¿Por qué la potencia reactiva afecta el voltaje?

¿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, experimentaría un pico en el voltaje.

Primero, necesitamos definir qué es exactamente lo que se pregunta. Ahora que ha dicho que se trata de un sistema de energía a escala de servicios públicos, no de la salida de un opamp o algo así, sabemos lo que significa "potencia reactiva". Este 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 componentes resistivos puros e inductivos puros 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 algunas cosas interesantes, como que un condensador en una línea de transmisión es un generador de energía reactiva. Sí, eso suena divertido, pero si sigue la definición de potencia reactiva anterior, todo esto es consistente y no se viola la física. De hecho, los capacitores a veces se usan para "generar" potencia reactiva.

La corriente real que sale de un generador está retrasada 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 considera como dos componentes separados con magnitudes separadas, uno en fase 0 y el otro retrasado en fase de 90°. La primera es la corriente que origina la potencia real y la segunda la potencia reactiva. Las dos formas de describir la corriente general 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 está retrasada 90 ° con respecto al voltaje hace que el voltaje baje? Creo que hay dos respuestas a esto.

En primer lugar, cualquier corriente, independientemente de la fase, sigue provocando una caída de tensión en la inevitable resistencia del sistema. Esta corriente cruza 0 en el pico del voltaje, por lo que podría decir que no debería afectar el pico del 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 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 verdadera respuesta tiene que ver con suposiciones no declaradas integradas en la pregunta, que es un sistema de control alrededor del generador. Lo que realmente está viendo es 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. Una vez más, la inevitable resistencia en el sistema multiplicada por la corriente reactiva provoca pérdidas reales. Tenga 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 del generador, por lo que eliminar la carga reactiva aún alivia algo de la carga real.

Este mecanismo se vuelve más sustancial cuanto más amplio es el "sistema" que produce la potencia reactiva. Si el sistema incluye una línea de transmisión, entonces la corriente reactiva sigue causando pérdidas reales de I ² R en la línea de transmisión, lo que provoca una carga real en el generador.

Considere que la impedancia de la fuente del sistema de potencia 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 del divisor de voltaje estándar a impedancias complejas, la razón del resultado observado (mayor caída de voltaje con cargas inductivas que con cargas puramente resistivas) se vuelve clara.

Para decirlo de otra manera, 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 en el 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 que colapsa 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 ocurrir un zumbido (oscilación) que extiende el transitorio durante unos pocos ciclos. Estos transitorios hacen que la conmutación de cargas inductivas pesadas sea un desafío de diseño.

"Si desconectas repentinamente la carga, experimentarás un pico en el voltaje". Te sugiero que busques el efecto Ferranti . Cuando elimina la carga, esencialmente está creando una línea ligeramente cargada.