Dlaczego moc bierna wpływa na napięcie?

14

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.

Stewie Griffin
źródło
4
Jako elektryk elektryk jest to ważne i interesujące pytanie. (Trzeba przyznać, że nie znam odpowiedzi na czubek głowy i będę musiał przeprowadzić badania).
Li-aung Yip
Powiązane: statyczne kompensatory VAR (urządzenia, które wstrzykują lub pobierają moc bierną w podstacjach, w celu kontroli napięcia linii przesyłowej) i ogólna koncepcja kompensacji mocy biernej.
Li-aung Yip
O wiele dokładniejszą odpowiedzią jest to, że silnik wytwarza prąd bierny ze wzbudzenia cewek lub + VAR i ktoś musi zrekompensować -VAR (np. Seria nasadek lub bocznik), aby zmniejszyć pozorny wzrost mocy. tinyurl.com/y9zmovut
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Odpowiedzi:

6

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.

Olin Lathrop
źródło
@Robert: To jest dokładnie takie założenie, którego brakuje w pytaniu, dlatego napisanie odpowiedzi może być stratą czasu. Wcześniej miałeś kilka domniemanych założeń. Próbowałem odpowiedzieć, kiedy wyeliminowałeś niektóre z nich. Zobacz, w jaki sposób założenia mogą marnować czas wszystkich i dlaczego powołujące się na nie pytania powinny zostać zamknięte?
Olin Lathrop
Myślę, że Olin jest zasadniczo poprawny - linia przesyłowa ma indukcyjność, a prawo Ohma mówi, że nastąpi spadek napięcia na takiej indukcyjności. Sformułowanie „moc bierna” naprawdę mówi o tym spadku napięcia. Można przeciwdziałać indukcyjności, dodając pewną pojemność, co zasadniczo robi statyczny kompensator VAR. Uwaga: Badałem to tylko do płytkiego poziomu i będę musiał sprawdzić niektóre zasoby w pracy (choć jesteśmy teraz bardzo zajęci, więc nie wstrzymuj oddechu.)
Li-aung Yip
@Yip: Prawo Ohma stwierdza, że ​​nastąpi spadek napięcia na rezystancji proporcjonalnej do prądu przez niego przepływającego. Wierzę, że to Faraday i Henry opracowali szczegóły dotyczące pojemności i indukcyjności pod wpływem prądu przemiennego. (Kondensatory i cewki indukcyjne, nie Henry i Faraday)
EM Fields
@EMFields: pracujemy z pewnymi uproszczonymi założeniami w energetyce. Przyjmujemy stałą częstotliwość (ω = 50 Hz lub 60 Hz), w którym to przypadku dana indukcyjność w Henriesach przekształca się w określoną liczbę omów, podaną jako X [Ω] = j × ω × L. Impedancja linii przesyłowej staje się wtedy wyobrażona liczba omów (tj. Z = j10 Ω) i można wykonać prawo Ohma za pomocą liczb zespolonych, aby określić spadek napięcia w liczbie zespolonej - V = I * × Z. (Zlekceważę rezystywną część impedancji, która jest znacznie mniejsza niż reaktancja indukcyjna.) To wydaje się dziwne, ale dokładnie modeluje to, co obserwujemy.
Li-aung Yip
2

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.

Liam
źródło
0

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

SleepyzZ
źródło
1
Czy możesz to trochę rozwinąć? Odpowiedzi tylko z linkiem są odradzane.
Adam Haun,
To nie jest nawet odpowiedź tylko do łącza ...
Null,
@Null: dodano link.
Dave Tweed
Niektórzy ludzie nie mają umiejętności uczenia się ani surfowania
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75