Después de investigar con expertos en este tema, programadores de varias ramas y profesores dimos con la solución a la pregunta y la plasmamos en este post.
Solución:
¿Por qué la potencia reactiva influye en el voltaje? Suponga que tiene un sistema de energía (débil) con una gran carga reactiva. Si desconecta repentinamente la carga, experimentará un pico en el voltaje.
Primero, necesitamos definir qué se está preguntando exactamente. Ahora que ha dicho que se trata de un sistema de energía a escala de servicios públicos, no de 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 del sistema sería resistiva, pero en realidad es parcialmente inductiva. Ellos separan esta carga en componentes resistivos e inductivos puros y se refieren a lo que se entrega a la resistencia como “potencia real” y a lo que se entrega a la inductancia como “potencia reactiva”.
Esto da lugar a algunas cosas interesantes, como que un condensador al otro lado de una línea de transmisión es un generador de energía negativa. Sí, eso suena gracioso, pero si sigue la definición de potencia reactiva anterior, todo esto es consistente y no se viola la física. De hecho, a veces se utilizan condensadores para “generar” potencia reactiva.
La corriente real que sale de un generador se retrasa con respecto al voltaje en 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 la fase 0 y el otro retrasado en la fase de 90 °. La primera es la corriente que provoca la potencia real y la segunda la potencia reactiva. Las dos formas de describir la corriente total con respecto al voltaje son matemáticamente equivalentes (cada una puede convertirse inequívocamente en la otra).
Entonces, la pregunta se reduce a ¿por qué la corriente del generador que se retrasa 90 ° con respecto al voltaje hace que el voltaje disminuya? Creo que hay dos respuestas a esto.
Primero, cualquier corriente, independientemente de la fase, aún causa una caída de voltaje a través de la resistencia inevitable en el sistema. Esta corriente cruza 0 en el pico de 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 un poco 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 al que tiene el voltaje de circuito abierto.
Creo que la respuesta real tiene que ver con suposiciones implícitas incorporadas 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 en la carga. Nuevamente, la resistencia inevitable en el sistema multiplicada por la corriente reactiva provoca pérdidas reales. Tenga en cuenta que parte de esa “resistencia” puede no ser una 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 eliminar la carga reactiva aún alivia algo de 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 I2R pérdidas en la línea de transmisión, que provocan una carga real en el generador.
Considere que la impedancia de la fuente del sistema de energía débil tiene un componente tanto resistivo como 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, se aclara la razón del resultado observado (mayor caída de voltaje con cargas inductivas que con puramente resistivas).
Para decirlo de otra manera, hay dos formas de obtener más corriente de la impedancia de una fuente reactiva: una es aumentar la caída de voltaje y 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 CA 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.
La otra interpretación que hago de la pregunta se relaciona con los transitorios, cuando se interrumpe una gran corriente que pasa 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 ciclo; sin embargo, si hay una capacitancia significativa en el sistema, puede producirse un timbre (oscilación) que extienda el transitorio en unos pocos ciclos. Estos transitorios hacen que la conmutación de cargas inductivas pesadas sea un desafío de diseño.
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