Warum wirkt sich Blindleistung auf die Spannung aus?

Warum beeinflusst Blindleistung die Spannung? Angenommen, Sie haben ein (schwaches) Stromversorgungssystem mit einer großen Blindlast. Wenn Sie die Last plötzlich abschalten, tritt ein Spannungsspitzenwert auf.

Gibt es eine gute Erklärung dafür?

Für diejenigen, die daran interessiert sind, warum Spannungspegel und Blindleistung eng mit einer zuverlässigen Quelle zusammenhängen, ist hier das Originalpapier, das den Algorithmus für den schnellen entkoppelten Lastfluss beschreibt (Sie benötigen Zugriff auf IEEE):

"Stott und O. Alsac," Fast decoupled load flow "IEEE Trans. Auf PAS, Bd. 93, Nr. 3, S. 859-869, Mai / Juni 1974"

Siehe auch Seite 79 in diesem Lehrbuch von Wood / Wollenberg auf books.google .

Ein Zitat von Roger C Dugan, dem Autor dieses Lehrbuchs über elektrische Energiesysteme:

Blindleistung (VARs) ist erforderlich, um die Spannung aufrechtzuerhalten und Wirkleistung (Watt) über Übertragungsleitungen zu liefern. Motorlasten und andere Lasten benötigen Blindleistung, um den Elektronenfluss in nützliche Arbeit umzuwandeln. Wenn nicht genügend Blindleistung vorhanden ist, sinkt die Spannung und es ist nicht möglich, die von den Verbrauchern angeforderte Leistung durch die Leitungen zu leiten.

_{Ich glaube, der Bearbeitungsverlauf könnte für alle interessant sein, die sich fragen, worum es bei der Bearbeitung und allen Kommentaren geht.}

Warum beeinflusst Blindleistung die Spannung? Angenommen, Sie haben ein (schwaches) Stromversorgungssystem mit einer großen Blindlast. Wenn Sie die Last plötzlich abschalten, würde die Spannung einen Spitzenwert erreichen.

Zuerst müssen wir definieren, was genau gefragt wird. Nachdem Sie nun festgestellt haben, dass es sich um ein Versorgungssystem handelt, nicht um die Leistung eines Operationsverstärkers oder Ähnliches, wissen wir, was "Blindleistung" bedeutet. Dies ist eine Abkürzung, die in der Elektroindustrie verwendet wird. Idealerweise ist die Belastung des Systems ohmsch, in Wirklichkeit jedoch teilweise induktiv. Sie unterteilen diese Last in reine ohmsche und reine induktive Komponenten und bezeichnen das, was dem Widerstand zugeführt wird, als "Wirkleistung" und das, was der Induktivität zugeführt wird, als "Blindleistung".

Daraus ergeben sich einige interessante Dinge, zum Beispiel, dass ein Kondensator über einer Übertragungsleitung ein Blindleistungsgenerator ist. Ja, das hört sich lustig an, aber wenn Sie der obigen Definition von Blindleistung folgen, ist dies alles konsistent und es wird keine Physik verletzt. Tatsächlich werden manchmal Kondensatoren verwendet, um Blindleistung zu "erzeugen".

Der tatsächliche Strom, der aus einem Generator kommt, liegt um einen kleinen Phasenwinkel hinter der Spannung. Anstatt dies als Betrag und Phasenwinkel zu betrachten, werden zwei separate Komponenten mit unterschiedlichen Beträgen betrachtet, eine bei 0-Phase und die andere bei 90 ° -Phase. Ersterer ist der Strom, der Wirkleistung und letzterer Blindleistung verursacht. Die beiden Arten der Beschreibung des Gesamtstroms in Bezug auf die Spannung sind mathematisch äquivalent (jede kann eindeutig in die andere umgewandelt werden).

Es stellt sich also die Frage, warum der Generatorstrom, der der Spannung um 90 ° nacheilt, zu einem Spannungsabfall führt. Ich denke, darauf gibt es zwei Antworten.

Erstens verursacht jeder Strom, unabhängig von der Phase, immer noch einen Spannungsabfall über den unvermeidlichen Widerstand im System. Dieser Strom durchquert 0 an der Spitze der Spannung. Man könnte also sagen, dass er die Spannungsspitze nicht beeinflussen sollte. Der Strom ist jedoch kurz vor der Spannungsspitze negativ. Dies kann tatsächlich einen etwas höheren scheinbaren Spannungspeak (nach dem Spannungsabfall am Serienwiderstand) unmittelbar vor dem Leerlauf-Spannungspeak verursachen. Anders ausgedrückt hat die scheinbare Ausgangsspannung aufgrund des Nicht-Null-Quellenwiderstands eine andere Spitze an einer anderen Stelle als die Leerlaufspannung.

Ich denke, die wirkliche Antwort hat mit unausgesprochenen Annahmen zu tun, die in die Frage eingebaut sind, die ein Steuersystem um den Generator darstellt. Was Sie wirklich sehen, ist die Reaktion auf das Entfernen der Blindlast nicht die des bloßen Generators, sondern die des Generators mit seinem Steuersystem, das die Änderung der Last ausgleicht. Auch hier verursacht der unvermeidliche Widerstand im System mal den Blindstrom echte Verluste. Es ist zu beachten, dass ein Teil dieses "Widerstands" möglicherweise kein direkter elektrischer Widerstand ist, sondern mechanische Probleme, die auf das elektrische System projiziert werden. Diese realen Verluste erhöhen die reale Last des Generators, sodass durch das Entfernen der Blindlast immer noch eine echte Last entlastet wird.

Dieser Mechanismus wird umso umfangreicher, je breiter das "System" ist, das die Blindleistung erzeugt. Wenn das System eine Übertragungsleitung enthält, verursacht der Blindstrom immer noch echte I ² R-Verluste in der Übertragungsleitung, die eine echte Belastung des Generators verursachen.

Berücksichtigen Sie, dass die Quellenimpedanz des schwachen Stromversorgungssystems sowohl eine ohmsche als auch eine reaktive Komponente aufweist (dh eine "ideale" Spannungsquelle in Reihe mit einer RL-Kombination). So wie eine ohmsche Last mit der Quelle einen "Spannungsteiler" bildet, tut dies auch eine Blindlast. Durch die Anwendung der Standard-Spannungsteilerregeln auf komplexe Impedanzen wird der Grund für das beobachtete Ergebnis (größerer Spannungsabfall bei induktiven Lasten als bei rein ohmschen Lasten) deutlich.

Anders ausgedrückt gibt es zwei Möglichkeiten, um mehr Strom aus einer reaktiven Quellenimpedanz herauszuholen - eine besteht darin, den Spannungsabfall zu erhöhen, die zweite darin, die Phasenverschiebung über die induktive Komponente zu erhöhen. Das Hinzufügen einer Blindlast mit dem gleichen "Vorzeichen" der komplexen Impedanz verringert diese Phasenverschiebung (da der resultierende Wechselstrom im System eine Spannung an der Last erzeugt, die mit der der "idealen" Komponente der Quelle phasengleicher ist) Der Spannungsabfall über der Quellenimpedanz muss ansteigen, um den gleichen Laststrom zu liefern.

Die andere Interpretation, die ich von der Frage mache, bezieht sich auf Transienten, wenn ein großer Strom, der durch eine Induktivität fließt (alle Verdrahtungen haben eine induktive Eigenschaft), unterbrochen wird, das zusammenbrechende Magnetfeld einen Spannungsanstieg in der Induktivität proportional zu di / dt induziert. Dies erzeugt einen transienten Spitzenwert an der Last für einen Bruchteil eines Zyklus. Wenn jedoch eine signifikante Kapazität im System vorhanden ist, kann ein Überschwingen (Oszillation) auftreten, das den transienten Wert über einige Zyklen verteilt. Diese Transienten machen das Schalten schwerer induktiver Lasten zu einer konstruktiven Herausforderung.

"Wenn Sie die Last plötzlich abschalten, würde die Spannung einen Spitzenwert erreichen." Ich schlage vor, Sie schauen das nach Ferranti-Effekt . Wenn Sie die Last entfernen, erstellen Sie im Wesentlichen eine leicht belastete Linie.