¿La potencia reactiva causa el uso de combustible adicional en un UPS diesel?

Es un poco teórico, de poco uso práctico, pero solo quiero entender la física detrás de esto. Soy consciente de que estoy simplificando bastante las cosas.

En la energía eléctrica, diferenciamos la potencia real, reactiva y aparente y, por supuesto, queremos que la parte reactiva sea pequeña, pero con cargas prácticas, este rara vez es el caso.

El otro día, un colega mío y yo estábamos discutiendo sobre un UPS Rotary Diesel de varios MW (la demora en cargarse) en uno de nuestros centros de datos y se me ocurrió la siguiente pregunta, que no pudimos responder nosotros mismos. :

Supongamos que la carga en el UPS causa un no ideal ( φ ) en ese UPS, lo que hace que la potencia reactiva Q > 0 se transporte a través de las líneas de alimentación de un lado a otro. ¿El motor Diesel aún usaría combustible solo para la parte de potencia real o la potencia reactiva también tiene su impacto en el consumo de combustible? Teóricamente, la potencia reactiva no se consume, pero se siente extraño una vez que la potencia de la red se reemplaza por un motor Diesel. ¿Existe el poder reactivo en el mundo mecánico?$\text{cos(}\varphi\text{)}$$Q > 0$

La potencia reactiva no pondría carga adicional en el eje del generador si todo fuera perfecto. Sin embargo, los generadores reales tienen pérdidas reales, y algunas de ellas son proporcionales al cuadrado de la corriente. La carga reactiva causa más corriente en los cables de la que habría con una carga puramente resistiva de la misma potencia real. La corriente extra hace que se pierda potencia real adicional.

Entonces, la respuesta es que el motor verá una carga algo mayor y, por lo tanto, usará un poco más de combustible. Esto se debe a que hay más ineficiencias y pérdidas en el sistema, no ser la potencia reactiva misma hace que el generador sea más difícil de encender.

Adicional:

Debería haber mencionado esto antes, pero de alguna manera se me pasó por la cabeza en ese momento.

Una carga reactiva en un generador perfecto no requiere más potencia promedio del eje durante un ciclo, pero agrega "golpes" al par. Un atributo de un generador de CA trifásico es que el par es constante durante un ciclo con una carga resistiva. Sin embargo, con una carga reactiva, las partes del ciclo requerirán más potencia y otras partes menos. La potencia promedio sigue siendo la misma, pero empujar constantemente hacia adelante y hacia atrás en relación con el par promedio puede causar tensiones y vibraciones mecánicas indeseables.

Puedes pensar en esto un poco como mover dos imanes uno al lado del otro. Digamos que están orientados a repeler. A distancia hay poca fuerza. Tienes que aplicar fuerza para moverlos juntos, lo que significa que pones energía en el sistema. Los imanes empujan en la dirección del movimiento a medida que se alejan, devolviéndote así la energía que pusiste antes. La energía neta gastada es 0, pero definitivamente hubo un flujo de energía de un lado a otro. Siempre hay alguna pérdida a medida que la energía se mueve o se convierte de un lado a otro en sistemas reales.

Una vez más, la potencia reactiva en sí misma no causa el problema, pero la potencia real se pierde porque la energía no se puede mover y convertir con eficiencia perfecta. Esta pérdida de potencia real debe compensarse con una entrada de potencia más real. Además, las fuerzas mecánicas adicionales pueden disminuir la vida del generador y el motor que lo conduce.

Como Olin Lathrop respondió a su primera pregunta.

¿Existe el poder reactivo en el mundo mecánico?

En el sistema mecánico, la potencia reactiva existe. Pero no hay una manera simple de explicar esto sin entrar en un movimiento armónico simple.

$\omega$$R \cos (\omega)$$R \sin (\omega)$

$x= R \cos (\omega t)$

$y =R \sin (\omega t)$

$\alpha$

$F \cos(\alpha)$

$= F \cos(\alpha ) v = F \cos (\alpha ) \omega R$

$= F \sin (\alpha) 0 = 0$

Pero una persona que vea esto pensará que estoy aplicando una fuerza 'F' y se está moviendo a la velocidad de 'v', por lo que la potencia debería ser Fv, pero debido a la diferencia de frase no lo hará. Esto también le sucedió a su vatímetro. Debido a que no cuenta la diferencia de frase entre la corriente y el voltaje, así como en el ejemplo mecánico anterior, no cuenta la dirección de la fuerza frente a la dirección del movimiento.

El componente reactivo puro de la energía no consumirá combustible extra.

El flujo de energía del componente reactivo seguirá cambiando de dirección manteniendo un promedio de cero. Cuando el flujo de energía se dirige hacia atrás, el par aplicado al eje del generador se reducirá (durante unos pocos milisegundos cada pocos milisegundos), porque el generador actuará un poquito como un motor, pero permanecerá principalmente como generador.

La parte de combustión de la máquina verá una carga promedio igual al componente activo solamente. Digamos que si la función de la ruta de suministro de combustible es mantener una velocidad constante, entonces las variaciones de torque (carga) se reflejarán en la cantidad de combustible. Más torque, significa más combustible, más potencia activa consumida, con la misma velocidad.

El experimento a pequeña escala consiste en girar el eje del motor de CA de imán permanente con los dedos cuando está desconectado. Luego conecte el condensador y compare.

Como se señaló anteriormente, el par requerido para una carga reactiva trifásica equilibrada es constante y cero. Esto oculta el hecho de que durante la mitad de cada ciclo, cada carga reactiva empuja la energía de vuelta a la fase / fases que está / está aceptando energía.

Si la carga reactiva no está equilibrada, la energía se retroalimenta al generador. No se puede recuperar la energía química, y parte de esa energía se devuelve al generador se pierde, pero parte de la energía se devuelve a la energía cinética giratoria del generador. Lo que hace que el generador gire más rápido-más lento-más rápido-más lento, etc.

También está oculto el hecho de que si el generador gira más rápido, entra más energía en las cargas capacitivas, y la energía sale de las cargas inductivas.

Para un grupo electrógeno muy grande, con una energía almacenada significativa, el retorno de la energía reactiva de una red inductiva puede hacer que aumente la frecuencia de transmisión y eventualmente hacer que todo el sistema sea inestable (frecuencia más alta, retorno más reactivo, frecuencia más alta, retorno más reactivo , generador gira fuera de control y autodestrucciones). Por esta razón, las redes eléctricas están diseñadas para funcionar con una carga ligeramente capacitiva, a pesar de que esto aumenta las corrientes máximas y reduce la eficiencia de la red.

Volviendo a su pregunta original, a medida que el grupo electrógeno gira, vierte energía en todas las cargas reactivas adjuntas, incluso las equilibradas, a medida que aumenta el voltaje. Puede ser pequeño, pero no puedes recuperar esa energía. Cuando desconecta el generador, no recupera la energía química nuevamente.

Pensé que los generadores generan energía eléctrica que está en KVA. De esta energía KVA generada, la primera parte kvar se utilizará mediante carga inductiva para mantener el equipo cargado magnéticamente y la segunda parte kw se utilizará para producir un par que dependería de la carga. A cargas más altas, kvar es insignificante en comparación con kw. Pero aún así el generador tiene que producirlo. Si se conecta una bobina inductiva pura a la carga, el generador solo generará un componente kvar en libras y el consumo de combustible será más que sin carga