¿Por qué la potencia reactiva afecta el voltaje?

Question

¿Por qué la potencia reactiva influye en el voltaje? Supongamos que tienes un sistema eléctrico (débil) con una carga reactiva grande. Si desconectas de repente la carga, experimentarías 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 (necesitas acceso a IEEE):

"Stott and O. Alsac, “Fast decoupled load flow” IEEE Trans. on PAS, vol. 93, no. 3, pp. 859-869, mayo/junio 1974"

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

Una cita de Roger C Dugan, autor de este libro sobre Sistemas de Energía Eléctrica:

La potencia reactiva (vars) se requiere para mantener el voltaje y entregar la potencia activa (watts) a través de las líneas de transmisión. Las cargas de motores y otras cargas requieren potencia reactiva para convertir el flujo de electrones en trabajo útil. Cuando no hay suficiente potencia reactiva, el voltaje disminuye y no es posible suministrar la potencia demandada por las cargas a través de las líneas.

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

Answer 1

¿Por qué la potencia reactiva influye en el voltaje? Supongamos que tienes un (débil) sistema de energía con una gran carga reactiva. Si desconectas repentinamente la carga, experimentarías un pico en el voltaje.

Primero, necesitamos definir exactamente lo que se está preguntando. Ahora que has indicado que esto se refiere a un sistema de energía a escala de servicios públicos, no a la salida de un amplificador operacional o algo así, sabemos lo que significa "potencia reactiva". Esto 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 puramente resistivos y puramente inductivos 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 cosas interesantes, como que un capacitor cruzando una línea de transmisión es un generador de potencia reactiva. Sí, suena gracioso, pero si sigues la definición de potencia reactiva anterior, todo esto es coherente y no se viola la física. De hecho, a veces se utilizan capacitores para "generar" potencia reactiva.

La corriente real que sale de un generador lleva un retraso respecto al voltaje de un pequeño ángulo de fase. En lugar de pensar en esto como una magnitud y un ángulo de fase, se piensa en dos componentes separados con magnitudes separadas, uno en fase 0 y el otro con un retraso de 90° de fase. El primero es la corriente que causa potencia real y el segundo, la potencia reactiva. Las dos formas de describir la corriente total con respecto al voltaje son matemáticamente equivalentes (cada una se puede convertir sin ambigüedades en la otra).

Entonces, la pregunta se reduce a ¿por qué la corriente del generador que lleva un retraso de 90° respecto al voltaje hace que el voltaje disminuya? Creo que hay dos respuestas a esto.

En primer lugar, cualquier corriente, independientemente de la fase, todavía provoca una caída de voltaje a través de la resistencia inevitable en el sistema. Esta corriente atraviesa 0 en el pico del voltaje, por lo que podrías decir que no debería afectar al pico de voltaje. Sin embargo, la corriente es negativa justo antes del pico de voltaje. Esto puede causar en realidad un aparente pico de voltaje un poco más alto (después de la caída de voltaje en la resistencia en serie) inmediatamente antes del pico de voltaje en circuito abierto. Dicho de otra manera, debido a la resistencia no nula de la fuente, 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 incorporadas en la pregunta, que es un sistema de control alrededor del generador. Lo que realmente estás viendo como reacción al quitar la carga reactiva no es el del generador desnudo, sino el del generador con su sistema de control compensando el cambio en la carga. Nuevamente, la resistencia inevitable en el sistema multiplicada por la corriente reactiva causa pérdidas reales. Ten en cuenta que parte de esa "resistencia" puede no ser resistencia eléctrica directa, sino problemas mecánicos proyectados al sistema eléctrico. Esas pérdidas reales se sumarán a la carga real en el generador, por lo que quitar la carga reactiva todavía alivia cierta 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, entonces la corriente reactiva todavía está causando pérdidas reales I2R en la línea de transmisión, que causan una carga real en el generador.

Answer 2

Considere que la impedancia de fuente del sistema de alimentación débil tiene tanto un componente resistivo como reactivo (es decir, una fuente de voltaje "ideal" en serie con una combinación RL). Al igual que 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, la razón del resultado observado (mayor caída de voltaje con cargas inductivas que con puramente resistivas) se vuelve clara.

En otras palabras, 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 alterna resultante en el sistema produce un voltaje en la carga más en fase con el del componente "ideal" de la fuente), por lo que la caída de voltaje a través de la impedancia de la fuente debe aumentar para entregar la misma corriente de carga.

Otra interpretación que hago de la pregunta se relaciona con transitorios, cuando una corriente grande que pasa a través de un inductor (todo el cableado tiene una propiedad inductiva) se interrumpe, el campo magnético colapsante induce un aumento de voltaje en el inductor proporcional a di/dt. Esto crea un pico transitorio en la carga por una fracción de ciclo, sin embargo, si hay una capacitancia significativa en el sistema, puede ocurrir un retumbo (oscilación) que extiende el transitorio durante unos ciclos. Estos transitorios hacen que la conmutación de cargas inductivas pesadas sea un desafío de diseño.

Answer 3

"Si desconectas repentinamente la carga, experimentarías un pico en el voltaje." Te sugiero que busques el efecto Ferranti. Al remover la carga, básicamente estás creando una línea ligeramente cargada.