Was bedeutet der Wert der Blindleistung physikalisch?

In meinem Kurs Energietechnik wurden wir in die Blindleistung eingeführt. Ich glaube zu verstehen, was Blindleistung im Wesentlichen ist: Es gibt eine Energieübertragung zwischen der Quelle und dem Induktor / Kondensator. Das macht für mich Sinn und ich kann viele Berechnungen gut machen. Ich verstehe jedoch nicht, was der Wert der Blindleistung darstellt. Aus meinen Notizen:

In Anbetracht der Diagramme von Leistung gegen Zeit in Schaltkreisen nur für Kondensatoren / Induktoren beträgt die durchschnittliche Leistung 0. Sollte dies nicht bedeuten, dass die durchschnittliche Blindleistung nur 0 beträgt?

Entschuldigung, wenn die Frage etwas unklar ist, fällt es mir schwer, nur meine Verwirrung zu erklären.

Lassen Sie uns den Leistungsaspekt für eine Sekunde ignorieren und darüber nachdenken, was Reaktanz wirklich ist.

Sie kennen sich mit Mathematik und Theorie aus und können mit komplexen Zahlen, Zeigern und all dem über Dinge in abstrakten theoretischen Konstrukten sprechen. Aber abstrakte Modelle sind genau das: abstrakte Modelle. Die Mathematik kann eine Sache modellieren, aber sie hilft Ihnen nicht wirklich, das physikalische System zu verstehen, das sie modelliert, außer auf andere abstrakte Arten.

Lassen Sie uns also die Mathematik für eine Sekunde ignorieren und darüber sprechen, was Reaktanz wirklich ist.

Sprechen wir eigentlich über Widerstand. Die eigentliche Komponente zur Impedanz. Letztendlich bedeutet Widerstand Energieverlust. Der Widerstand verbraucht einen Teil der kinetischen Energie von Elektronen, die sich durch den Stromkreis bewegen. Dies äußert sich in dem bekannten ohmschen Spannungsabfall, den wir bei jeder ohmschen Last sehen. Elektronen schlagen in Sachen ein, setzen sie in Schwingung und die ohmsche Last erwärmt sich, wenn Joule von den Elektronen verloren gehen und in die Last übertragen werden. Je schneller die Energierate ist, die sich durch diese Last bewegt, desto schneller geht die Energie verloren und desto schwerer müssen Sie Druck ausüben, um dies zu erreichen.

Aber das ist nur eine Seite der Medaille. Neben der einfachen Abgabe von Energie an die Umwelt kann noch eine weitere Option auftreten: Energie kann gespeichert werden. Kapazität und Induktivität werden oft als "Duale" voneinander bezeichnet, da sie beide Maßnahmen zur Energiespeicherung sind. Die Kapazität ist ein Maß für die in einem elektrischen Feld gespeicherte Energie, während die Induktivität ein Maß für die in einem Magnetfeld gespeicherte Energie ist.

Die gespeicherte Energie sieht zumindest auf den ersten Blick so aus, als würde Energie abgeführt. In beiden Fällen ist die im Stromkreis vorhandene Energie nicht mehr vorhanden. Der einzige Unterschied zwischen Widerstand und Reaktanz besteht darin, dass mit Widerstand diese Energie endgültig verloren geht, aber die Reaktanz wird diese Energie zu einem späteren Zeitpunkt schließlich an den Stromkreis zurückgeben. Nun, und natürlich als Maß für die Speicherung erreichen sie bei einem statischen Schaltkreis schließlich eine maximale Speichermenge. Ein Kondensator benötigt eine höhere Spannung, um mehr Energie zu speichern, ein Induktor benötigt ebenfalls einen höheren Strom, um mehr Energie zu speichern. Dies ist der Reaktanzaspekt. Wenn Energie gespeichert wird, wird durch diese Reaktanz scheinbar weniger Energie verbraucht, bis sie vollständig verschwindet. Wenn der Strom ausfällt, wird die gespeicherte Energie wieder in den Stromkreis abgegeben.

Was ist Scheinkraft? Es ist einfach die Rate, mit der eine Schaltung oder ein Teil einer Schaltung (abhängig davon, was Sie berechnen / betrachten) Energie speichert, oder, wenn die Größe entgegengesetzt ist, die Rate, mit der sie Energie freisetzt. Das ist alles. Es ist nicht seltsam oder seltsam, und es ist eine reale, physische, quantifizierbare Sache. Wenn Sie eine massive Kondensatorbank aus einer Batterie aufladen, verbraucht sie Joule aus dieser Batterie, und zwar mit einer bestimmten Rate, die zunächst am höchsten ist, aber schließlich auf Null fällt. Dies ist technisch gesehen Blindleistung. Aber es wird immer noch in Watt gemessen, und Watt ist immer Watt. Sie messen nur die Geschwindigkeit, mit der etwas Joule gespeichert hat, und nicht die Geschwindigkeit, mit der es sie einfach zerstreut hat.

Ich denke, Ihre Verwirrung ist, dass Sie tatsächlich schon zu der Antwort gekommen sind, ohne es zu merken. Wenn Sie einen Stromkreis haben, der nur Kondensatoren und Induktivitäten enthält, gibt es kein "P", da bei einer bestimmten Anzahl von Joule pro Sekunde keine Energie abgeführt wird. Es wird nur Energie gespeichert , die schließlich freigesetzt wird. Ja, der Durchschnitt liegt also bei 0. Blindleistung ist immer vorhanden. Es ist letztendlich nur Speicher, nicht Verbrauch, also ja, es wird immer immer durchschnittlich 0 sein. Diese Joule wurden ausgeliehen, aber Induktoren und Kondensatoren haben eine hervorragende Bonität und zahlen Sie immer irgendwann zurück, sodass Sie tatsächlich keine verloren haben Geld / Joule auf lange Sicht.

Sie müssen also überhaupt nicht mathematisch darüber sprechen. Wenn Sie verstehen, dass Blindleistung einfach die Geschwindigkeit ist, mit der Energie gespeichert und dann freigesetzt wird, gemessen in Joule pro Sekunde oder Watt wie alles andere, was mit Leistung zu tun hat, sollten Verhalten und Mathematik nur logisch sinnvoll sein, denn das ist letztendlich was Sie modellieren mit besagter Mathematik.

Nun könnte man sich fragen, warum Blindleistung überhaupt wichtig ist, wenn sie im Durchschnitt auf Null liegt.

Lassen Sie uns ganz schnell über den Leistungsfaktor sprechen. Der Leistungsfaktor ist natürlich das Verhältnis von realer zu scheinbarer Leistung. Dies scheint eine ziemlich seltsame oder sinnlose Sache zu sein, ein Verhältnis von zu haben. Ich meine, wen interessiert das? Die scheinbare Kraft geht nicht wirklich verloren, warum sollte man sie überhaupt messen?

Das Problem ist, dass dieser Energiespeicher niemals (außer im Fall von vielleicht Supraleitern) vollständig effizient ist. Elektronen müssen sich auf die negative Platte eines Kondensators bewegen, während eine gleiche Anzahl von Elektronen von der positiven Platte gedrückt wird. Die Bewegungsladung ist aktuell. Leiter (wieder, außer im Fall der Supraleitung) haben immer einen gewissen Widerstand, so dass Sie Verluste haben. Im Zusammenhang mit Wechselstrom, bei dem das Speichern von Energie in dieser Hinsicht einen tiefgreifenden Effekt hat, fließen immer wieder Elektronen ein und aus, die ohne Grund nutzlos Energie speichern. Obwohl die Energie in den Stromkreis zurückgeführt wird, leiden Sie immer noch unter Verlusten in Form von fließendem Strom, ohne dass dieser Arbeit leistet. Ja wirklich,

Vergessen Sie niemals dieses wichtige Konzept, dass all dies letztendlich nur eine andere Art von abstrakter Sichtweise oder Modellierung eines wahren, physischen Prozesses ist, der im Kern tatsächlich sehr einfach ist. Die Speicherung von Energie und dass es zwei verschiedene Felder gibt, mit denen sie gespeichert werden kann. Aus diesem Konzept kann alles andere abgeleitet werden.

Wenn Sie eine komplexe Last haben, kann die zugehörige Leistung mit einer komplexen Zahl modelliert werden:

Wobei S die komplexe Leistung ist, die normalerweise in VA gemessen wird, P die Wirkleistung ist, die in W gemessen wird, und Q die Blindleistung ist, die in VAR gemessen wird.

Wie bereits erwähnt, ist die einzige "Nutzleistung" die Wirkleistung P, da sie die einzige in der Last verbrauchte Leistung ist, die nützliche Arbeit leisten kann.

Aber wie sieht es mit der Stromversorgung der Last aus?

Angenommen, Sie haben eine rein kapazitive Last und eine sinusförmige Stromquelle und müssen die Leiter von der Quelle zum Kondensator dimensionieren. Sie berechnen die Wirkleistung und sie ist Null! Sie verwenden sehr dünne Drähte, um die Kappe zu verbinden und ... BANG sie verdampfen. Was ist passiert?

Die Blindleistung Q muss, auch wenn sie nicht abgeführt wird, zur und von der Last getragen werden und muss bei der Dimensionierung aller Komponenten berücksichtigt werden, die eine Stromübertragungsleitung bilden. Da in der Regel$P\neq0$Um eine Stromleitung zu dimensionieren, verwenden Energieingenieure Scheinleistung , dh die Größe von S, oder$\sqrt{P^2+Q^2}$.

Um Ihre Frage zu beantworten, stellt Q physikalisch die Leistung dar, die kontinuierlich zwischen der Quelle und der Last "zurückgeworfen" wird, und es ist von grundlegender Bedeutung, Leiter, Transformatoren, Schalter und alles, was eine Stromleitung ausmacht, zu dimensionieren.

"Blindleistung" ist eine von mehreren Möglichkeiten, um die Tatsache in Einklang zu bringen, dass in Wechselstromsystemen die Spannung mal der Strom nicht die Durchschnittsleistung ist.

Der Grund, warum rms (V) x rms (I) nicht ave (V x I) ist, ist die Phasenverschiebung. Wenn V und ich die gleiche Phase haben, ist rms (V) x rms (I) ave (V x I), was die gelieferte Leistung ist. Wenn die Phase zwischen V und I zunimmt, nimmt die abgegebene Leistung ab, während Effektivwert (V) und Effektivwert (I) gleich bleiben.

Dies kann berücksichtigt werden, indem der Phasenwinkel verfolgt wird, V oder I als Phaser betrachtet werden oder die Teile 0 ° und 90 ° getrennt behandelt werden.

Blindleistung ist im Grunde eine Buchhaltungsmethode, bei der die 0 ° - und 90 ° -Komponenten des Stroms getrennt berücksichtigt werden. Da die Phasenverschiebung von Spannung und Strom nur relativ zueinander ist, können Sie eine als Referenz auswählen und die andere Phasenverschiebung relativ zu dieser Referenz berücksichtigen. In dem Blindleistungsschema ist die Spannung die Referenz und der Strom ist gegenüber der Spannung phasenverschoben.

Es ist zu beachten, dass die Phasenverschiebung des Stroms als Winkel oder äquivalent als 0 ° - und 90 ° -Komponente ausgedrückt werden kann. Die Wirkleistung ist die Spannung mal der 0 ° Stromkomponente und die Blindleistung die Spannung mal die 90 ° Stromkomponente.

Sie haben Recht damit, dass Blindleistung eigentlich keine Leistung liefert. Die Verwirrung ist, dass das Wort "Macht" angewendet wird. Die Bezeichnung "reaktive VA" mag genauer sein, aber richtig oder falsch, die Branche hat sich dem Begriff "Blindleistung" angenähert.

Dieses Buchhaltungsschema hat einige nützliche Eigenschaften. Indem die Wirk- und Blindleistung getrennt betrachtet und berücksichtigt werden, können sie leichter getrennt behandelt werden. Kondensatoren sind beispielsweise Blindleistungsgeneratoren. Dies mag auf den ersten Blick seltsam klingen, aber wenn Sie sich erst einmal mit der Definition von Blindleistung befasst haben, sind dies Kondensatoren. Beachten Sie, dass Induktivitäten daher Blindleistungsverbraucher sind. Das Stromnetz sieht normalerweise etwas induktiv aus, daher wurde "Blindleistung" als positiv definiert, um diese Induktivität zu speisen.

Kondensatoren gleichen die durch Induktivitäten verursachte Phasenverschiebung tatsächlich aus, unabhängig davon, welche Buchhaltungskonvention verwendet wird. Beim Umgang mit dem Stromnetz hat sich die Buchhaltungsmethode "Blindleistung" als nützlich erwiesen, um schnell zu bewerten, was vor sich geht und was zum Ausgleich von Blindlasten erforderlich ist.

Zum Beispiel könnten Sie eine Situation als 101,5 MVA mit 10 ° Nachlaufphase beschreiben, oder Sie könnten sie als 100 MW Wirkleistung und 17,4 MW Blindleistung beschreiben. Die beiden sind mathematisch gleich. Letzteres ist jedoch normalerweise ein unmittelbar nützlicher Ausdruck, wenn es um diese Situation in der Welt der Energieversorger geht.

Blindleistung $Q$ ist ein Maß für die Energie $E$das schwingt verlustfrei zwischen Generator und Last. Zu jedem Zeitpunkt kann sich Energie von der Last zum Generator oder in die andere Richtung bewegen, und die in der Last gespeicherte Energie ändert sich im Laufe der Zeit. Aber die Summe der Energie in beiden ist konstant, da per Definition kein Verlust entsteht.

Speziell:

oder

wo $f$ ist die Frequenz.

Wenn Sie die Konvention befolgen, eine negative Reaktanz für Kondensatoren zu verwenden, erhalten Sie möglicherweise eine "negative Leistung". Dies ist jedoch nur eine mathematische Konvention zur Unterscheidung zwischen einer Phasenverschiebung von 90 ° oder -90 °. In beiden Fällen ist die zwischen Last und Generator schwingende Gesamtenergie gleich.

Ableitung:

Angenommen, die Last ist nur ein idealer Induktor.

Die Reaktanz $X$ wird uns das Verhältnis der Effektivspannung mitteilen $V$ zu aktuell $I$::

Und Blindleistung $Q$ ist nur das Produkt von Spannung und Strom, da unsere Last rein reaktiv ist:

Die Reaktanz hängt von der Frequenz ab $f$ und Induktivität $L$::

Kombiniere (1) und (2), um Folgendes zu erhalten:

Energie $E$ In einem Induktor gespeichert ist eine Funktion der Induktivität und des Stroms $I$::

Wenn der Strom einen Spitzenwert erreicht, wird auch die im Lastinduktor gespeicherte Energie gespeichert. Wir können den Effektivstrom wie folgt in einen momentanen Spitzenstrom umwandeln:

Kombinieren wir diese Gleichungen beginnend mit (5):

Sub in den Gleichungen 3 und 6:

Vereinfachen:

Ohmsches Gesetz oder (4):

Vereinfachen:

Dies ist wiederum die Spitzenenergie, die in unserem Lastinduktor gespeichert ist, einer rein reaktiven Last.

Nach den Gesetzen zur Energieeinsparung sollte klar sein, dass bei einem Maximum der im Induktor gespeicherten Energie die im Generator gespeicherte Energie Null ist und die Energie nirgendwo anders hingehen kann. Dies ist also zu jedem Zeitpunkt auch die Gesamtenergie in das System.

Der einfachste Weg, über Blindleistung nachzudenken, besteht darin, zu erkennen, dass einige Arten von Lasten einen Teil jedes Zyklus damit verbringen, Energie aus der Leitung zu entnehmen, die über den Verbrauch hinausgeht, und dann einen weiteren Teil jedes Zyklus damit verbringen, die überschüssige Energie zu liefern zurück . Wenn eine Last aus einem passiven Netzwerk von Widerständen, Induktivitäten und Kondensatoren besteht, absorbiert das Gerät jedes Mal, wenn die Blindkomponente der Momentanleistung positiv ist, Energie, die es letztendlich zurückgeben wird, und wenn die Blindkomponente negativ ist gibt die zuvor gespeicherte Energie zurück.

Physisch darzustellen, während man sich noch um Elektrizität kümmert, ist eine schwierige Frage. Wenn Sie eine Analogie akzeptieren können, ist dies meine bevorzugte Erklärung der Blindleistung, die Sie aus Sicht der Versorgungsunternehmen betrachten: