无功功率是否会导致柴油机 UPS 使用额外的燃料?

电器工程 力量 UPS
2022-01-19 08:19:50

这是一个有点理论的东西,没有什么实际用途,但我只是想了解它背后的物理原理。我知道我正在简化一些事情。

在电力中,我们区分有功功率、无功功率和视在功率,当然我们希望无功部分很小,但对于实际负载,这种情况很少见。

电力

前几天,我和我的一位同事正在我们的一个数据中心讨论多兆瓦旋转式柴油机 UPS(演示需要一段时间才能加载),然后想到了以下问题,我们无法自己回答:

在此处输入图像描述

假设 UPS 上的负载导致该 UPS 上出现非理想 \$\text{cos(}\varphi\text{)}\$,从而导致无功功率 \$Q > 0\$ 通过电力线返回来回。柴油发动机是否仍将燃料仅用于有功功率部分,或者无功功率也会对燃料消耗产生影响?理论上没有消耗无功功率,但是一旦电网功率被柴油机取代,感觉很奇怪。机械世界中是否存在无功功率?

4个回答

如果一切都很完美,无功功率不会给发电机轴带来额外的负载。然而,真正的发电机有真正的损失,其中一些与电流的平方成正比。与具有相同实际功率的纯电阻性负载相比,无功负载会在电线中产生更多的电流。额外的电流会导致额外的实际功率损失。

所以答案是发动机会看到更高的负载,因此会使用更多的燃料。这是因为系统效率低下和损失更多,而不是无功功率本身会使发电机更难转动。

添加:

我应该在之前提到过这个,但不知何故当时它从我的脑海中溜走了。

完美发电机上的无功负载不需要在一个周期内平均增加更多的轴功率,但它确实会增加扭矩的“颠簸”。三相交流发电机的一个属性是,在电阻性负载的情况下,转矩在一个周期内是恒定的。但是,具有无功负载的循环部分将需要更多功率,而其他部分则更少。平均功率仍然相同,但相对于平均扭矩不断向前和向后推动会导致不希望的机械应力和振动。

你可以认为这有点像将两个磁铁相互移动。假设他们倾向于排斥。在远处,几乎没有力量。您必须施加力才能将它们靠得很近,这意味着您将能量投入系统。磁铁在移开时会向运动方向推动,从而将您之前输入的能量返还给您。消耗的净能量为0,但肯定有能量来回流动。当能量在实际系统中来回移动或来回转换时,总会有一些损失。

同样,无功功率本身不会导致问题,但有功功率会丢失,因为能量无法以完美的效率四处移动和转换。这种有功功率损失必须用更多的有功功率输入来弥补。此外,额外的机械力会缩短发电机和驱动发电机的发动机的寿命。

就像 Olin Lathrop 回答了你的第一个问题一样。

机械世界中是否存在无功功率?

在机械系统中,无功功率确实存在。但是,如果不进入简谐运动,就没有简单的方法来解释这一点。

简单地想象一个物体 M 被安装在一根绳子上,而你由于离心力而在圆形轨道上移动。假设它的角速度是 \$\omega\$,你可以将它的 x 投影运动方程描述为 \$R\cos (\omega)\$,将 y 投影运动描述为 \$R\sin (\omega)\$。

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

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

你需要加速它,所以你需要给它一些动力。假设你给它播种一个力 F,比如 F 从它的当前角度滞后 \$ \alpha \$。

[见图] 机械示例中的功率因数 所以与它的线速度平行的F分量只会做一些有功功率。这是 \$F \cos(\alpha)\$ ,

所以有功功率 \$ = F \cos(\alpha ) v = F \cos (\alpha ) \omega R \$

无功功率 \$ = F \sin (\alpha) 0 = 0\$

但是看到这个的人会认为我正在施加力'F'并且它以'v'的速度移动,所以力量应该是 Fv ,但由于短语差异它不会。这也发生在您的功率计上。因为它不计算电流和电压之间的短语差异,以及在上面的机械示例中,它不计算力的方向与运动的方向。

纯无功功率组件不会消耗额外的燃料。

无功分量的能量流将不断改变方向,保持平均为零。当能量流向后时,施加在发电机轴上的扭矩会减少(每隔几毫秒减少几毫秒),因为发电机的作用有点像电动机,但主要是发电机。

机器的燃烧部分将看到平均负载仅等于活动组件。假设燃料供应路线的功能是保持恒定速度,那么扭矩(负载)的变化将反映在燃料量上。更大的扭矩,意味着更多的燃料,更多的消耗有功功率,相同的速度。

小型实验是在断开状态下用手指转动永磁交流电机轴。然后连接电容并比较。

如上所述,平衡三相无功负载所需的转矩是恒定的且为零。这隐藏了这样一个事实,即对于每个周期的一半,每个无功负载都将功率推回正在/正在接受能量的相中。

如果无功负载不平衡,则将能量反馈到发电机中。您无法回收化学能,反馈到发电机的部分能量会丢失,但部分能量会反馈到发电机的旋转动能中。这使得发电机转得更快 - 更慢 - 更快 - 更慢等。小型发电机没有太多的旋转动能,所以大部分能量都丢失了,它只会给系统带来压力。

另一个隐藏的事实是,如果发电机旋转得更快,更多的能量进入电容负载,而能量来自电感负载。

对于一个非常大的发电机组,具有大量存储的能量,从感应网络返回的无功能量会导致传输频率增加,并最终使整个系统不稳定(更高的频率,更多的无功返回,更高的频率,更多的无功返回,发电机失控并自毁)。出于这个原因,电网被设计为在轻微的容性负载下运行——即使这会增加峰值电流并降低电网效率。

回到你最初的问题,随着发电机组的旋转,随着电压的升高,它会将能量注入所有连接的无功负载,甚至是平衡的无功负载。它可能很小,但你无法真正恢复这种能量。当你拆下发电机时,你不会再次获得化学能。