电容电感产生的相位差如何理解?

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电容和电感产生的相位差只是针对交流信号而言,即交流电在这两种元件上产生的电压和电流的相位变化。当正弦交流电流过电容时,电压总是落后于电流。而当正弦交流流过电感时,电流总是落后于电压。下面是具体分析。


电容相位差的理解

大家都知道电容的特性是通交流阻直流,其实电容并不是能真正的通过交流电,而是交流电对电容的反复充放电带来的电场变化而已,这个电场的变化就引起了电容上电压和电流的不同步,也就是相位差了。我们可以通过其原理来说明一下,当交流电源加在电容两端时,正半周首先会在电容两端的极板上汇聚电荷,这样就形成了充电电流,这是电容的充电过程,而电容两端的电压是随着充电来缓慢上升的,当处在负半周时,电容放电,电容上的电压随着放电电流缓慢减小,电压总是落后于电流,所以说电压和电流存在着相位差。

电感相位差的理解

电感和电容的特性相反,电感是通直流阻交流。当电源电压加到电感两端时,电感线圈由于电磁感应会产生一个相反的感应电压来阻止电流的通过,而随着电感两端的电压下降,电流再一点点的增加,电流总是落后于电压,所以说电压和电流之间存在相位差。

总而言之,电容两端的电压不能突变,电感上的电流不能突变,这样就形成了电压和电流相位的变化。


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先简单说明一下相位。相位的概念是针对交流电(或者说正弦信号)而言的,直流信号或者非周期变化信号等都没有相位的概念。



1. 电容上的电流超前压90°或者说电压落后电流90°相位。

原理解释:电容隔直流通交流,对于直流来说相当于断路,对交流来说相当于通路。电容对于交流电是充、放电过程。从充电过程看,先有电流(流动的电子或电荷)的积累才有在电容两极板上的电压变化,即电流总是超前于电压,或者说电压总是落后与电流。

直观理解:以水库大坝蓄水为例。水库的水源多来至上游的河流。水库相当于电容器,水相当于电荷,水流相当于电流,水压相当于电压。水库蓄水时,先有河水流到大坝内,水慢慢积累,水位升高,大坝才受到水的压力。即水流先于水压,也就是对电容器来说的电流先于电压。

2. 电感上的电流落后电压90°或者说感应电压超前电流90°相位。

原理解释:电感通直流阻交流。电感对于交流电来说是电、磁转换的过程。从过程看,电流接通电感,交流电流的周期变化引起电感线圈磁场的相应变化(即电生磁,电动机原理),而变化的磁场磁力线切割电感线圈又产生感应电动势和感应电流(即磁生电,发电机原理)。根据楞次定律,感应电流方向与充磁电流相反,延缓了充磁电流的变化,使得充磁电流相位落后于感应电压。

直观理解:还是以上述水库大坎为例。蓄满水后的水库相当于交流电源,大坎下游相当于电感。只有在大坎蓄水的情况下(即先有电压)才能开闸放水(即电流),同时大坎下游怪石横生阻碍水流前进产生阻力(即感生电动势)。也就是对于电感来说的电压先于电流。


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这种问题,如果说的很专业,不但很难说清楚,而且对普通用户来说没有必要。

大家都知道三相交流电,三相交流电其实三相的概念是完全一样的,只是差了一个初相角:三相交流电的三个线圈,匝数一样,线径一样,转速一样,但是,三相线圈在空间相差120度,所以,三相的瞬时电压、瞬时电流都不一样,但是,有效值是一样的。



电容,对于直流来说是开路,对于交流来说是容性阻抗。

电感,对于直流来说是短路,对于交流来说是感性阻抗。

因为交流电的磁场是交替变化的,所以,对于电容和电感来说,接入交流电中就会出现不停的充电和放电现象。

而且电容和电感的充电放电过程,恰恰和交流电的电角度有一个90°的电位角。

电容电流,超前交流电90°

电感电流,滞后交流电90°

因此,当功率因数低的时候,可以利用并联电容器提高功率因数。

因为电动机是感性负载,而电容是容性负载,从理论上来说,电感电容匹配的好的话,功率因数可以达到1.0



对于单相电机来说,其实是两相电机,在启动线圈串联电容,使启动线圈的磁场超前主线圈磁场90°,从而产生旋转磁场,单相电机的转子就可以连续运转了。

单相电机的运转方向,是从启动线圈向主线圈运转。所以,接线的时候可以决定转子的运转方向。

许多人不明白单相电机为什么都是正转?

其实,是接线的时候就人为接为“正转”了。


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电容电感产生的相位差如何理解?

答:可以从微观的电压和电流的变化来解释电感电容相位差。

电容:在交流电路中电容极板电压值是随着电源的电压变化而不断变化的,电流的产生是电容极板充电放电过程中产生的。常见的几种电容器,在电路中连接容量为C的电容,电容极板之间的电压为u,极板充电电荷q=Cu

在电路中电流I的定义为单位时间内流过电路截面积电量的总和I=dq/dt=d(Cu)/dt,因为C为常量,即i=Cdu/dt。

假设u=Asinwt,带入上述公式可以得到i=Awcoswt。根据电压和电流在直角坐标系中的曲线可以得出电流的相位角超前于电压相位角90°

电感:电感是能够把电能转换成磁场能储存起来的元件,在交流电路中,电流不断变化,在电流升高的时候会在电感中将部分电能转换成磁场能储存以限制电流的升高、在电流降低时电感器中的磁场能会转换成电能补充电流的降低。

电感器中储存磁场能的大小φ=Li

根据法拉第电磁感应定理u=n*dφ/dt=n*d(Li)/dt,因为L为常量,即u=nLdi/dt。

假设i=Asinwt,带入上述公式可以得到u=nLwcoswt,根据电压和电流在直角坐标系的曲线可以得到电压的相位角超前于电流90°


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电容是电压超前电流90度,所以有电路接通瞬间,电容视为短路,正常使用时电容两端电压不能突变。电感是电流超前电压90度,电路接通瞬间,电感视为开路,正常使用时电感两端电流不能突变。


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