном случае (у сигналов фазы противоположных знаков) на выходе получается абсолютный ноль. Если сдвиг нулевой или является величиной постоянной, то говорят о когерентности (согласованности) двух волновых процессов. Сдвиг является постоянным при условии, что сигналы имеют одинаковую частоту. Если же частоты разные, он все время будет меняться.
Сдвинутые по фазе синусоиды
Фазовый сдвиг — величина безразмерная. Для его обозначения используют греческую букву . Данный параметр называют также углом сдвига, поэтому выражается он в градусах или радианах. Угол сдвига или сдвиг фаз характеризирует периодически изменяющийся параметр на определенной стадии. В электротехнике это ток, напряжение или ЭДС.
Урок 26. Что такое Фаза и Сдвиг Фаз
Угол фазового сдвига
Определяется значение угла сдвига фаз с помощью такой формулы:
Вычисление угла сдвига
Фазовый сдвиг между током и напряжением
В современной системе электроснабжения используется переменное напряжение, поскольку оно легко преобразуется по величине с помощью трансформаторов. Формула переменного напряжения выглядит так:
Формула напряжения
Величину тока можно определить, пользуясь законом Ома:
Формула тока
Как видно из последней формулы, значение тока в любой момент времени отличается от значения напряжения на некоторое значение R. Следовательно, ток по форме будет точно таким же, как и напряжение. Если же говорить более просто, ток и напряжение — это синусоидальные величины, которые изменяются с одинаковой частотой.
Когда в электроцепи отсутствуют конденсаторы и катушки индуктивности, то ток и напряжение совпадают по фазе. В цепи с конденсатором ток опережает напряжение на 1/4 периода (π/2), а при наличии индуктивности он отстает от напряжения на такую же величину. Если в цепи присутствует еще и активное сопротивление, то значение фазового сдвига будет меняться в пределах π/2 > > -π/2.
Фаза сигнала
Для начала порассуждаем, что такое — «фаза сигнала». Фаза сигнала никогда не существует сама по себе. Это виртуальное понятие. Вообще, можно сказать так: Фаза — это уровень сигнала в текущий момент времени, или иначе, – это уровень звукового давления в текущий момент времени в измеряемой точке пространства (к примеру, это место, где находится слушатель).
Вот картинка, изображающая звуковые волны в фазе. К примеру, звуковые сигналы двух каналов нашей акустики совпадают. В этом случае, музыка звучит чётко, без каких либо искажений. В музыкальном произведении можно услышать все задействованные инструменты, которые звукорежиссер слышал при записи. Имеется некая область звукового давления, где ощущается «эффект присутствия» — это то, о чем спорят меломаны и аудиофилы. Иными словами — получаем ожидаемый звук и впечатления.
На следующей картинке ниже, фаза смещена на 90 градусов, или на четверть фазы. Этот эффект можно услышать в виде небольшого эха. Это может и не связано с оборудованием самой комнаты. Эффект звуковой задержки с небольшим смещением фазы вносит некую сумятицу в музыку, теряется «картинка», исполнители «уходят в разные стороны», появляется ощущение, что находишься в огромном зале с каменными стенами. Звуки становятся не естественными, искаженными.
Далее, мы наблюдаем смещение фаз на 180 градусов. То есть, акустика в этом случае играет в противофазе. Чуть ниже подробно об этом. В данном случае, общая «звуковая картина» на столько становится не понятной, что слушать музыку становится просто не интересно и противно. Звуки становятся «ватные», многие часты просто могут отсутствовать, хотя они и воспроизводятся колонками. Может сложиться такое впечатление, что слушаешь музыку в завязанной шапке-ушанке.
Далее, немного теории без научных выкладок.
К примеру, слушая, сидя у себя дома, свои акустические системы, мы слышим, как они порождают в районе дивана те или иные переменные звуковые давления. Звуковые волны складываются друг с другом. Эти волны имеют разные частоты и амплитуду. Они то нарастают, то убывают.
Противофаза
А теперь предположим, что давления от обоих колонок (звуковые волны) изменяются одинаково, но имеют противоположную направленность. То есть, одна колонка излучает «плюсовые» волны, а другая колонка — «минусовые». Это может случиться, когда слушатель, случайно, перепутал клеммы подключения одного из каналов (левый канал например).
Немного проще. Динамики правой колонки играют вперёд, а динамики в левой колонке играют назад, одновременно пытаясь воспроизводить одну и туже частоту. Одна колонка создаёт давление, скажем, 1 Паскаль, а другая — минус 1 Паскаль. Такой эффект называется — противофаза.
Общая громкость звука в том месте, где находится слушатель, теоретически, должна стремится к нулю, но это не означает, что какой либо звук вообще будет не слышно. В этом случае, может сильно поломаться «звуковая сцена», «картинка» музыкального произведения, а в каком либо месте помещения звук реально будет затухать, но не совсем. Звук станет «смазанным» и исчезнут некоторые частотные составляющие из общего звукового сигнала.
Не будем вдаваться в непростую научную формулировку, приводя формулы. Можно сказать так, что из второй колонки звук доходит к слушателю, но с задержкой по времени (не забываем, что сигнал на колонки подаётся одинаковый!). И задержка в этом случае получается именно 180 градусов. Почему так? Попробуем разобраться на картинке, нагляднее — понятнее.
360 градусов – длина периода сигнала (Фаза), 180 градусов – половина периода сигнала.
4. Одинаковы ли горизонтальный и фазовый сдвиг?
Да, горизонтальный и фазовый сдвиг — это одно и то же. Так, вы можете получить горизонтальный сдвиг, вычислив изменения значения x. Если оно положительное, то оно увеличивается. Если оно положительное, то сдвигается вправо; если отрицательное, то влево. Этот горизонтальный сдвиг также известен как фазовый сдвиг (особенно в математике).
Калькулятор фазового сдвига использует широкий диапазон частот и задержку разности времен для расчета фазового сдвига или угла.
Фазовый сдвиг в системе переменных токов
Когда мы говорим о фазовом сдвиге в системе переменных токов, мы имеем в виду разницу во времени между напряжением и током, протекающим через цепь. Кроме того, фазовый сдвиг может указывать на отставание или опережение одной величины относительно другой.
Давайте представим себе ситуацию: у вас есть электрическая цепь, в которой течет переменный ток. В каком-то определенном моменте времени напряжение в цепи достигает своего максимума, а ток – минимума. Это означает, что ток отстает по времени от напряжения. Такой фазовый сдвиг определен как отрицательный, поскольку ток отстает от напряжения.
С другой стороны, фазовый сдвиг может быть положительным, когда ток опережает напряжение. В этом случае ток достигает своего максимума до того, как напряжение достигнет своего максимума. Это может произойти, например, в индуктивных цепях.
Фазовый сдвиг имеет важное значение при анализе и проектировании электрических систем. Он учитывается, когда рассматриваются такие параметры, как активная и реактивная мощность, а также при определении сопротивления и индуктивности цепи.
Формулы для расчета сдвига фаз
Если у нас есть величина тока (I) и величина напряжения (V) в схеме, мы можем использовать следующую формулу для расчета сдвига фаз:
φ = arccos(I/V)
Вычисление сдвига фаз происходит путем нахождения арккосинуса отношения тока к напряжению. Результат будет углом в радианах.
Угол сдвига фаз может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от того, вперед или назад идет смещение. Это можно определить, посмотрев на график синусоидальных кривых напряжения и тока.
Причины возникновения сдвига фаз
Одной из причин возникновения сдвига фазы является наличие емкостной или индуктивной нагрузки в электрической цепи. Например, если в цепи присутствует конденсатор, то ток будет опережать напряжение на фазовом угле в 90 градусов, так как конденсатор задерживает активную компоненту тока. В случае индуктивной нагрузки, напряжение будет опережать ток на фазовом угле в 90 градусов из-за задержки активной компоненты напряжения.
Еще одной причиной является наличие реактивного сопротивления в цепи, которое вызывается индуктивностью или емкостью отдельных элементов. Реактивное сопротивление вызывает задержку фазы тока или напряжения.
Факторы, такие как длина проводов и качество материалов, также могут вызывать сдвиг фазы. Например, при передаче сигнала по длинному проводу возможно возникновение сдвига фазы из-за времени, необходимого для распространения сигнала вдоль провода.
В итоге, причины возникновения сдвига фазы между напряжением и током включают в себя наличие емкостной или индуктивной нагрузки, наличие реактивного сопротивления и внешние факторы, такие как длина проводов и качество материалов. Понимание и учет этих причин важны для правильного функционирования электрических систем и оборудования.
Измерение фазового сдвига
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.
, в которых эти колебания имеют одинаковые фазы (рис. 11.1 а) рис. 11.1
 | ( 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
 | ( 11.2) |
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
 | ( 11.13) |
Метод неточен из-за трудности определения центра эллипса, но зато полученные формулы не зависят от соотношений Ux и Uy .
, 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 90 o 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.
Угол сдвига фаз напряжений в трехфазных цепях
Рассмотрим особенности углов сдвига фаз в трехфазных цепях переменного тока:
- Сдвиг фаз между линейными напряжениями. В трехфазной системе существуют линейные напряжения — между фазами (UAB, UBC и UCA). Они сдвинуты по фазе на угол 120°. Это обеспечивает равномерную передачу мощности от источника к потребителю.
- Сдвиг фаз между фазными напряжениями. Фазные напряжения (UA, UB и UC) отстают друг от друга по фазе тоже на 120°. Их векторная диаграмма образует правильный треугольник, что гарантирует постоянство амплитуды результирующей ЭДС.
- Несимметрия и нарушение сдвига фаз. При нарушении симметрии трехфазной цепи, например, из-за неисправности одной из фаз, происходит искажение векторной диаграммы и сдвига фаз. Это приводит к перегрузке отдельных элементов системы.
Контроль сдвига фаз для защиты оборудования
В трехфазных системах используются реле и датчики контроля сдвига фаз, которые отключают питание при возникновении опасных режимов из-за потери симметрии.
Современные цифровые устройства, такие как программируемые логические контроллеры, позволяют точно регулировать и поддерживать необходимый сдвиг фаз для оптимизации режимов работы оборудования.
