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 trennen, würden Sie eine Spannungsspitze erleben.

Zuerst müssen wir definieren, was genau gefragt wird. Nachdem Sie nun angegeben haben, dass dies ein Stromversorgungssystem im Versorgungsmaßstab betrifft, nicht die Ausgabe eines Operationsverstärkers oder ähnliches, wissen wir, was "Blindleistung" bedeutet. Dies ist eine Abkürzung, die in der Elektrizitätsindustrie verwendet wird. Idealerweise wäre die Last auf dem System resistiv, aber in Wirklichkeit ist sie teilweise induktiv. Sie trennen diese Last in rein ohmsche und rein induktive Komponenten und bezeichnen das, was an den Widerstand geliefert wird, als "Wirkleistung" und was an die Induktivität als "Blindleistung".

Dies führt zu einigen interessanten Dingen, wie zum Beispiel, dass ein Kondensator über einer Übertragungsleitung ein Blindleistungsgenerator ist. Ja, das klingt komisch, aber wenn man der Definition von Blindleistung oben folgt, ist das alles konsistent und es wird keine Physik verletzt. Tatsächlich werden Kondensatoren manchmal verwendet, um Blindleistung zu „erzeugen“.

Der tatsächliche Strom, der aus einem Generator kommt, eilt der Spannung um einen kleinen Phasenwinkel nach. Anstatt dies als Größe und Phasenwinkel zu betrachten, wird es als zwei separate Komponenten mit separaten Größen betrachtet, eine bei 0-Phase und die andere bei 90°-Phase nacheilend. Ersteres ist der Strom, der Wirkleistung verursacht, letzteres Blindleistung. Die beiden Arten der Beschreibung des Gesamtstroms in Bezug auf die Spannung sind mathematisch äquivalent (jedes kann eindeutig in das andere umgerechnet werden).

Die Frage läuft also darauf hinaus, warum ein Generatorstrom, der der Spannung um 90 ° nacheilt, dazu führt, dass die Spannung abfällt. Ich denke, darauf gibt es zwei Antworten.

Erstens verursacht jeder Strom, unabhängig von der Phase, immer noch einen Spannungsabfall über dem unvermeidlichen Widerstand im System. Dieser Strom kreuzt 0 an der Spitze der Spannung, also könnte man sagen, dass er die Spannungsspitze nicht beeinflussen sollte. Unmittelbar vor der Spannungsspitze ist der Strom jedoch negativ. Dies kann tatsächlich eine etwas höhere scheinbare (nach dem Spannungsabfall am Serienwiderstand) Spannungsspitze unmittelbar vor der Leerlaufspannungsspitze verursachen. Anders ausgedrückt, aufgrund des Quellenwiderstands ungleich Null hat die scheinbare Ausgangsspannung an einer anderen Stelle eine andere Spitze als die Leerlaufspannung.

Ich denke, die wirkliche Antwort hat mit unausgesprochenen Annahmen zu tun, die in die Frage eingebaut sind, bei der es sich um ein Steuersystem um den Generator herum handelt. 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 Laständerung kompensiert. Auch hier verursacht der unvermeidliche Widerstand im Netz multipliziert mit dem Blindstrom echte Verluste. Beachten Sie, dass ein Teil dieses "Widerstands" möglicherweise kein direkter elektrischer Widerstand ist, sondern mechanische Probleme, die auf das elektrische System projiziert werden. Diese realen Verluste werden zur realen Belastung des Generators beitragen, sodass das Entfernen der Blindlast immer noch eine gewisse reale Belastung entlastet.

Dieser Mechanismus wird umso substantieller, 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.

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

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

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

"Wenn Sie plötzlich die Last trennen, würden Sie eine Spannungsspitze erleben." Ich schlage vor, Sie schauen sich den Ferranti-Effekt an . Wenn Sie die Last entfernen, erstellen Sie im Wesentlichen eine leicht belastete Linie.