¿Por qué es tan importante el ángulo de fase en ingeniería eléctrica?

Answer 1

También vimos que, como una cantidad alterna, las ondas sinusoidales tienen un valor máximo positivo en el tiempo π / 2, un valor máximo negativo en el tiempo 3π / 2, con valores cero a lo largo de la línea de base en 0, π y 2π.

Sin embargo, no todas las formas de onda sinusoidales pasarán exactamente a través del punto del eje cero al mismo tiempo, pero pueden ser “desplazadas” hacia la derecha o hacia la izquierda de 0o en algún valor en comparación con otra onda sinusoidal.

Por ejemplo, comparar una forma de onda de voltaje con la de una forma de onda de corriente. Esto produce un desplazamiento angular o diferencia de fase entre las dos formas de onda sinusoidales. Cualquier onda sinusoidal que no pase por cero en t = 0 tiene un cambio de fase.

La diferencia de fase o cambio de fase, como también se le llama a una forma de onda sinusoidal, es el ángulo Φ (letra griega Phi), en grados o radianes que la forma de onda ha cambiado desde un cierto punto de referencia a lo largo del eje horizontal cero. En otras palabras, el desplazamiento de fase es la diferencia lateral entre dos o más formas de onda a lo largo de un eje común y las formas de onda sinusoidales de la misma frecuencia pueden tener una diferencia de fase.

La diferencia de fase, Φ de una forma de onda alterna puede variar entre 0 y su período de tiempo máximo, T de la forma de onda durante un ciclo completo y esto puede estar en cualquier lugar a lo largo del eje horizontal entre, Φ = 0 a 2π (radianes) o Φ = 0 a 360o dependiendo de las unidades angulares utilizadas.

La diferencia de fase también se puede expresar como un cambio de tiempo de τ en segundos que representa una fracción del período de tiempo, T por ejemplo, + 10mS o – 50uS, pero en general es más común expresar la diferencia de fase como una medida angular.

Entonces, la ecuación para el valor instantáneo de un voltaje sinusoidal o una forma de onda de corriente que desarrollamos en la forma de onda sinusoidal anterior deberá modificarse para tener en cuenta el ángulo de fase de la forma de onda y se convierte en esta nueva expresión general.

Ecuación de diferencia de fase

• Dónde:
• Am – es la amplitud de la forma de onda.
• ωt – es la frecuencia angular de la forma de onda en radianes / seg.
• Φ (phi): es el ángulo de fase en grados o radianes que la forma de onda se ha desplazado hacia la izquierda o hacia la derecha desde el punto de referencia.

Si la pendiente positiva de la forma de onda sinusoidal pasa a través del eje horizontal “antes” t = 0, entonces la forma de onda se ha desplazado hacia la izquierda, entonces Φ> 0, y el ángulo de fase será de naturaleza positiva, + Φ dando un ángulo de fase principal. En otras palabras, aparece antes en el tiempo que 0

o

produciendo una rotación en sentido antihorario del vector.

Del mismo modo, si la pendiente positiva de la forma de onda sinusoidal pasa a través del eje x horizontal en algún momento “después” de t = 0, entonces la forma de onda se ha desplazado hacia la derecha, entonces Φ <0, y el ángulo de fase será negativo en la naturaleza. un ángulo de fase rezagado como aparece más tarde en el tiempo que 0

o

produciendo una rotación en sentido horario del vector. Ambos casos se muestran a continuación.

Relación de fase de una forma de onda sinusoidal

En primer lugar, consideremos que dos cantidades alternas, como un voltaje, vy una corriente, tienen la misma frecuencia ƒ en hercios. Como la frecuencia de las dos cantidades es la misma que la velocidad angular, ω también debe ser la misma. Entonces, en cualquier momento, podemos decir que la fase de voltaje, v, será la misma que la fase de la corriente, i.

Entonces, el ángulo de rotación dentro de un período de tiempo particular siempre será el mismo y la diferencia de fase entre las dos cantidades de v e i será, por lo tanto, cero y Φ = 0. Como la frecuencia del voltaje, v y la corriente, i son ambos deben alcanzar sus valores máximos positivos, negativos y cero durante un ciclo completo al mismo tiempo (aunque sus amplitudes pueden ser diferentes). Entonces se dice que las dos cantidades alternas, v e i están “en fase”.

Dos formas de onda sinusoidales: “en fase”

Ahora consideremos que el voltaje, vy la corriente, tengo una diferencia de fase entre ellos de 30o, entonces (Φ = 30o o π / 6 radianes). Como ambas cantidades alternas giran a la misma velocidad, es decir, tienen la misma frecuencia, esta diferencia de fase permanecerá constante durante todos los instantes en el tiempo, entonces la diferencia de fase de 30o entre las dos cantidades se representa por phi, como se muestra a continuación.

Answer 2

Los escritores anteriores respondieron muy bien la pregunta. Sin embargo, me gustaría agregar algunos hechos fundamentales, solo para asegurarme de que quien lea esto tenga una comprensión intuitiva del concepto discutido aquí.

El concepto del ángulo de fase no solo es importante en la ingeniería eléctrica. En una perspectiva de “señales y sistemas”, que es una abstracción matemática de muchos sistemas, ya sea mecánico, eléctrico, económico, etc., lo que aprende es que puede abstraer cualquier * sistema lineal invariante en un bloque, observe la relación entre su entrada y salida (dividiendo la salida por la entrada, obteniendo lo que se llama una función de transferencia ). Esta función de transferencia describe la ganancia del sistema como una abstracción matemática. Veamos un ejemplo concreto ahora.

Suponga que tiene un circuito que consiste en una resistencia, un inductor y un condensador, todos conectados en serie, con una fuente de voltaje sinusoidal.

Aquí hay algunos datos sobre el sistema entonces:

1. En cualquier momento, la corriente a través de cada componente es la misma, porque se deduce de la ley actual de Kirchhoff (las ecuaciones de Maxwell serían más profundas y precisas al respecto) de que las corrientes en un nodo son un juego de suma cero, a menos que existan cambiando los campos magnéticos, induciendo voltajes y, por lo tanto, corrientes en el sistema.
2. Hay diferentes caídas de voltaje en cada componente, pero en cualquier punto, suman la magnitud de la fuente de voltaje.
3. El consumo de energía del sistema puede cambiar porque tan pronto como introducimos cargas inductivas o capacitivas, la energía se almacena como un campo eléctrico o magnético, y es reacio a cambiar. Debido a esto, se producen ciertos retrasos en el sistema, mientras que con solo una resistencia, el voltaje y la corriente pueden cambiar instantáneamente a través de él.
4. La impedancia es básicamente una resistencia basada en la frecuencia. (En componentes en serie) A medida que avanza a frecuencias más altas, la impedancia del condensador disminuye y la impedancia del inductor aumenta, y viceversa.

Entonces, ahora que tenemos una base para discutir este circuito, aquí está la esencia de lo que estoy diciendo:

Puede tomar varias formas para resolver este sistema y encontrar la corriente, el voltaje, la potencia en cada componente o lo que se le solicite. Puede usar técnicas de estado estacionario de fasores, trigonometría, álgebra compleja, ecuaciones de Maxwell, ecuaciones diferenciales de segundo orden, etc. Ahora suponga que tiene una caja negra con este sistema, pero no tiene acceso a las entrañas del sistema, por lo que Realmente no podía escribir las ecuaciones diferenciales para cada componente y encontrar el resultado neto.

Por lo tanto, propongo una solución más simple y práctica que se aplica no solo a los circuitos, sino a cualquier sistema lineal invariante en el tiempo, que muestre no solo por qué el ángulo de fase es un concepto importante, sino por qué la visión de un sistema es crucial en ingeniería y su practicidad.

1. Resuma el sistema en algún bloque.
2. Etiquete la entrada y la salida del sistema. En nuestro caso, una fuente de voltaje de CA como entrada, y digamos … El voltaje a través del condensador como la salida.
3. Inicie el proceso de “ID del sistema”. Esto significa, comenzar a barrer este sistema de frecuencias bajas a frecuencias altas. Entonces comience desde DC (cero hercios) y suba a frecuencias cada vez más altas, según la capacidad de su generador de señales.
4. Registre la ganancia (la relación de la salida a la entrada) posiblemente en cada década (factores de 10) de la frecuencia, aunque puede obtener una mejor resolución si calcula la ganancia en más intervalos en una década determinada.
5. Si está dentro del rango, notará un gran pico en la ganancia del sistema. Esta es la frecuencia de resonancia. Para nuestro sistema particular, esto sucede cuando la impedancia del condensador y el inductor se cancelan, por lo que la impedancia total del circuito disminuye enormemente *** A esa frecuencia particular *** y la corriente aumenta. Nota: esto también puede ser peligroso si no tiene idea de los niveles de potencia del sistema y qué corrientes esperar.
6. Mire el retraso entre la salida y la entrada. Este es el ángulo de fase.
7. Trace tanto la función de transferencia (ganancia) como el ángulo de fase.
8. Si es posible, trace esto usando Matlab, y se dará cuenta de que este es un filtro de paso bajo . Es decir, dado que la entrada es una fuente de voltaje sinusoidal y la salida se toma a través del condensador, la salida será un múltiplo de la entrada con alguna diferencia de fase. Este filtro de paso bajo rechaza las frecuencias altas de la entrada (porque un condensador en altas frecuencias se comporta como un cortocircuito y hay cero voltaje en un cortocircuito), por lo que desde la perspectiva del sistema, alimentó, digamos 50 voltios, y salió cero Voltios, por lo que la entrada no pasó a la salida a esta frecuencia

* Sistema lineal invariante en el tiempo : un sistema que se comporta igual mañana que hoy, y donde su salida es linealmente proporcional a su entrada, en otras palabras, cumple el principio de linealidad y el principio de homogeneidad de los sistemas lineales.

* Linealidad : donde alimenta alguna entrada al sistema x1 y obtiene y1 como salida, en un momento dado, y otra entrada x2 y otra salida y2, en otro momento. Un sistema lineal obedecería lo siguiente: si sumara las dos entradas (x1 + x2) y lo alimentara al sistema, la salida sería la suma de las dos salidas individuales (y1 + y2)

* Homogeneidad : la salida de un sistema lineal es directamente proporcional a su entrada. Entonces a * x1 = a * y1 y b * x2 = b * y2 … entonces, en conjunto, un sistema lineal satisface la siguiente condición: a * x1 + b * x2 = a * y1 + b * y2

Answer 3

El ángulo de fase es el ángulo entre la resistencia equivalente y la reactancia equivalente de un circuito. Bueno, el valor más deseado del ángulo de fase es 0 grados porque la potencia reactiva sería cero.

Potencia reactiva = VIsin (ángulo)

V = voltaje

I = actual

Entonces, si el ángulo es de 0 grados, la potencia reactiva sería cero, por lo tanto, el factor de potencia del circuito sería 1, ya que se define como cos (ángulo).

Recuerde una cosa que la factura de electricidad que se genera está en la potencia activa consumida. Por lo tanto, el ángulo de fase es muy importante. Se requiere que las industrias mantengan la potencia reactiva, ya que la mayor parte de la carga industrial es un motor de inducción, por lo tanto, consume energía reactiva, por lo tanto, necesitan tener algunas medidas para corregir el factor de potencia, como conectar condensadores, de lo contrario, se les cobraría o penalizaría. Por lo tanto, el ángulo de fase es importante ya que decide el factor de potencia y la potencia consumida.

Answer 4

La fase es un tercio de la descripción de una señal de CA, junto con la amplitud y frecuencia pico. Sin conocer la fase, te falta mucha información. La importancia depende de la aplicación.

Por ejemplo, si suma 2 señales de CA del mismo voltaje pico en fase, obtiene una señal de CA con el doble del voltaje. Sin embargo, si están exactamente fuera de fase, no obtendrá nada. Ese principal se utiliza en circuitos de auriculares con cancelación de ruido, por ejemplo.

Otro ejemplo: si el voltaje no está en fase con la corriente en un cable de suministro de energía debido a la reactancia en el circuito (como una carga inductiva en un motor no compensado por un condensador), la potencia entregada se reduce, se formarán arcos cuando los interruptores se abren en cruces de voltaje cero, posiblemente causando fallas, incendios y explosiones. Eso es un poco importante, ¿verdad?

Answer 5

Generalmente me confundo cuando me preguntan sobre el ángulo de fase, porque hay un ángulo de fase que es el ángulo de voltaje en un sistema de CA y el factor de potencia que es el ángulo de fase entre el voltaje y la corriente.

En los modelos de sistemas de potencia se construyen sobre tres parámetros fundamentales: Voltaje, Impedancia y potencia, todos estos parámetros son complejos y necesitamos conocer tanto el módulo como el ángulo de fase (o partes reales e imaginarias) de estos parámetros para describir completamente el sistema. Por ejemplo, las ecuaciones de flujo de carga que describen la suma de potencias en un bus (derivado de Kirchhoff y Ohm lows), la potencia activa y reactiva es un sistema de alimentación de CA, son complejas y los parámetros V \ theta (ángulo de fase de voltaje), Y \ gamma, P y Q deben definirse:

\ [S_i = P_i – jQ_i \]

\ [P_i = V_i \ sum_ {j} ^ {n} V_jY_ {ij} cos (\ theta_i- \ theta_j- \ gamma_ {ij}) \]

\ [Q_i = V_i \ sum_ {j} ^ {n} V_jY_ {ij} sin (\ theta_i- \ theta_j- \ gamma_ {ij}) \]

En cuanto a la tensión, la potencia aparente S es un número complejo descompuesto en parte real (P potencia activa) y parte imaginaria (Q potencia reactiva) el factor de potencia es la relación entre la potencia activa y la potencia aparente cos phi = P / S.

Por qué es importante el ángulo de fase: el ángulo de fase de voltaje da una indicación sobre la estabilidad del sistema (pérdida de sincronismo, señal pequeña y estabilidad de ángulo). el ángulo de fase también debe verificarse cuando se deben conectar dos fuentes para evitar la corriente inversa.

Answer 6

Porque afecta la forma en que> el poder Una segunda razón por la que el ángulo de fase es importante es que es intrínseco al funcionamiento de los> filtros de frecuencia <, que juegan un papel dominante en toda la comunicación electrónica / radio.

Answer 7

En el análisis del sistema de potencia, las magnitudes y fases de los voltajes del bus generalmente funcionan como variables de estado.

En el análisis de flujo de carga, sabrá que la diferencia en las fases de dos buses hace que fluya la potencia activa. Por lo tanto, las fases están estrechamente relacionadas con el equilibrio de potencia activo y la estabilidad de frecuencia.