Dlaczego moc bierna wpływa na napięcie?

Dlaczego moc bierna wpływa na napięcie? Załóżmy, że masz (słaby) system zasilania z dużym obciążeniem biernym. Jeśli nagle odłączysz obciążenie, wystąpi szczyt napięcia.

Czy istnieje dobre wytłumaczenie, dlaczego tak się dzieje?

Dla tych, którzy interesują się tym, dlaczego poziom napięcia i moc bierna są ściśle powiązane z wiarygodnego źródła, oto oryginalny artykuł opisujący algorytm szybkiego rozłączania obciążenia (potrzebujesz dostępu do IEEE):

„Stott and O. Alsac,„ Fast decoupled load flow ”IEEE Trans. On PAS, t. 93, nr 3, str. 859-869, maj / czerwiec 1974 r.”

Zobacz także stronę 79 w tym podręczniku Wood / Wollenberg na books.google .

Cytat autorstwa Rogera C Dugana, autora tego podręcznika na temat systemów elektroenergetycznych:

Moc bierna (zmienna) jest wymagana do utrzymania napięcia w celu dostarczenia mocy czynnej (watów) przez linie przesyłowe. Obciążenia silnika i inne obciążenia wymagają mocy biernej, aby przekształcić przepływ elektronów w użyteczną pracę. Kiedy nie ma wystarczającej mocy biernej, napięcie maleje i nie można przepchnąć mocy wymaganej przez obciążenia przez linie.

_{Wierzę, że historia edycji może być interesująca dla każdego, kto zastanawia się, na czym polega edycja i wszystkie komentarze.}

Dlaczego moc bierna wpływa na napięcie? Załóżmy, że masz (słaby) system zasilania z dużym obciążeniem biernym. Jeśli nagle odłączysz obciążenie, wystąpi szczyt napięcia.

Najpierw musimy zdefiniować, o co dokładnie pytamy. Teraz, gdy stwierdziliście, że dotyczy to systemu zasilania na skalę użyteczności, a nie mocy wyjściowej opampa lub czegoś takiego, wiemy, co oznacza „moc bierna”. Jest to skrót stosowany w branży elektroenergetycznej. Idealnie obciążenie systemu byłoby rezystancyjne, ale w rzeczywistości jest częściowo indukcyjne. Rozdzielają ten ładunek na czyste rezystancyjne i czyste elementy indukcyjne i określają to, co jest dostarczane do rezystancji, jako „moc rzeczywistą”, a to, co jest dostarczane do indukcyjności, jako „moc bierna”.

Powoduje to kilka interesujących rzeczy, takich jak kondensator przebiegający przez linię transmisyjną, który jest generatorem mocy biernej. Tak, to brzmi zabawnie, ale jeśli zastosujesz się do powyższej definicji mocy biernej, wszystko to będzie spójne i żadna fizyka nie zostanie naruszona. W rzeczywistości kondensatory są czasami używane do „generowania” mocy biernej.

Rzeczywisty prąd wychodzący z generatora opóźnia napięcie o mały kąt fazowy. Zamiast myśleć o tym jako o wielkości i kącie fazowym, uważa się, że są to dwa oddzielne komponenty o oddzielnych wielkościach, jeden w fazie 0, a drugi w fazie 90 °. Pierwszy to prąd, który powoduje moc rzeczywistą, a drugi moc bierną. Dwa sposoby opisu całkowitego prądu w odniesieniu do napięcia są matematycznie równoważne (każdy z nich można jednoznacznie przekonwertować na inny).

Pytanie sprowadza się więc do tego, dlaczego prąd generatora opóźniający napięcie o 90 ° powoduje obniżenie napięcia? Myślę, że są na to dwie odpowiedzi.

Po pierwsze, każdy prąd, niezależnie od fazy, nadal powoduje spadek napięcia na nieuniknionej rezystancji w systemie. Ten prąd przecina 0 przy szczycie napięcia, więc można powiedzieć, że nie powinien wpływać na szczyt napięcia. Jednak prąd jest ujemny tuż przed szczytem napięcia. Może to faktycznie powodować nieco wyższe pozorne (po spadku napięcia na rezystancji szeregowej) szczytowe napięcie bezpośrednio przed szczytowym napięciem w obwodzie otwartym. Innymi słowy, z powodu niezerowej rezystancji źródła pozorne napięcie wyjściowe ma inny szczyt w innym miejscu niż napięcie w obwodzie otwartym.

Myślę, że prawdziwa odpowiedź ma związek z nieokreślonymi założeniami wbudowanymi w pytanie, którym jest układ sterowania wokół generatora. To, na co tak naprawdę widzisz reakcję poprzez usunięcie obciążenia biernego, to nie nagiego generatora, ale generatora z układem sterowania kompensującym zmianę obciążenia. Ponownie, nieunikniony opór w systemie razy prąd bierny powoduje rzeczywiste straty. Należy pamiętać, że część tej „oporności” może nie być bezpośrednią opornością elektryczną, ale problemami mechanicznymi występującymi w układzie elektrycznym. Te rzeczywiste straty zwiększą rzeczywiste obciążenie generatora, więc usunięcie obciążenia reaktywnego nadal zwalnia pewne rzeczywiste obciążenie.

Mechanizm ten staje się bardziej znaczący, im szerszy jest „system”, który wytwarza moc bierną. Jeśli system zawiera linię przesyłową, wówczas prąd bierny nadal powoduje rzeczywiste straty I ² R w linii przesyłowej, które powodują rzeczywiste obciążenie generatora.

Rozważ, że impedancja źródła słabego systemu zasilania ma zarówno rezystywny, jak i bierny składnik (tj. „Idealne” źródło napięcia połączone szeregowo z kombinacją RL). Tak jak obciążenie rezystancyjne utworzy „dzielnik napięcia” ze źródłem, tak samo zrobi to obciążenie bierne. Dzięki zastosowaniu standardowych reguł dzielnika napięcia do złożonych impedancji, przyczyna obserwowanego wyniku (większy spadek napięcia przy obciążeniach indukcyjnych niż przy czysto rezystancyjnym) staje się jasna.

Innymi słowy, istnieją dwa sposoby na uzyskanie większego prądu z impedancji źródła biernego - jeden to zwiększenie spadku napięcia, drugi to zwiększenie przesunięcia fazowego na składowej indukcyjnej. Dodanie obciążenia biernego o tym samym „znaku” złożonej impedancji zmniejsza to przesunięcie fazowe (ponieważ wynikowy prąd przemienny w systemie wytwarza napięcie przy obciążeniu bardziej w fazie z napięciem „idealnego” komponentu źródła), więc spadek napięcia na impedancji źródła musi wzrosnąć, aby dostarczyć ten sam prąd obciążenia.

Druga interpretacja tego pytania dotyczy stanów nieustalonych, gdy duży prąd przepływający przez cewkę indukcyjną (całe okablowanie ma właściwość indukcyjną) zostaje przerwany, zapadające się pole magnetyczne indukuje wzrost napięcia w cewce proporcjonalnej do di / dt. Powoduje to powstanie przejściowego piku przy obciążeniu przez ułamek cyklu, jednak jeśli w układzie występuje znaczna pojemność, może wystąpić dzwonienie (oscylacja), które rozkłada stan przejściowy na kilka cykli. Te stany przejściowe sprawiają, że przełączanie ciężkich obciążeń indukcyjnych stanowi wyzwanie projektowe.

„Jeśli nagle odłączysz obciążenie, doświadczysz szczytu napięcia”. Sugeruję, abyś spojrzał na efekt Ferranti . Po usunięciu obciążenia zasadniczo tworzysz lekko obciążoną linię.