Přeskočit na obsah

Fázor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Na tuto kapitolu jsoupřesměrovánaheslaKomplexní amplituda,kvantový-mechanický konceptaKomplexní pravděpodobnost amplituda.
Příklad sériovéhoRLC obvodua jehofázorový diagrampro určitéω

Fázorje vefyziceainženýrstvíotáčivývektor,reprezentujícíharmonickou funkci,jejížamplituda(A),úhlová frekvence(ω) apočáteční fáze(θ) nejsou v čase proměnné.

Fázory se zakreslují do roviny, v pokročilejších výpočtech se používásymbolicko-komplexní metodareprezentace fázorů, kdy jsou koncové body fázorů zobrazeny vkomplexní rovině.Fázor má souvislost s obecnějším konceptem zvanýmanalytická reprezentace,[1]která rozkládá sinusoidu na součin komplexní konstanty s členem, který zapouzdřuje závislost na frekvenci a čase. Komplexní konstanta, které zapouzdřuje závislost na amplitudě a fázi, se nazýváfázor(vzniklýuniverbizacíze spojenífázový vektor)[2][3],komplexní amplituda,[4][5]a (ve starších textech)sinor[6]nebo dokoncecomplexor[6].

Velektrických obvodechčasto pracujeme s více sinusovými průběhy, které mají stejnou frekvenci, ale různé amplitudy a fáze. V analytické reprezentaci se liší pouze svou komplexní amplitudou (fázorem). Lineární kombinaci takových funkcí lze rozložit na součin lineárních kombinací fázorů (známý jakofázorová aritmetika) a člen závislý na čase či frekvenci, který mají všechny společné.

Původ termínu fázor správně naznačuje, že grafické znázornění operací svektorylze použít také pro fázory[6].Důležitou přídavnou vlastností fázorové transformace je, žederivaceaintegracesinusových signálů (s konstantní amplitudou, periodou a fází) odpovídá jednoduchým algebraickým operacím na fázorech; fázorová transformace tedy umožňujeanalýzu(výpočet)střídavéhoustáleného stavuRLC obvodůřešením jednoduchýchalgebraických rovnic(avšak s komplexními koeficienty) ve fázorové doméně místo řešenídiferenciálních rovnic(s reálnými koeficienty) v časové doméně[7][8].Autorem fázorové transformace jeCharles Proteus Steinmetz,který byl na konci 19. století zaměstnán ve firměGeneral Electric[9][10].

Pokud si odmyslíme určité matematické detaily, můžeme fázorovou transformaci považovat za určitý případLaplaceovy transformace,kterou lze navíc použít pro (simultální) odvozenítranzientní odezvyRLC obvodu[8][10].Laplaceovu transformaci je však matematicky obtížnější aplikovat, a toto větší úsilí může být zbytečné, pokud požadujme pouze analýzu v ustáleném stavu.[10]

Obr 2. Znázorníme-li funkcivkomplexní rovině,vektor tvořený její imaginární a reálnou složkou rotuje okolo počátku. Jeho magnituda jeAa vektor vykoná jeden cyklus každých 2π/ω sekund. θ je úhel který svírá s reálnou osou v časet= n•2π/ω pro celočíselné hodnoty n.

PodleEulerova vzorcelze sinusový průběh matematicky reprezentovat jako součet dvoukomplexníchfunkcí:

[pozn. 1]

nebo jakoreálnou částjedné z funkcí:

Funkcinazývámeanalytickou reprezentacífunkce.Obrázek 2 ji zobrazuje jako otáčející se vektor vkomplexní rovině.Někdy se označenífázorpoužívá pro celou funkci,[11]jako to děláme v další části. Ale termínfázorobvykle naznačuje pouze statický vektor.Ještě kompaktnější reprezentacífázorujeúhlová notace:.Viz takévektorová notace.

Fázorová aritmetika

[editovat|editovat zdroj]

Násobení konstantou

[editovat|editovat zdroj]

Výsledkem násobení fázorukomplexní konstantouje fázor. Dojde pouze ke změně amplitudy a fáze podkladových sinusoid:

V elektronicereprezentujeimpedanci,která je nezávislá na čase. Nejde o zkrácenou notaci pro jiný fázor. Násobení fázoru proudu impedancí dává fázor napětí. Ale součin dvou fázorů (nebo druhá mocnina fázoru) reprezentuje součin dvou sinusových průběhů, což je nelineární operace, která produkuje nové frekvenční komponenty. Pomocí fázorové notace můžeme reprezentovat pouze systémy s jednou frekvencí, jako například lineární systém buzený sinusoidou.

Derivování a integrace

[editovat|editovat zdroj]

Výsledkem derivace nebo integrálu fázoru podle času je také fázor.[pozn. 2]Například:

Proto je ve fázorové reprezentaci časová derivace sinusového průběhu reprezentována jednoduše násobením konstantou.

Podobně integrování fázoru odpovídá jeho násobení hodnotou.Časově závislý členje nezměněn.

Pokud řešímelineární diferenciální rovnicipomocí fázorové aritmetiky, pouze vytknemeze všech členů rovnice a vložíme jej zpět do výsledku. Uvažujme například následující diferenciální rovnici pro napětí na kondenzátoru vRC obvodu:

Je-li napětí zdroje v tomto obvodu sinusové:

můžeme dosadit

kde fázora fázorje neznámá hodnota, kterou je potřeba nalézt.

Ve zkracené fázorové notaci má diferenciální rovnice tvar

[pozn. 3]

Řešením fázoru napětí na kondenzátoru dává

Jak jsme viděli, člen, který násobíreprezentuje rozdíly amplitudy a fázevhledem ka.

V polárních souřadnicích máme

A odtud

Sčítání fázorů jako sčítání otáčejících se vektorů

Součtem několika fázorů je opět fázor, protože součet sinusových průběhů se stejnou frekvencí je opět sinusový průběh se stejnou frekvencí:

kde

a jestliže vezmeme,pak:
  • ,jestliže,pak,kdejefunkce signum;
  • ,jestliže,pak;
  • ,jestliže,pak.

nebo pomocíkosinové větyvkomplexní rovině(nebotrigonometrické identity pro rozdíl úhlů):

kde.

ProtožeA3aθ3nezávisí naωani nat,můžeme používat fázorovou notaci. Časovou a frekvenční závislost lze potlačit a znovu vložit do výsledku, pokud v mezikrocích používáme pouze takové operace, které produkují jiný fázor. Vúhlové notacilze operace uvedené výše zapsat jako

Na sčítání lze také pohlížet tak, že provádímevektorový součetdvouvektorůse souřadnicemi[A1cos(ωt+θ1),A1sin(ωt+θ1) ]a[A2cos(ωt+θ2),A2sin(ωt+θ2) ],jehož výsledkem je vektor se souřadnicemi[A3cos(ωt+θ3),A3sin(ωt+θ3) ].(viz animace)

Fázorový diagram tří vln v dokonale destruktivní interferenci

Ve fyzice se tento druh sčítání objevuje, když se dva sinusové průběhynavzájem ruší,konstruktivně nebo destruktivně. Statický vektorový koncept poskytuje jednoduché pochopení otázek jako: „Jaký má být fázový rozdíl mezi třemi identickými sinusovými průběhy pro jejich vzájemné dokonalé vyrušení?“Nejjednodušší je si v tomto případě představit tři vektory shodné velikosti a umístit je tak, že každý z nich začíná na konci předchozího a poslední končí na začátku prvního. Výsledkem je zřejmě rovnostrannýtrojúhelník,takže úhel mezi jednotlivými fázory je 120° (2radiánů) nebo jedna třetina vlnové délkyλ3.Fázový rozdíl mezi vlnami tedy musí být také 120°, jako v případětrojfázové soustavy.

Tato úvaha ukazuje, že řešením je

V příkladu se třemi vlnami byl fázový rozdíl mezi první a poslední vlnou 240 stupňů, zatímco pro dvě vlny nastane destruktivní interference pro fázový rozdíl 180 stupňů. V limitním případě musí fázory vytvářet kružnici, aby došlo k destruktivní interferenci, takže první fázor je téměř rovnoběžný s posledním. To znamená, že v případě mnoha zdrojů dojde k destruktivní interferenci, když se první a poslední vlna liší o 360 stupňů, plnou vlnovou délku.To je důvod, proč se přidifrakcina štěrbině objeví minima, kdyžsvětloze vzdálené hrany putuje o plnou vlnovou délku další vzdálenost než světlo z blízké hrany.

Když vektor rotuje proti směru hodinových ručiček, jeho konec vykoná jednu úplnou otáčku o 360° nebo 2π radiánů reprezentující jeden úplný cyklus. Pokud by délka jeho se pohybujícího se konce byla přenesena v různých úhlových intervalech v čase do grafu jak je ukázáno výše, sinusový tvar vlny byl vybrán začínající vlevo s nula čas. Pozice na horizontální ose udávají dobu, která uplynula od času nula,t= 0. Když je vektor orientován vodorovně, reprezentuje úhly 0°, 180° a 360°.

Obdobně když vektor směřuje svisle nahoru, reprezentuje kladnou špičkovou hodnotu ( +Amax) pro úhel 90° neboπ2,a zápornou špičkovou hodnotu ( −Amax) pro úhel 270° nebo2.Pak časová osa tvaru vlny reprezentuje úhel buď ve stupních nebo v radiánech o kolik se fázor pohl. Takže můžeme říct, že fázor reprezentuje sníženou hodnotu napětí nebo proudu otáčejícího se vektoru, který je „zmrazený “v nějakém časovém okamžikut.V našem příkladu výše je to úhel 30°.

Někdy, když analyzujeme střídající se tvary vln můžeme potřebovat znát pozici fázoru reprezentující proměnnou velikost v nějakém časovém okamžiku, zvláště když chceme porovnávat dva různé tvary vln na stejné ose. Například napětí a proud. V případě výše jsme předpokládali, že průběh začíná v časet= 0 s odpovídajícím fázovým úhlem buď ve stupních nebo v radiánech.

Pokud však druhý tvar vlny začíná vlevo nebo vpravo od tohoto nulového bodu, nebo jestliže chceme reprezentovat ve fázorové notaci vztah mezi dvěma tvary vln, pak budeme potřebovat vzít v úvahu tento fázový rozdíl,Φtvaru vlny. Uvažujme diagram níže z předchozího tutoriálu o fázovém rozdílu.

Obvodové zákony

[editovat|editovat zdroj]

S pomocí fázorů lze pro řešení střídavých obvodů používat techniky pro řešenístejnosměrných obvodů.Přitom lze používat následující základní zákony:

  • Ohmův zákon pro rezistory:rezistor nemá žádné zpozdění a proto nemění fázi signálu, protoV=IRzůstává v platnosti.
  • Ohmův zákon pro rezistory, indukčnosti a kondenzátory:V=IZkdeZje komplexníimpedance.
  • Ve střídavém obvodu máme reálný výkon (P) který reprezentuje průměrný příkon do obvodu a jalový (reaktivní) výkon (Q) který indikuje výkon tekoucí zpět a dopředu. Můžeme také definovatkomplexní výkonS=P+jQa zdánlivý výkon který je magnitudouS.Zákon výkonu pro střídavý obvod vyjádřený pomocí fázorů pak jeS=VI*(kdeI*je hodnotakomplexně sdruženýkI,a magnitudy fázorů napětí a prouduVaIjsoukvadratické průměryhodnot napětí a proudu).
  • Kirchhoffovy zákonypracují s fázory v komplexním tvaru

S těmito zákony můžeme aplikovat technikyanalýzy rezistivních obvodůa fázory analyzovat jednofrekvenční střídavé obvody obsahující rezistory, kondenzátory a cívky. Díkyprincipu superpozicelze analyzovat i lineární střídavé obvody s několika frekvencemi nebo střídavé obvody s různými tvary vln pro zjištění napětí a proudů pomocí transformací různých tvarů vln na sinusové (harmonické) vlnové komponenty s magnitudou a fází místo analyzování každé frekvence samostatně.

Výkonové inženýrství

[editovat|editovat zdroj]

Při analýzetrojfázovýchstřídavých výkonových systémů obvykle definujeme sadu fázorů jako trojici komplexních kořenů kubické rovnice, graficky reprezentovaných pomocí jednotkových průběhů s úhly 0, 120 a 240 stupňů. Reprezentací hodnot ve vícefázových střídavých obvodech pomocí fázorů lze vyvážený obvody zjednodušit a nevyvážené obvody lze považovat za algebraickou kombinacisymetrických komponent.Tento přístup značně zjednodušuje práci při výpočtech úbytků napětí, toků výkonu a zkratových proudů. V kontextu analýzy výkonových systémů je fázový úhel často zadaný vestupnícha magnitudy vkvadratický průměrhodnota místo špičková amplituda.

Technikasynchrofázorůpoužívá digitální nástroje pro měření fázorů reprezentujících přenos systém napětí v rozšířené body v přenosové síti. Rozdíly mezi fázory indikují tok výkonu a stabilitu systému.

Telekomunikace: analogové modulace

[editovat|editovat zdroj]

Rotace rámcového obrázku pomocí fázoru je výkonným nástrojem pro porozumění analogovým modulacím jako napříkladamplitudové modulaci(a jejím variantám[12] ) afrekvenční modulaci.

,kde na člen ve složených závorkách pohlížíme jako na otáčející se vektor vkomplexní rovině.

Velikost fázoru je,rotuje proti směru hodinových ručiček rychlostíotáček za sekundu a v časemá úhelvzhledem ke kladné reálné ose.

Tvar vlnymůžeme pak považovat za projekci tohoto vektoru na reálnou osu.

  • AM modulace:fázorový diagram jediného tónu o frekvenci
  • FM modulace:fázorový diagram jediného tónu o frekvenci

Související články

[editovat|editovat zdroj]
    • ijeimaginární jednotka().
    • V elektrotechnických textech se imaginární jednotka obvykle značí j.
    • Pro frekvencivHzplatí.
  1. To plyne z, což znamená, žekomplexní exponenciální funkcejevlastní funkcíoperacederivace.
  2. Důkaz
    (R1)
    Tento vztah musí platit pro každé,konkrétně pro,z toho plyne, že
    (R2)
    je také okamžitě vidět, že
    Jejich substitucí do R1 a R2, znásobením R2 hodnotoua sečtením obou rovnic dostáváme

V tomto článku byl použitpřekladtextu z článkuPhasorna anglické Wikipedii.

  1. Bracewell, Ron.The Fourier Transform and Its Applications.[s.l.]: McGraw-Hill, 1965.
  2. Mathematics for Engineers and Technologists.[s.l.]: Butterworth-Heinemann, 2002.Dostupné online.ISBN978-0-08-051119-1.
  3. Clay Rawlins.Basic AC Circuits.2. vyd. [s.l.]: Newnes, 2000.ISBN978-0-08-049398-5.
  4. K. S. Suresh Kumar.Electric Circuits and Networks.[s.l.]: Pearson Education Indie, 2008.ISBN978-81-317-1390-7.
  5. Electromagnetic Theory for Microwaves and Optoelectronics.2. vyd. [s.l.]: Springer Science & Business Media, 2007.ISBN978-3-540-74296-8.
  6. abcJ. Hindmarsh.Electrical Machines & their Applications.4. vyd. [s.l.]: Elsevier, 1984.ISBN978-1-4832-9492-6.
  7. William J. Eccles.Pragmatic Electrical Engineering: Fundamentals.[s.l.]: Morgan & Claypool Publishers, 2011.ISBN978-1-60845-668-0.
  8. abIntroduction to Electric Circuits.8. vyd. [s.l.]: John Wiley & Sons, 2010.ISBN978-0-470-52157-1.
  9. Circuit Analysis: Theory and Practice.5. vyd. [s.l.]: Cengage Learning, 2012.ISBN1-285-40192-1.
  10. abcCircuit Systems with MATLAB and PSpice.[s.l.]: John Wiley & Sons, 2008.ISBN978-0-470-82240-1.
  11. SINGH, Ravish R.Electrical Networks.[s.l.]: Mcgraw Hill Higher Education, 2009.ISBN0070260966.Kapitola 4.5: Phasor Representation of Alternating Quantities.
  12. de Oliveira, H.M.; NUNES, F.D. About the Phasor Pathways in Analogical Amplitude Modulations.International Journal of Research in Engineering and Science (IJRES).2014, roč. 2, čís. 1 (Jan.).ISSN2320-9364.

Externí odkazy

[editovat|editovat zdroj]