电压电流的超前与滞后真的那么难懂吗?
mouser 2021-09-23

电压电流的超前与滞后这个概念是相对于电流和电压之间的关系而说的。也就是说,比如是容性负载(电容器),那么他会导致最终电流超前90度,如果是电感则产生最终电流超前-90度(即滞后90度) 反过来说,在平面直角坐标系中,假设电压为X轴水平方向,则是否超前则为Y轴垂直方向,当为容性负载时为Y正半轴部分,感性负载为Y负半轴部分 无论是正超前还是负超前(滞后)都会导致功率因数下降,而纯阻性负载其超前角是0度,这个时候功率因数为1 正因为容性和感性具有这种相反的性质,那么当使用电动机等感性负载时,会导致严重的负超前,这个时候就应当使用足够的电容器进行补偿,使其无限逼近0度,保证功率因数无限的逼近1。 总之,功率因数下降,无论是正超前还是负超前都回导致下降,只有为0时才是最高的,而感性负载一应用就肯定是负的了。所以就要用电容补偿让他接近0。

如下图,由于Sin[ωt]在求导或积分后会出现Sin[ωt±90°],所以对于接上了正弦波的电感、电容,横坐标为ωt时可以观察到波形超前滞后的现象,直接从静态的函数图上看不太容易理解,还是做成动画比较好。

下图是电感的,用红色表示电压,蓝色表示电流。如果接上理想的直流电压表、直流电流表,可以观察到电压的变化超前于电流,电流的变化滞后于电压。时间增加时,纵坐标轴及时间原点会随着波形一起往左移动。

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如果把波形画在矢量图右方,就是下面这种动画,但横坐标右方是过去存在的波形,指向过去,是-ωt。虽然波形反过来了,但电压的变化仍然超前于电流,电流的变化仍然滞后于电压。时间原点一直随着波形往右方移动,函数图中的纵坐标轴并未与横坐标交于原点,交点所代表的时间一直在增加。如果不注意,超前滞后的判断很容易出错。

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理解超前滞后这一概念用相量图是最好的,从测量数据来观察或者从静态波形上观察都不太直观而且容易出错。下图是电容的。电压的变化滞后于电流,电流的变化超前于电压。坐标系右方是未来,左方是过去。

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横坐标是-ωt时,电容的电压的变化仍然滞后于电流,电流的变化仍然超前于电压。因为此坐标系左方是未来,而右方是过去。

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下图是电阻的。电压函数电流函数同相。

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下图是三者串联的情况,没画相量图和波形图。但从指针的变化可以判断:电流相同时,电感和电容的电压函数反相。

没画总电压,因为总电压有可能超前于总电流,也有可能滞后于总电流,也有可能两者同相,同相时为谐振状态。

以前还做过这种,元件右边标的是电压电流的参考方向。用不同的颜色描述电压的大小,蓝色>黄色>红色;用不同的粗细和箭头描述电流的大小和方向,而且把电感、电容充能的效果也做进去了,电流最大时电感磁场能最大,电容电场能最小。

但是,就解释超前滞后这一概念的话,指针表的动画更直观。

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