¿Por qué la potencia reactiva afecta el voltaje?

¿Por qué la potencia reactiva influye en el voltaje? Suponga que tiene un sistema de energía (débil) con una gran carga reactiva. Si de repente desconecta la carga, experimentaría un pico en el voltaje.

¿Hay una buena explicación de por qué sucede esto?

Para aquellos interesados ​​en por qué el nivel de voltaje y la potencia reactiva están estrechamente relacionados desde una fuente confiable, aquí está el documento original que describe el algoritmo de flujo de carga desacoplado rápido (necesita acceso a IEEE):

"Stott y O. Alsac," Flujo de carga desacoplado rápido "IEEE Trans. On PAS, vol. 93, no. 3, pp. 859-869, mayo / junio de 1974"

Consulte también la página 79 en este libro de texto de Wood / Wollenberg en books.google .

Una cita del Roger C Dugan, autor de este libro de texto sobre sistemas de energía eléctrica:

Se requiere potencia reactiva (vars) para mantener el voltaje para entregar potencia activa (vatios) a través de las líneas de transmisión. Las cargas de motor y otras cargas requieren potencia reactiva para convertir el flujo de electrones en trabajo útil. Cuando no hay suficiente potencia reactiva, el voltaje baja y no es posible impulsar la potencia demandada por las cargas a través de las líneas.

_{Creo que el historial de edición puede ser interesante para cualquiera que se pregunte de qué se trata la edición y todos los comentarios.}

¿Por qué la potencia reactiva influye en el voltaje? Suponga que tiene un sistema de energía (débil) con una gran carga reactiva. Si de repente desconecta la carga, experimentaría un pico en el voltaje.

Primero, tenemos que definir qué se pregunta exactamente. Ahora que ha declarado que esto se refiere a un sistema de energía a escala de servicio público, no a la salida de un amplificador operacional o algo así, sabemos lo que significa "potencia reactiva". Este es un atajo utilizado en la industria de la energía eléctrica. Idealmente, la carga en el sistema sería resistiva, pero en realidad es parcialmente inductiva. Separan esta carga en los componentes de resistencia pura e inductiva pura y se refieren a lo que se entrega a la resistencia como "potencia real" y lo que se entrega a la inductancia como "potencia reactiva".

Esto da lugar a algunas cosas interesantes, como que un condensador a través de una línea de transmisión es un generador de energía reactiva. Sí, eso suena divertido, pero si sigues la definición de potencia reactiva anterior, todo esto es consistente y no se viola la física. De hecho, los condensadores a veces se usan para "generar" potencia reactiva.

La corriente real que sale de un generador está retrasando el voltaje en un pequeño ángulo de fase. En lugar de pensar en esto como un ángulo de magnitud y fase, se lo considera dos componentes separados con magnitudes separadas, uno en la fase 0 y el otro rezagado en la fase de 90 °. El primero es la corriente que causa poder real y el segundo poder reactivo. Las dos formas de describir la corriente general con respecto al voltaje son matemáticamente equivalentes (cada una se puede convertir inequívocamente a la otra).

Entonces, la pregunta se reduce a ¿por qué la corriente del generador que está retrasando el voltaje en 90 ° hace que el voltaje disminuya? Creo que hay dos respuestas a esto.

Primero, cualquier corriente, independientemente de la fase, todavía causa una caída de voltaje a través de la resistencia inevitable en el sistema. Esta corriente cruza 0 en el pico del voltaje, por lo que podría decir que no debería afectar el pico de voltaje. Sin embargo, la corriente es negativa justo antes del pico de voltaje. En realidad, esto puede causar un pico de voltaje aparente más alto (después de la caída de voltaje en la resistencia en serie) inmediatamente antes del pico de voltaje de circuito abierto. Dicho de otra manera, debido a la resistencia de la fuente distinta de cero, el voltaje de salida aparente tiene un pico diferente en un lugar diferente que el voltaje de circuito abierto.

Creo que la respuesta real tiene que ver con suposiciones no declaradas integradas en la pregunta, que es un sistema de control alrededor del generador. Lo que realmente está viendo la reacción al eliminar la carga reactiva no es la del generador desnudo, sino la del generador con su sistema de control que compensa el cambio de carga. Nuevamente, la resistencia inevitable en el sistema multiplicada por la corriente reactiva causa pérdidas reales. Tenga en cuenta que parte de esa "resistencia" puede no ser resistencia eléctrica directa, sino problemas mecánicos proyectados al sistema eléctrico. Esas pérdidas reales se agregarán a la carga real en el generador, por lo que eliminar la carga reactiva todavía alivia un poco la carga real.

Este mecanismo se vuelve más sustancial cuanto más amplio es el "sistema" que está produciendo la potencia reactiva. Si el sistema incluye una línea de transmisión, la corriente reactiva sigue causando pérdidas reales de I ² R en la línea de transmisión, lo que provoca una carga real en el generador.

Considere que la impedancia de fuente del sistema de energía débil tiene un componente resistivo y reactivo (es decir, una fuente de voltaje "ideal" en serie con una combinación RL). Así como una carga resistiva formará un "divisor de voltaje" con la fuente, una carga reactiva hará lo mismo. Al aplicar las reglas estándar del divisor de voltaje a impedancias complejas, queda claro el motivo del resultado observado (mayor caída de voltaje con cargas inductivas que con resistencia pura).

Para decirlo de otra manera, hay dos formas de obtener más corriente de una impedancia de fuente reactiva: una es aumentar la caída de voltaje, la segunda es aumentar el cambio de fase a través del componente inductivo. Agregar una carga reactiva con el mismo "signo" de impedancia compleja reduce ese cambio de fase (ya que la corriente de CA resultante en el sistema produce un voltaje en la carga más en fase con el componente "ideal" de la fuente), entonces la caída de voltaje a través de la impedancia de la fuente debe aumentar para entregar la misma corriente de carga.

La otra interpretación que hago de la pregunta se refiere a los transitorios, cuando se interrumpe una gran corriente a través de un inductor (todo el cableado tiene una propiedad inductiva), el campo magnético colapsante induce un aumento de voltaje en el inductor proporcional a di / dt. Esto crea un pico transitorio en la carga durante una fracción de un ciclo, sin embargo, si hay una capacitancia significativa en el sistema, puede producirse un zumbido (oscilación) que extiende el transitorio durante unos pocos ciclos. Estos transitorios hacen que el cambio de cargas inductivas pesadas sea un desafío de diseño.

"Si desconectas repentinamente la carga, experimentarías un pico en el voltaje". Te sugiero que busques el efecto Ferranti . Cuando elimina la carga, esencialmente está creando una línea ligeramente cargada.