Question:
Que représente physiquement la valeur de la puissance réactive?
masiewpao
2017-04-18 21:12:39 UTC
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Dans mon cours de génie énergétique, nous avons été initiés à la puissance réactive.Je crois comprendre ce qu'est la puissance réactive par essence: il y a un transfert d'énergie entre la source et l'inducteur / condensateur.Cela a du sens pour moi et je peux très bien faire de nombreux calculs.Cependant, je ne comprends pas ce que représente la valeur de la puissance réactive.D'après mes notes:

$$ \ begin {align *} P = VI \ cos \ psi \\ Q = VI \ sin \ psi \ end {align *} $$ où P et Q sont respectivement la puissance active et la puissance réactive.Je comprends la formule de P, et sa dérivation est présentée dans mes notes.Physiquement, P représente la quantité d'énergie dissipée à travers la résistance.Que représente Q?

Compte tenu des graphiques de puissance en fonction du temps dans les circuits à condensateur / inductance uniquement, la puissance moyenne est de 0. Cela ne devrait-il pas signifier qu'en moyenne la puissance réactive est juste de 0?

Toutes mes excuses si la question n'est pas claire, j'ai du mal à expliquer ma confusion.

Donc Q est une quantification de la puissance transférée entre la source et la charge.Positif, la puissance est absorbée par l'appareil, négative, renvoyée en raison de l'effondrement du champ magnétique ou électrique,
Vous pouvez également regarder cela d'un point de vue énergétique.La puissance réactive est le travail effectué pour établir et réduire les champs magnétiques et électriques dans les composants (en particulier les inducteurs et les condensateurs).Ce pouvoir n'est «pas réel» dans le sens où il ne fait aucun travail utile, mais doit être mis dans le système pour le rendre opérationnel au départ.
Juste pour ajouter une autre analogie.Pensez à marcher sur un long trampoline.Si vous allez à pas de géant, vous transférerez de l'énergie entre le poids suspendu sur le trampoline (appelez ce potentiel électrostatique stocké en capacité) et l'énergie potentielle dans l'air lorsqu'il n'est pas en contact avec la surface (appelez ce potentiel magnétique stocké dans l'inductance.Dans tous les cas, l'énergie nécessaire pour arriver à la fin est la même, que vous marchiez ou rebondissiez sur votre chemin.Mais la marge dont vous avez besoin est différente, selon.
[La puissance réactive constitue une excellente analogie avec la bière] (http://www.electricaltechnology.org/wp-content/uploads/2013/07/Beer-Analogy-of-Active-or-True-power-reactive-power-Apparent-Facteur de puissance et de puissance..jpg)
* 0 en moyenne * est très différent de * seulement 0 *.La tension alternative et le courant sont également de 0 en moyenne.
Six réponses:
#1
+16
metacollin
2017-04-18 22:42:42 UTC
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Ignorons l'aspect puissance pendant une seconde et réfléchissons à ce qu'est réellement la réactance.

Vous connaissez les mathématiques et la théorie, vous pouvez parler de choses dans des constructions théoriques abstraites en utilisant des nombres complexes, des phaseurs, etc. Mais les modèles abstraits sont exactement cela: des modèles abstraits. Les mathématiques peuvent modéliser une chose, mais elles ne vous aideront pas vraiment à comprendre le système physique qu'elles modélisent, sauf de manière abstraite.

Alors ignorons le calcul pendant une seconde et parlons de ce qu'est réellement la réactance .

En fait, parlons de résistance. Le vrai composant de l'impédance. En fin de compte, la résistance représente une perte d'énergie. La résistance consomme une partie de l'énergie cinétique des électrons se déplaçant à travers le circuit, et cela se manifeste par la chute de tension ohmique familière que nous voyons à travers toute charge résistive. Les électrons s'enfoncent dans les choses, les font vibrer et la charge résistive se réchauffe lorsque les joules sont perdus par les électrons et transférés dans la charge. Plus le taux d'énergie qui traverse cette charge est rapide, plus le taux de perte de puissance est rapide et plus vous devez pousser pour que cela se produise.

Mais ce n'est qu'un côté de la médaille. Outre la simple dissipation d'énergie dans l'environnement, une autre option peut se produire: l'énergie peut être stockée. La capacité et l'inductance sont souvent considérées comme étant «duales» l'une de l'autre parce qu'elles sont toutes deux des mesures du stockage d'énergie. La capacité est une mesure de l'énergie stockée dans un champ électrique, tandis que l'inductance est une mesure de l'énergie stockée dans un champ magnétique.

L'énergie stockée ressemble à l'énergie dissipée, du moins au début. Dans les deux cas, l'énergie qui était dans le circuit n'est plus présente. La seule différence entre la résistance et la réactance ici est qu'avec la résistance, cette énergie est partie pour de bon, mais la réactance finira par renvoyer cette énergie au circuit plus tard. Eh bien, et bien sûr en tant que mesure de stockage, ils atteignent finalement une quantité maximale de stockage étant donné un circuit statique. Un condensateur aura besoin d'une tension plus élevée pour stocker plus d'énergie, un inducteur aura également besoin d'un courant plus élevé pour stocker plus d'énergie. C'est l'aspect «réactance». Au fur et à mesure que l'énergie est stockée, moins d'énergie est apparemment dissipée par cette réactance jusqu'à ce qu'elle disparaisse complètement. Si le courant commence à diminuer, l'énergie stockée est relâchée dans le circuit.

Alors, qu'est-ce que le pouvoir apparent? C'est simplement la vitesse à laquelle un circuit ou une partie d'un circuit (en fonction de ce que vous calculez / regardez) stocke de l'énergie ou, si l'ampleur est opposée, la vitesse à laquelle il libère de l'énergie. C'est tout. Ce n'est ni bizarre, ni étrange, et c'est une chose réelle, physique et quantifiable. Si vous chargez une énorme batterie de condensateurs à partir d'une batterie, elle consommera des joules de cette batterie, et elle le fera à un certain taux, celui qui est le plus élevé au début, mais finira par tomber à zéro. C'est, techniquement, la puissance réactive. Mais il est toujours mesuré en watts, et les watts sont toujours des watts. Vous mesurez simplement la vitesse à laquelle quelque chose a stocké des joules, plutôt que la vitesse à laquelle il les a simplement dissipés.

Votre confusion, je pense, c'est que vous êtes déjà en quelque sorte arrivé à la réponse sans vous en rendre compte. Si vous avez un circuit avec uniquement des condensateurs et des inducteurs, il n'y a pas de «P» car il n'y a pas d'énergie dissipée à un certain nombre de joules par seconde. Il n'y a que de l'énergie stockée , et elle finira par être libérée, et donc oui, la moyenne est de 0. La puissance réactive le fait toujours. C'est en fin de compte juste du stockage, pas de la consommation, donc oui, il sera toujours toujours en moyenne à 0. Ces joules ont été prêtés, mais les inducteurs et les condensateurs ont une excellente cote de crédit et vous remboursent toujours, donc vous n'en avez pas perdu. argent / joules à long terme.

Donc, vous n'avez pas du tout besoin d'en parler en termes de mathématiques. En fait, si vous comprenez que la puissance réactive est simplement la vitesse à laquelle l'énergie est stockée puis libérée, mesurée en joules par seconde ou en watts comme toute autre chose impliquant de la puissance, alors le comportement et les mathématiques devraient tout tout simplement logique, car c'est finalement ce que vous modélisez avec ces mathématiques.

Maintenant, on peut se demander pourquoi la puissance réactive compte même si elle est en moyenne à zéro.

Parlons très vite du facteur de puissance. Le facteur de puissance est, bien entendu, le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente. Cela peut sembler une chose plutôt étrange ou inutile d'avoir un ratio de. Je veux dire, qui s'en soucie? La puissance apparente n'est pas réellement perdue, pourquoi même la mesurer?

Le problème est que ce stockage d'énergie n'est jamais (sauf dans le cas des supraconducteurs peut-être) totalement efficace. Les électrons doivent se déplacer sur la plaque négative d'un condensateur, tandis qu'un nombre égal d'électrons sont poussés hors de la plaque positive. La charge mobile est actuelle. Les conducteurs (encore une fois, sauf dans le cas de la superconduction) ont toujours une certaine résistance, donc vous avez des pertes. Dans le contexte du courant alternatif, où le stockage de l'énergie aura un effet profond à cet égard, vous finirez par avoir des électrons qui entrent et sortent encore et encore, stockant inutilement de l'énergie sans raison. Ainsi, même si l'énergie est renvoyée au circuit, vous subissez toujours des pertes sous forme de courant, mais sans que cela ne fonctionne. Vraiment, l'idée de phase de courant et de tension n'est qu'un moyen de voir comment la réactance fait effectivement chuter la tension, mais parce qu'elle stocke de l'énergie, ou maintient la tension (ou l'augmente pour maintenir le courant à la place), en libérant de l'énergie.

N'oubliez jamais ce concept important, que tout cela n'est finalement que différentes sortes de façons abstraites de regarder ou de modéliser un véritable processus physique en cours, qui est en fait très simple à la base. Le stockage de l'énergie, et qu'il existe deux domaines différents avec lesquels elle peut être stockée. De ce concept, tout le reste peut être dérivé.

Alors l'ajout d'un générateur thermoélectrique à côté d'une résistance le transforme-t-il en réacteur?
Ce discours sur le stockage de l'énergie, bien que correct, peut être un peu trompeur dans ce contexte.Vous devez vraiment souligner que l'énergie est stockée et non stockée * deux fois par cycle *.Ce n'est pas ce que l'on entend par stockage sur le réseau électrique.Ce n'est pas comme pomper de l'eau en montée pendant les périodes de faible demande, puis l'utiliser pour faire fonctionner des générateurs pendant les heures de pointe, par exemple.
#2
+8
Vladimir Cravero
2017-04-18 21:35:46 UTC
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Lorsque vous avez une charge complexe, sa puissance associée peut être modélisée avec un nombre complexe:

$$ S = P + jQ $$

Où S est la puissance complexe, généralement mesurée en VA, P est la puissance réelle, mesurée en W, et Q est la puissance réactive, mesurée en VAR.

Comme l'a noté op, la seule puissance "utile" est la puissance réelle P, car c'est la seule puissance dissipée dans la charge qui peut faire un travail utile.

Mais qu'en est-il de la fourniture d'énergie à la charge?

Supposons que vous ayez une charge purement capacitive et une source d'alimentation sinusoïdale, et que vous deviez dimensionner les conducteurs de la source au condensateur. Vous calculez la puissance réelle, et elle est nulle! Vous utilisez des fils très fins pour connecter le bouchon et ... BANG ils se vaporisent. Que s'est-il passé?

La puissance réactive Q, même si elle n'est pas dissipée, doit être acheminée vers et depuis la charge et doit être prise en compte lors du dimensionnement de tous les composants constituant une ligne de transport d'énergie. Puisque généralement \ $ P \ neq0 \ $, pour dimensionner une ligne électrique, les ingénieurs utilisent apparent power, c'est-à-dire la magnitude de S, ou \ $ \ sqrt {P ^ 2 + Q ^ 2} \ $.

Pour répondre à votre question, Q représente physiquement la puissance qui est continuellement "rebondie" entre la source et la charge, et il est fondamental de dimensionner les conducteurs, les transformateurs, les interrupteurs et tout ce qui constitue une ligne électrique.

#3
+6
Olin Lathrop
2017-04-18 21:49:11 UTC
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La "puissance réactive" est l'un des moyens possibles de concilier le fait que dans les systèmes AC, la tension multipliée par le courant n'est pas la puissance moyenne.

La raison pour laquelle rms (V) x rms (I) n'est pas ave (V x I) est le déphasage. Lorsque V et moi avons la même phase, alors rms (V) x rms (I) est ave (V x I), qui est la puissance délivrée. Au fur et à mesure que la phase entre V et I augmente, la puissance délivrée diminue tandis que rms (V) et rms (I) restent les mêmes.

Cela peut être expliqué en suivant l'angle de phase, en regardant V ou I comme un phaseur, ou en traitant les parties 0 ° et 90 ° séparément.

La puissance réactive est essentiellement une méthode de comptabilité qui prend en compte séparément les composantes 0 ° et 90 ° du courant. Étant donné que le déphasage de la tension et du courant n'est que relatif l'un par rapport à l'autre, vous pouvez en choisir un comme référence et considérer l'autre déphasé par rapport à cette référence. Dans le schéma de puissance réactive, la tension est la référence et le courant est déphasé par rapport à la tension.

Notez que le déphasage du courant peut être exprimé sous forme d'angle, ou de manière équivalente, sous forme de composantes 0 ° et 90 °. La puissance réelle est la tension multipliée par la composante de courant à 0 ° et la puissance réactive la tension multipliée par la composante de courant à 90 °.

Vous avez raison de dire que la puissance réactive ne fournit en fait aucune puissance. La confusion est que le mot «pouvoir» est appliqué. L'appeler «VA réactive» pourrait être plus précis, mais à tort ou à raison, l'industrie a convergé vers le terme «puissance réactive».

Ce schéma de comptabilité a quelques propriétés utiles. En pensant et en tenant compte de la puissance réelle et de la puissance réactive séparément, elles peuvent plus facilement être traitées séparément. Par exemple, les condensateurs sont des générateurs de puissance réactive. Cela peut sembler étrange à première vue, mais une fois que vous avez souscrit à la définition de la puissance réactive, c'est ce que sont les condensateurs. Notez que les inducteurs sont donc des consommateurs de puissance réactive. Le réseau électrique semble généralement un peu inductif, donc la "puissance réactive" a été définie comme étant positive pour alimenter cette inductance.

Les condensateurs compensent vraiment le déphasage causé par les inducteurs, quelle que soit la convention de comptabilité utilisée. En ce qui concerne le réseau électrique, la méthode de comptabilité "puissance réactive" s'est avérée utile pour évaluer rapidement ce qui se passe et ce qui est nécessaire pour compenser les charges réactives.

Par exemple, vous pouvez décrire une situation comme 101,5 MVA avec une phase de retard de 10 °, ou vous pouvez la décrire comme une puissance réelle de 100 MW et une puissance réactive de 17,4 MW. Les deux sont mathématiquement égaux. Cependant, ce dernier est généralement une expression plus immédiatement utile pour faire face à cette situation dans le monde des services publics d'électricité.

Merci beaucoup pour votre réponse.L'équivalence mathématique que vous avez mentionnée à la fin a maintenant beaucoup de sens.Une chose que je ne vois pas, c'est pourquoi la puissance réactive peut être positive ou négative, puisqu'elle se réfère à un transfert d'énergie à somme nulle entre la charge et la source?Si elle va et vient en quantités égales, qu'est-ce qui rend une charge inductive «positive» et une charge capacitive «négative»?Je vais essayer de comprendre cela, merci beaucoup!
@masi: Encore une fois, ce n'est pas vraiment de la puissance, plus comme VA.Les inducteurs et les condensateurs ont un déphasage de 90 degrés en courant par rapport à la tension, mais chacun avec un signe opposé.Puisque la puissance réactive ne concerne que la composante de courant le long de l'axe de 90 degrés, les condensateurs et les inductances "produiront" des polarités opposées de la puissance réactive.Par convention, les condensateurs "génèrent" une puissance réactive positive et des inductances négatives.C'est une autre façon de dire que les inducteurs sont des charges de puissance réactive.Cette convention de polarité est utilisée car c'est la situation la plus courante sur les lignes électriques réelles.
Je ne suis pas du tout d’accord avec cette réponse.La puissance réactive est une mesure d'un processus physique réel et n'est pas du tout une «méthode comptable» et n'existe pas pour «réconcilier» quoi que ce soit.La puissance réactive est une mesure du taux de stockage d'énergie (ou de libération d'énergie lorsqu'elle est négative).Il faut du temps pour stocker l'énergie, et nous mesurons cela en watts, et ce sont des watts comme tous les autres watts.À moins que vous ne disiez qu'aucune énergie n'est stockée dans des champs électriques ou des champs magnétiques, vous ne pouvez pas dire que la puissance apparente est juste une sorte de commodité théorique.
@meta: Mais ce stockage d'énergie dont vous parlez est rempli et non rempli deux fois par cycle de ligne électrique.Le stockage est si court terme, c'est vraiment plus un ballottement d'énergie dans les deux sens.Je n'ai pas dit que la puissance réactive n'était pas réelle, mais c'est l'une des nombreuses façons possibles de décrire la même chose.Je pense que le présenter comme un système de comptabilité est un moyen utile d'aider les gens à le comprendre.Votre système de comptabilité pourrait être basé sur des angles de phase et être tout aussi valable, mais dans ce cas, moins immédiatement utile pour l'industrie de l'énergie électrique.
@Olin: Merci, je pense que je comprends ce que vous voulez dire.Nous avons essentiellement choisi une convention de signe pratique.
@metacollin votre réponse ci-dessous m'a beaucoup aidé en termes de connexion des concepts à l'interprétation physique.En termes d'unités, je ne suis aucunement qualifié pour répondre, cependant mes notes de mon conférencier font la distinction que la puissance réactive ne se mesure pas en Watts, mais plutôt en var.Est-ce simplement pour faire la distinction entre la puissance réactive et la puissance active?
Avec peut-être seulement un lien indirect avec la question, par pure curiosité, savez-vous qui a introduit le terme «VAR» en premier?
@Daniel: Non, je ne le fais pas.
La personne était un ingénieur roumain, Constantin Budeanu (j'espère que vous ne détesterez pas trop prononcer ce nom).Il a été accepté en 1930 par la CEI.Voici un lien vers l'article wikipedia si vous souhaitez en savoir plus: https://en.wikipedia.org/wiki/Volt-ampere_reactive
#4
+4
Phil Frost
2017-04-18 23:47:36 UTC
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La puissance réactive \ $ Q \ $ est une mesure de l'énergie \ $ E \ $ qui oscille entre le générateur et la charge sans perte. À tout instant, l'énergie peut se déplacer d'une charge à l'autre ou inversement, et l'énergie stockée dans la charge variera avec le temps. Mais la somme de l'énergie dans les deux est constante, car par définition il n'y a pas de perte.

Plus précisément:

$$ E = {Q \ plus de 2 \ pi f} $$

ou

$$ Q = 2 \ pi fE $$

où \ $ f \ $ est la fréquence.

Si vous suivez la convention d'utilisation d'une réactance négative pour les condensateurs, vous pourriez vous retrouver avec une "puissance négative". Mais ce n'est qu'une convention mathématique pour distinguer un déphasage de 90 ° ou de -90 °; dans tous les cas, l'énergie totale oscillant entre la charge et le générateur est la même.


Dérivation:

Disons que la charge est juste un inducteur idéal.

La réactance \ $ X \ $ nous indiquera le rapport de la tension RMS \ $ V \ $ au courant \ $ I \ $:

$$ X = {V / I} \ tag 1 $$

Et la puissance réactive \ $ Q \ $ n'est que le produit de la tension et du courant puisque notre charge est purement réactive:

$$ Q = V I \ tag 2 $$

La réactance est liée à la fréquence \ $ f \ $ et à l'inductance \ $ L \ $:

$$ L = {X \ sur 2 \ pi f} \ tag 3 $$

Combinez (1) et (2) pour obtenir:

$$ I = \ sqrt {Q / X} \ tag 4 $$

L'énergie \ $ E \ $ stockée dans une inductance est fonction de l'inductance et du courant \ $ I \ $:

$$ E = 1/2 \: LI ^ 2 \ tag 5 $$

Lorsque le courant est à un pic, l'énergie stockée dans l'inducteur de charge l'est également. Nous pouvons convertir le courant RMS en un courant instantané de crête comme ceci:

$$ I_ \ text {peak} = \ sqrt {2} \ cdot I_ \ text {RMS} \ tag 6 $$

Combinons ces équations, en commençant par (5):

$$ E = {1 \ over 2} \: LI_ \ text {peak} ^ 2 $$

Sub dans les équations 3 et 6:

$$ E = {1 \ over 2} \: {X \ over 2 \ pi f} \: (\ sqrt {2} \: I_ \ text {RMS}) ^ 2 $$

Simplifier:

$$ E = {1 \ over 2} \: {X \ over 2 \ pi f} \: 2I_ \ text {RMS} ^ 2 $$

Loi d'Ohm ou (4):

$$ E = {1 \ over 2} \: {X \ over 2 \ pi f} \: 2 (\ sqrt {Q / X}) ^ 2 $$

Simplifier:

$$ \ require {cancel} E = {1 \ sur 2} \: {X \ sur 2 \ pi f} \: {2Q \ sur X} \ = {Q \ sur 2 \ pi f} $$

Encore une fois, c'est l'énergie de pointe stockée dans notre inducteur de charge, une charge purement réactive.

Selon les lois de la conservation de l'énergie, il devrait être évident que lorsque l'énergie stockée dans l'inducteur est au maximum, l'énergie stockée dans le générateur est nulle et l'énergie ne peut aller nulle part ailleurs, c'est donc aussi à tout moment leénergie totale du système.

Je parie qu'il existe également une relation entre la puissance réactive et le taux de changement de l'énergie stockée dans l'inducteur, même si je n'ai pas le temps d'en déduire cela.
#5
+3
supercat
2017-04-18 23:51:00 UTC
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La façon la plus simple de penser à la puissance réactive est de se rendre compte que certains types de charge passeront une partie de chaque cycle à prendre l'énergie de la ligne au-delà de ce qu'ils utiliseront, puis passeront une autre partie de chaque cycle àl'excès d'énergie retour .Si une charge est constituée d'un réseau passif de résistances, d'inductances et de condensateurs, alors chaque fois que le composant réactif de la puissance instantanée est positif, l'appareil absorbe l'énergie qu'il va finalement renvoyer, et chaque fois que le composant réactif est négatif, ilretournera de l'énergie qu'il avait précédemment stockée.

Ça a du sens!Dans le circuit RLC, si la source a une fréquence constante, alors l'angle de phase ne sera-t-il pas constant?Ensuite, à partir de l'équation Q = VI * (psi), Q sera une valeur constante, positive ou négative.Je suis confus parce que l'énergie est censée être retournée (ou absorbée), et cela est associé au signe de Q.Mais si Q est constant et ne change pas, comment cela explique-t-il l'énergie `` ballottée '' entre la sourceet chargez!
@masiewpao: Les deux P et Q décrivent des moyennes à long terme ou, si préféré, une moyenne sur tout nombre entier de cycles, ou l'énergie utilisée ou transférée dans l'un quelconque des nombreux cycles égaux.
Je pensais avoir compris cela, mais je l'ai revu et je ne pense pas que je le fasse.La moyenne à long terme de P n'est que l'intégrale de vi sur 2pi.Mais en termes de Q, parce que la courbe de puissance est une onde sinusoïdale, toute moyenne sur son cycle est nulle.J'ai essayé de dériver l'équation pour Q mais en intégrant de 0 à pi / 2 à la place (je pensais que cela pouvait être valable car Q représente le taux d'absorption / libération d'énergie, donc intégrer plus d'un demi-cycle avait du sens pour moi).Le résultat est cependant toujours un terme cos, et non un terme péché comme il se doit.Une idée pourquoi?
@masiewpao: J'aurais dû clarifier;puisque P est la tension en phase multipliée par le courant en phase, la valeur instantanée est toujours positive et la moyenne à long terme sera la moitié de la valeur de crête.Pour Q, ce qui est intéressant est la valeur absolue moyenne, car comme indiqué, la partie positive et la partie négative s'annuleront précisément.
#6
+2
winny
2017-04-19 13:43:53 UTC
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Représenter physiquement tout en se préoccupant de l'électricité est difficile.Si vous pouvez accepter une analogie, c'est mon explication préférée de la puissance réactive si vous la regardez du point de vue des entreprises de services publics:

Beer



Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
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