La potenza reattiva provoca un consumo extra di carburante in un UPS Diesel?

È un po 'una cosa teorica, di scarsa utilità pratica, ma voglio solo capire la fisica che sta dietro. Sono consapevole che sto semplificando un po 'le cose.

Nell'energia elettrica differenziamo la potenza reale, reattiva e apparente e ovviamente vogliamo che la parte reattiva sia piccola, ma con carichi pratici ciò accade raramente.

L'altro giorno, un mio collega e io stavamo discutendo di un UPS diesel rotativo multi-MW (la demo impiega un po 'di tempo a caricarsi) in uno dei nostri datacenter e mi è venuta in mente la seguente domanda, a cui non siamo stati in grado di rispondere :

Supponiamo che il carico sull'UPS provochi un su quell'UPS, causando il trasporto di potenza reattiva attraverso le linee elettriche avanti e indietro. Il motore diesel continuerebbe a utilizzare carburante solo per la parte di potenza reale o la potenza reattiva avrebbe un impatto anche sul consumo di carburante? La potenza teoricamente reattiva non viene consumata, ma sembra strano una volta che la potenza di rete viene sostituita da un motore Diesel. La potenza reattiva esiste nel mondo meccanico?Q > $\text{cos(}\varphi\text{)}$$Q > 0$

La potenza reattiva non comporterebbe un carico aggiuntivo sull'albero del generatore se tutto fosse perfetto. Tuttavia, i generatori reali hanno perdite reali, con alcuni di quelli proporzionali al quadrato della corrente. Il carico reattivo provoca più corrente nei fili rispetto a un carico puramente resistivo della stessa potenza reale. La corrente extra causa la perdita di potenza reale aggiuntiva.

Quindi la risposta è che il motore vedrà un carico leggermente più elevato e quindi consumerà un po 'più di carburante. Ciò è dovuto a maggiori inefficienze e perdite nel sistema, non essendo la stessa potenza reattiva a rendere più difficile girare il generatore.

Inserito il:

Avrei dovuto menzionarlo prima, ma in qualche modo mi è passato per la testa in quel momento.

Un carico reattivo su un generatore perfetto non richiede una maggiore potenza dell'albero mediata su un ciclo, ma aggiunge "bump" alla coppia. Un attributo di un generatore CA trifase è che la coppia è costante su un ciclo con un carico resistivo. Tuttavia, con un carico reattivo parti del ciclo richiedono più potenza e altre parti meno. La potenza media è sempre la stessa, ma una costante spinta avanti e indietro rispetto alla coppia media può causare sollecitazioni meccaniche e vibrazioni indesiderabili.

Puoi pensarci un po 'come spostare due magneti l'uno accanto all'altro. Diciamo che sono orientati a respingere. A distanza c'è poca forza. Devi applicare la forza per avvicinarli, il che significa che metti energia nel sistema. I magneti spingono nella direzione del movimento mentre si allontanano, restituendoti così l'energia che hai inserito in precedenza. L'energia netta spesa è 0, ma c'era sicuramente flusso di energia avanti e indietro. C'è sempre qualche perdita quando l'energia viene spostata o convertita avanti e indietro nei sistemi reali.

Ancora una volta, la potenza reattiva stessa non causa il problema, ma la potenza reale viene persa perché l'energia non può essere spostata e convertita con efficienza perfetta. Questa vera perdita di potenza deve essere compensata da un maggiore consumo di energia reale. Inoltre, le forze meccaniche extra possono ridurre la durata del generatore e del motore che lo guidano.

Come Olin Lathrop ha risposto alla tua prima domanda.

La potenza reattiva esiste nel mondo meccanico?

Nel sistema meccanico esiste la potenza reattiva. Ma non esiste un modo semplice per spiegarlo senza entrare in un semplice movimento armonico.

Immagina semplicemente che un oggetto M sia stato montato su una corda e tu, a causa della forza centrifuga, si muove su un'orbita circolare. Supponiamo che la sua velocità angolare sia e che tu possa descriverla equazione del moto proiettato x come e moto proiettato y come .R cos ( ω ) R sin ( ω $\omega$$R \cos (\omega)$$R \sin (\omega)$

$x= R \cos (\omega t)$

$y =R \sin (\omega t)$

E devi accelerarlo, quindi devi alimentarlo un po 'di potenza. Supponi di seminare una forza F su questo come F ritardi dal suo angolo attuale.$\alpha$

[vedi la figura] Quindi il componente della F che è parallelo alla sua velocità lineare farà solo un po 'di potenza attiva. Che è ,$F \cos(\alpha)$

quindi la Potenza attiva$= F \cos(\alpha ) v = F \cos (\alpha ) \omega R$

potenza reattiva$= F \sin (\alpha) 0 = 0$

Ma una persona che guarda questo penserà che sto applicando una forza 'F' e si sta muovendo nella velocità di 'v', quindi il potere dovrebbe essere Fv, ma a causa della differenza di frase non lo farà. Questo è successo anche al tuo wattmetro. Poiché non conta la differenza di frase tra la corrente e la tensione, così come nell'esempio meccanico sopra, non conta la direzione della forza rispetto alla direzione del movimento.

Il puro componente reattivo di potenza non consumerà carburante extra.

Il flusso di energia del componente reattivo continuerà a cambiare direzione mantenendo lo zero medio. Quando il flusso di energia viene indirizzato all'indietro, la coppia applicata all'albero del generatore diminuirà (per pochi millisecondi ogni pochi millisecondi), poiché il generatore agirà un po 'come un motore, ma restando principalmente un generatore.

La parte di combustione della macchina vedrà il carico medio pari solo al componente attivo. Dire se la funzione della rotta di alimentazione del carburante è quella di mantenere una velocità costante, quindi le variazioni della coppia (carico) si rispecchieranno nella quantità di carburante. Più coppia, significa più carburante, più potenza attiva consumata, con la stessa velocità.

L'esperimento su piccola scala consiste nel ruotare l'albero del motore CA a magnete permanente con le dita quando è scollegato. Quindi collegare il condensatore e confrontare.

Come notato sopra, la coppia richiesta per un carico reattivo trifase bilanciato è costante e zero. Ciò nasconde il fatto che per metà di ogni ciclo, ciascun carico reattivo sta riportando la potenza nella fase / fasi che sta / stanno accettando energia.

Se il carico reattivo non è bilanciato, l'energia viene reimmessa nel generatore. Non è possibile recuperare energia chimica e parte di tale energia immessa nel generatore viene persa, ma parte dell'energia viene ricondotta all'energia cinetica rotante del generatore. Il che rende il generatore più veloce, più lento, più veloce, più lento, ecc. Un piccolo generatore non ha molta energia cinetica rotante, quindi la maggior parte di questa energia viene persa e solo stressa il sistema.

Inoltre è nascosto il fatto che se il generatore gira più velocemente, più energia viene caricata in Carichi capacitivi e l'energia viene prodotta da carichi induttivi.

Per un gruppo elettrogeno molto grande, con notevole energia immagazzinata, il ritorno di energia reattiva da una rete induttiva può far aumentare la frequenza di trasmissione e rendere instabile l'intero sistema (frequenza più alta, ritorno più reattivo, frequenza più alta, ritorno più reattivo , il generatore gira fuori controllo e si autodistrugge). Per questo motivo, le reti elettriche sono progettate per funzionare con un carico leggermente capacitivo, anche se ciò aumenta le correnti di picco e riduce l'efficienza della rete.

Tornando alla domanda originale, mentre il gruppo elettrogeno gira, versa energia in tutti i carichi reattivi collegati, anche in quelli bilanciati, quando la tensione sale. Può essere piccolo, ma non puoi davvero recuperare quell'energia. Quando si stacca il generatore, non si recupera di nuovo l'energia chimica.

Pensavo che i generatori generassero energia elettrica che è in KVA. Di questa energia KVA generata la prima parte di kvar verrà utilizzata dal carico induttivo per mantenere l'apparecchiatura caricata magneticamente e la seconda parte di kw verrà utilizzata per produrre una coppia che sarebbe dipendente dal carico. A carichi più elevati kvar è trascurabile rispetto a kw. Ma il generatore deve ancora produrlo. Se una bobina induttiva pura è collegata al carico, il generatore genererà solo il componente kvar in libbre e il consumo di carburante sarà più che a vuoto