Perché la potenza reattiva influisce sulla tensione?


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Perché la potenza reattiva influenza la tensione? Supponiamo di avere un sistema di alimentazione (debole) con un grande carico reattivo. Se si disconnette improvvisamente il carico, si verificherà un picco nella tensione.

C'è una buona spiegazione del perché questo accada?


Per coloro che sono interessati al motivo per cui il livello di tensione e la potenza reattiva sono strettamente correlati da una fonte affidabile, ecco il documento originale che descrive l'algoritmo Fast Decoupled Load Flow (è necessario accedere a IEEE):

"Stott e O. Alsac," Flusso di carico rapido disaccoppiato "IEEE Trans. Su PAS, vol. 93, n. 3, pp. 859-869, maggio / giugno 1974"

Vedi anche pagina 79 in questo manuale di Wood / Wollenberg su books.google .

Una citazione di Roger C Dugan, l'autore di questo libro di testo sui sistemi di alimentazione elettrica:

La potenza reattiva (var) è necessaria per mantenere la tensione per fornire potenza attiva (watt) attraverso le linee di trasmissione. I carichi del motore e altri carichi richiedono potenza reattiva per convertire il flusso di elettroni in lavoro utile. Quando non c'è abbastanza potenza reattiva, la tensione diminuisce e non è possibile spingere la potenza richiesta dai carichi attraverso le linee.

Credo che la cronologia delle modifiche possa essere interessante per chiunque si chieda di cosa tratta la modifica e tutti i commenti.


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Come ingegnere elettrotecnico, questa è una domanda valida e interessante. (Certo, non conosco la risposta della parte superiore della mia testa e dovrò fare qualche ricerca.)
Li-aung Yip,

Correlati: compensatori VAR statici (dispositivi che iniettano o consumano potenza reattiva nelle sottostazioni, al fine di controllare la tensione della linea di trasmissione) e il concetto generale di compensazione della potenza reattiva.
Li-aung Yip,

Una risposta molto più accurata è che un motore produce corrente reattiva dall'eccitazione di bobine o + VAR e qualcuno deve compensare con -VAR (ad esempio serie cap o shunt) per ridurre l'aumento apparente della potenza. tinyurl.com/y9zmovut
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Risposte:


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Perché la potenza reattiva influenza la tensione? Supponiamo di avere un sistema di alimentazione (debole) con un grande carico reattivo. Se si disconnette improvvisamente il carico, si verificherà un picco nella tensione.

Innanzitutto, dobbiamo definire esattamente ciò che viene chiesto. Ora che hai affermato che ciò riguarda un sistema di alimentazione su scala di utilità, non l'output di un opamp o qualcosa del genere, sappiamo cosa significa "potenza reattiva". Questa è una scorciatoia utilizzata nel settore dell'energia elettrica. Idealmente il carico sul sistema sarebbe resistivo, ma in realtà è parzialmente induttivo. Separano questo carico nei componenti puramente resistivi e induttivi puri e si riferiscono a ciò che viene consegnato alla resistenza come "potenza reale" e ciò che viene consegnato all'induttanza come "potenza reattiva".

Ciò dà origine ad alcune cose interessanti, come il fatto che un condensatore attraverso una linea di trasmissione è un generatore di potenza reattiva. Sì, sembra divertente, ma se segui la definizione di potenza reattiva sopra, tutto è coerente e nessuna fisica viene violata. Infatti, a volte i condensatori vengono utilizzati per "generare" potenza reattiva.

La corrente effettiva che esce da un generatore sta ritardando la tensione di un piccolo angolo di fase. Invece di pensare a questo come un magnitudo e un angolo di fase, è pensato come due componenti separati con magnitudini separate, uno a fase 0 e l'altro in ritardo a 90 °. Il primo è la corrente che causa il potere reale e il secondo potere reattivo. I due modi di descrivere la corrente complessiva rispetto alla tensione sono matematicamente equivalenti (ognuno può essere convertito in modo univoco nell'altro).

Quindi la domanda si riduce al perché la corrente del generatore che è in ritardo di 90 ° sulla tensione fa scendere la tensione? Penso che ci siano due risposte a questo.

Innanzitutto, qualsiasi corrente, indipendentemente dalla fase, provoca ancora una caduta di tensione attraverso l'inevitabile resistenza nel sistema. Questa corrente attraversa 0 al picco della tensione, quindi si potrebbe dire che non dovrebbe influenzare il picco di tensione. Tuttavia, la corrente è negativa proprio prima del picco di tensione. Ciò può effettivamente causare un picco di tensione apparente leggermente superiore (dopo la caduta di tensione sulla resistenza in serie) immediatamente prima del picco di tensione a circuito aperto. Detto in altro modo, a causa della resistenza della sorgente diversa da zero, la tensione di uscita apparente ha un picco diverso in un posto diverso rispetto alla tensione a circuito aperto.

Penso che la vera risposta abbia a che fare con ipotesi non dichiarate integrate nella domanda, che è un sistema di controllo attorno al generatore. Quello a cui stai veramente assistendo alla reazione rimuovendo il carico reattivo non è quello del generatore nudo, ma quello del generatore con il suo sistema di controllo che compensa la variazione del carico. Ancora una volta, l'inevitabile resistenza nel sistema a volte la corrente reattiva provoca perdite reali. Si noti che parte di quella "resistenza" potrebbe non essere la resistenza elettrica diretta, ma problemi meccanici proiettati sul sistema elettrico. Queste perdite reali si aggiungeranno al carico reale sul generatore, quindi la rimozione del carico reattivo allevia ancora un po 'di carico reale.

Questo meccanismo diventa più sostanziale quanto più ampio è il "sistema" che sta producendo la potenza reattiva. Se il sistema include una linea di trasmissione, la corrente reattiva causa ancora perdite I 2 R reali nella linea di trasmissione, che causano un carico reale sul generatore.


@Robert: questo è esattamente il tipo di presupposto che manca nella tua domanda, motivo per cui scrivere una risposta può essere una perdita di tempo. In precedenza hai avuto diverse ipotesi implicite. Ho provato a rispondere quando ne hai eliminati alcuni. Scopri come le ipotesi possono far perdere tempo a tutti e perché le domande che fanno affidamento su di esse dovrebbero essere chiuse?
Olin Lathrop,

Penso che Olin abbia sostanzialmente ragione: la linea di trasmissione ha un'induttanza e la Legge di Ohm afferma che ci sarà una caduta di tensione attraverso tale induttanza. La formulazione di "potenza reattiva" sta davvero parlando di questa caduta di tensione. È possibile contrastare l'induttanza aggiungendo una certa capacità, che è essenzialmente ciò che fa un compensatore VAR statico. Nota: ho studiato questo solo a un livello superficiale e dovrò controllare alcune risorse sul lavoro (anche se al momento siamo molto impegnati, quindi non trattenere il respiro.)
Li-aung Yip

@Yip: la legge di Ohm afferma che ci sarà una caduta di tensione attraverso una resistenza proporzionale alla corrente che la attraversa. Credo che siano stati Faraday ed Henry a elaborare i dettagli per la capacità e l'induttanza sotto l'influenza di AC. (I condensatori e gli induttori, non Henry e Faraday)
EM Fields

@EMFields: lavoriamo con alcune ipotesi di semplificazione nell'ingegneria energetica. Assumiamo una frequenza costante (ω = 50Hz o 60Hz) nel qual caso una determinata induttanza in Henries si converte in un dato numero di ohm, dato come X [Ω] = j × ω × L. L'impedenza di una linea di trasmissione diventa quindi immaginaria numero di ohm (cioè Z = j10 Ω) e puoi fare la legge di Ohm usando numeri complessi, per determinare la caduta di tensione in numeri complessi - V = I * × Z. (Trascuro la parte resistiva dell'impedenza che è molto più piccola di la reattanza induttiva). Sembra strano, ma modella accuratamente ciò che osserviamo.
Li-aung Yip

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Considerare che l'impedenza della sorgente del sistema di alimentazione debole ha sia un componente resistivo che reattivo (ovvero una sorgente di tensione "ideale" in serie con una combinazione RL). Proprio come un carico resistivo formerà un "divisore di tensione" con la sorgente, un carico reattivo farà lo stesso. Applicando le regole standard del divisore di tensione a impedenze complesse, diventa chiaro il motivo del risultato osservato (maggiore caduta di tensione con carichi induttivi rispetto a quelli puramente resistivi).

Per dirla in altro modo, ci sono due modi per ottenere più corrente da un'impedenza di sorgente reattiva: uno è aumentare la caduta di tensione, il secondo è aumentare lo sfasamento attraverso il componente induttivo. L'aggiunta di un carico reattivo con lo stesso "segno" di impedenza complessa riduce tale spostamento di fase (poiché la corrente CA risultante nel sistema produce una tensione al carico più in fase con quella del componente "ideale" della sorgente), quindi la caduta di tensione sull'impedenza della sorgente deve aumentare per fornire la stessa corrente di carico.

L'altra interpretazione che faccio della domanda riguarda i transitori, quando una grande corrente che passa attraverso un induttore (tutti i cablaggi ha una proprietà induttiva) viene interrotta, il campo magnetico collassante induce un aumento di tensione nell'induttore proporzionale a di / dt. Ciò crea un picco transitorio al carico per una frazione di ciclo, tuttavia se nel sistema è presente una capacità significativa, può verificarsi uno squillo (oscillazione) che distribuisce il transiente su alcuni cicli. Questi transitori rendono la commutazione di carichi induttivi pesanti una sfida di progettazione.


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"Se si disconnette improvvisamente il carico, si verificherà un picco nella tensione." Ti suggerisco di cercare l' effetto Ferranti . Quando rimuovi il carico, stai essenzialmente creando una linea leggermente caricata.


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Puoi approfondire un po 'questo? Le risposte solo al collegamento sono scoraggiate.
Adam Haun,

Questa non è nemmeno una risposta solo link ...
Null

@Null: collegamento aggiunto.
Dave Tweed

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Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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