Нехай V і I - миттєва напруга і струм на навантаженні. З визначення потужності, напруги та струму ми маємо відношення до миттєвої потужності:
p ( t ) = v ( t ) ⋅ i ( t )
Що означає, що потужність на заданий момент т дорівнює добутку напруги і струму саме на цей момент.
Я припускаю, що ви знайомі з тим, що насправді означає представлення фазора. Просто констатую, що незабаром: фазор - це математична стенограма для представлення синусоїди на заданій невідомій частоті.
Отже, V= VМ∠ ϕV - це скорочення для v ( t ) = VМ⋅ c o s ( ω t + ϕV) . Аналогічно: Я= ЯМ∠ ϕЯ означає i ( t ) = яМ⋅ c o s ( ω t + ϕЯ) .
Помноживши v ( t ) ⋅ i ( t ) на всі т , ми отримуємо форму хвилі миттєвої сили для кожного т . Працюючи над цим множенням:
s ( t ) = v ( t ) ⋅ i ( t ) = VМ⋅ c o s ( ω t + ϕV) ⋅ ЯМ⋅ c o s ( ω t + ϕЯ)
Як , приu=ωt+ϕVіv=ωt+ϕI, ми можемо спростити рівняння вище до:c o s ( u ) ⋅ c o s ( v ) =12⋅[cos(u−v)+cos(u+v)]u=ωt+ϕVv=ωt+ϕI
s(t)=v(t)⋅i(t)=VMIM2⋅[cos(ϕV−ϕI)+cos(2ωt+ϕV+ϕI)]
Ця форма хвилі сама по собі цікава: вона є постійною величиною підсумований синусоїдоюVMIM2⋅cos(ϕV−ϕI).VМЯМ2c o s ( 2 ω t + ϕV+ ϕЯ) ]
Це наочно показує, що миттєва сила не є постійною з часом.
Виходячи з цього результату, ми можемо побачити, що середня потужність дорівнює не змінній складовій (доволі просто довести, що математично потрібно просто вирішити інтегралs ( t ))1T∫t+Tts(t)dt
Мотивована цим результатом і досить солодкою геометричною інтерпретацією , це значення було визначене як реальна потужність , тобто потужність, яка фактично подається до навантаження. Тепер ви знаєте, що ця так звана реальна потужність - це не що інше, як середня потужність при навантаженні.VIcos(ϕV−ϕI)
Трохи зануримось у цю концепцію (я тут не можу малювати, але спробую):
Нехай v - вектор з величиною || v || і фаза , і я - вектор з величиною || i || і фаза ϕ i
Якщо помножити || i || через c o s ( ϕ v - ϕ i ) у вас є проекція i над v . З іншого боку, | | я | | s i n ( ϕ v - ϕ i ) є складовою частиною i в квадратурі з vϕvϕicos(ϕv−ϕi)||i||sin(ϕv−ϕi).
Тепер ви можете зрозуміти, чому середня потужність має класну геометричну інтерпретацію: середня потужність - це напруга, помножена на проекцію струму на напругу, на фазовий простір.
Це мотивувало створення комплексної потужності S як:
S = P + jQ
З цим визначенням реальна частина вектора - це саме середня потужність, що подається на навантаження, а складна частина - потужність , яку називають квадратурою , називається реактивною потужністю (google для Power Triangle, щоб побачити геометричну інтерпретацію цього результату) .
Гаразд, повертаючись до визначення , ми бачимо, що P =s(t)іQ, за визначенням, і, щоб відповідати визначенню S, дорівнюєP=VMIM2⋅cos(ϕv−ϕi)QVMIM2⋅sin(ϕv−ϕi)
Отже, як ми хотіли довести на початку:
S=P+jQ=VMIM2⋅cos(ϕv−ϕi)+jVMIM2⋅sin(ϕv−ϕi)
S=VMIM2⋅[cos(ϕv−ϕi)+jsin(ϕv−ϕi)]
S=VM∠ϕV⋅IM∠−ϕI2
S=V⋅I∗2
So, there you go, what you wanted to see ;)
edit: What's the physical interpretation of Q?
I've shown above what's the physical interpretation of the real part of the complex power, P, that is, the mean power delivered to the load. But what's exactly Q, how can one visualize it? It's based on the fact that cos and sin are orthogonal, and the principle of superposition can be applied to power if the two waveforms involved in the calculation are orthogonal. Let's go into the math, because that's really what matters.
Using the result obtained above: s(t)=VMIM2⋅[cos(ϕV−ϕI)+cos(2ωt+ϕV+ϕI)]
First case: purely resistive load, so that ϕV−ϕI=0
s(t)=VMIM2⋅[1+cos(2(ωt+ϕV))]
That is a sinusoid centered on VMIM2 with that same amplitude (its minimum value is 0 and its maximum value is VMIM ). Let's call it P
Second case: purely inductive load, so that ϕV−ϕI=π2
s(t)=VMIM2⋅[0−cos(2(ωt+ϕV)−π2)]
s(t)=VMIM2⋅[sin(2(ωt+ϕV))]
That is a purely oscillatory waveform with mean value equal to 0. Let's call this result Q.
Third case: the generic case ϕV−ϕI=θ
In this case, s(t) is exactly the general equation we found on the discussion above. But we can rewrite that to make use of the result of the two previous cases, like this:
First, we rewrite the equation in terms of θ (notice that ϕV+ϕI=ϕV−ϕV+ϕV+ϕI=2ϕV−θ):
s(t)=VMIM2⋅[cos(θ)+cos(2(ωt+ϕV)−θ)]
Knowing that:
cos(x−y)=cos(x)cos(y)+sin(x)sin(y), letting x=2(ωt+ϕV) and y=θ
s(t)=VMIM2⋅[cos(θ)+cos(θ)cos(2(ωt+ϕV))+sin(θ)sin(2(ωt+ϕV))]
Rearranging the terms:
s(t)=cos(θ)⋅VMIM2⋅[1+cos(2(ωt+ϕV))]+sin(θ)⋅VMIM2sin(2(ωt+ϕV))
Using the result of the two first cases above:
s(t)=cos(θ)P+sin(θ)Q
An amazing result, right? What does that mean?
Let's go back to what we are doing: calculating the power for the generic case where ϕV−ϕI=θ, that is, solvig the equation:
s(t)=VMcos(ωt+ϕV)⋅IMcos(ωt+ϕI)
Can we rewrite i(t)=IMcos(ωt+ϕI) in the form of i(t)=K1cos(ωt+ϕV)+K2sin(ωt+ϕV)?
Let's try:
ϕI=ϕV−θ
i(t)=IMcos(ωt+ϕV−θ) \$
Letting ωt+ϕV=u and θ=v
With the relation:
cos(u−v)=cos(u)cos(v)+sin(u)sin(v)
We have:
i(t)=IMcos(θ)cos(ωt+ϕV)+IMsin(θ)sin(ωt+ϕV)
Just what we wanted, to rewrite i(t) as a sum of two components: one in phase with v(t), and one in quadrature with v(t)!
Now the result of the case 3 can be explained: i(t) can be decomposed in two components, as shown above, and the power generated by i(t) is equal to the power generated by each one of these components individually. Whoa, just like superposition but for power! (Remember that this is only true, and it was proven above, because cos and sin are orthogonal)
So Q is the amount of power generated by the component of i(t) that's in quadrature with v(t). It is purely oscillatory and has no mean value.
P is the amount of power generated by the component of i(t) that's in phase with v(t). It is oscillatory but has a mean value that's equal the mean power delivered to the load.
And the complex power S, the total power, is exactly the sum of these two components