¿Cómo un Factor de baja potencia consume más corriente?

  

Si consideramos la fuente de alimentación como una fuente de voltaje ideal, entonces la corriente no tiene nada que ver con la potencia dada.

Está bien considerar la fuente de alimentación como una fuente de voltaje ideal, pero la corriente tiene todo que ver con la potencia dada. Las características de la carga determinan cuál será el factor de corriente y potencia con una tensión de alimentación determinada. Una fuente de voltaje ideal hará lo que sea necesario para satisfacer esa demanda sin cambiar el voltaje.

Una carga compuesta por resistencias, condensadores e inductores con un voltaje aplicado determinado generará una corriente específica con un factor de potencia específico. El factor de potencia no cambiará a menos que se agregue o reste algo de la carga. Ese cambio podría ser un mal funcionamiento o podría ser un cambio normal en la carga.

Una carga de motor de inducción se puede modelar como algunos inductores, un transformador y algunas resistencias. La carga mecánica se modela como una resistencia variable. Si la carga mecánica cambia, el factor de potencia cambia debido al cambio de la resistencia variable. También hay un pequeño cambio en el factor de potencia debido a un cambio en la proporción de corriente en los componentes inductivos del circuito. Ese es un cambio normal, no un mal funcionamiento.

El aumento en la porción reactiva de la carga no hace que el generador trabaje más, excepto en la medida en que las pérdidas aumentan debido al aumento de la corriente. La potencia reactiva es la energía que circula continuamente entre la carga y la fuente. El motor primario debe suministrar solo las pérdidas asociadas con esa circulación de energía.

  

Sin embargo, algo aquí simplemente no tiene sentido. Si consideramos la fuente de alimentación como una fuente de voltaje ideal, entonces la corriente no tiene nada que ver con la potencia dada.

• La corriente en fase tiene todo que ver con la alimentación. \ $ P = VI \ $.

• La corriente fuera de fase no contribuye a la potencia, pero contribuye a la corriente general extraída del suministro. El aumento de la corriente provoca una mayor caída de voltaje a lo largo de las líneas, lo que ocasiona una regulación de voltaje peor en la carga. ¡Esto es algo malo!

  

Parece que simplemente asumió que la carga consumiría la potencia necesaria para funcionar correctamente sin importar qué.

• Extraerá la potencia requerida y se medirá en kW y se facturará en kWh.
• También consumirá potencia reactiva medida en kVAr y facturada en kVArh. Normalmente, la utilidad cobrará por kVArh excesivo.

  

Por otro lado, me parece que la corriente se mantendría igual, afectada por la impedancia de la carga, lo que lleva a una potencia real más baja y, por lo tanto, a una carga que funciona mal.

No.

Enlaces:

Vea mi respuesta a ¿Cómo mejoran los condensadores el factor de potencia sin destruir el condensador? . Puede ayudar.

Simulación

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Figura 1. Una lucha complicada con las capacidades de simulación de CA de CircuitLab.

Tenga en cuenta que los valores de L3, L4 y C2 se han elegido para tener una impedancia de 1 Ω a 50 Hz. El par paralelo R5-L3 debe estar fuera de fase en 45 °. L4 y C2 deben cancelarse ya que sus impedancias son las mismas a 50 Hz. Las resistencias de 1 mΩ son para ayudar a que el simulador se estabilice después de los transitorios iniciales.

Figura 2. Las formas de onda actuales para la Figura 1. Tenga en cuenta que el marrón debe superponerse sobre el azul. El simulador está luchando.

• El gráfico de voltaje se ha omitido para mayor claridad, pero la curva azul está en fase con él y se tomará como referencia.
• La corriente para el circuito (a), la resistencia, se traza en azul. Como se esperaba, 1 V en 1 Ω da 1 A pico.
• La corriente para el circuito (b), R5 y L3, se traza en naranja. Observe que la curva naranja cruza la curva azul exactamente en su pico (90 ° en el ciclo azul). Esto ocurre porque la corriente del inductor está retrasando el voltaje en 90 ° y es cero en este punto. A medida que la corriente del inductor continúa aumentando, la corriente de resistencia está cayendo. El pico se produce a 45 ° en el ciclo donde ambas corrientes están en \ $ \ frac {1} {\ sqrt 2} I_ {PEAK} \ $. De ello se deduce que el pico de esta forma de onda será \ $ \ sqrt 2 \ $ veces el del azul.
• Finalmente, tenga en cuenta que si agregamos un capacitor de igual impedancia al inductor como en (c) la curva marrón, estamos de nuevo en fase y la corriente se ha reducido. (Esperaba que esto se superpusiera a la curva azul. Sospecho que el simulador está teniendo problemas).

En resumen:

• El generador es una salida de voltaje constante (CA).
• El generador proporciona la corriente requerida por la carga.
• Si la carga es reactiva (no puramente resistiva), la corriente aumenta mientras que la potencia útil transferida permanece igual.
• Al equilibrar los elementos inductivos y capacitivos en la carga, el factor de potencia se puede devolver a la unidad.

Suponga que tiene un condensador ideal conectado a la red de CA. Dibuja una corriente porque tiene una impedancia de $$ Z_C = \ frac {1} {2 \ pi \ cdot f \ cdot C} $$ Por ejemplo, un límite de 1µF en una red de 230V, 50Hz $$ I_C = \ frac {U} {Z_C} = 230 \, \ mathrm {V} \ cdot 2 \ pi \ cdot 50 \, \ mathrm {Hz} \ cdot 10 ^ {- 6} \ mathrm {F} = 72 \ mathrm {mA} $$

Esta corriente conduce a la potencia reactiva pura. El voltaje está fuera de fase 90 °, por lo que no hay potencia real, cos phi es cero, sin phi es 1.

$$ Q_C = 230 \, \ mathrm {V} \ cdot 72 \, \ mathrm {mA} = 16.6 \, \ mathrm {var} $$

Ahora conecte una bombilla incandescente de 40W en paralelo. No tiene potencia reactiva:

$$ I_B = \ frac {P} {U} = \ frac {40 \, \ mathrm {W}} {230 \, \ mathrm {V}} = 174 \, \ mathrm {mA} $$

¿Cuál es la corriente, en suma? La respuesta es

$$ I = I_C + I_B = 246 \, \ mathrm {mA} $$

¿Y el poder aparente?

$$ S = U \ cdot I = 230 \, \ mathrm {V} \ cdot 246 \, \ mathrm {mA} = 56.6 \, \ mathrm {V \! A} $$

Si tuviera la tapa y la bombilla en una caja negra, conozca el voltaje y solo podría medir la corriente, ¿qué diría que es?

Esta es una respuesta corta, así que estoy seguro de que pronto aparecerá otra con buenos diagramas, pero:

En una situación ideal, las formas de onda de corriente y voltaje están sincronizadas (factor de potencia 1). Esto le da una potencia de X. Si tomamos esas mismas formas de onda exactas y comenzamos a desvincularlas, el nivel de potencia disminuirá. Si necesitamos el mismo poder (x), con los guerreros desincronizados, necesitamos aumentar la volatilidad o la corriente. Por lo general, queremos mantener los voltajes constantes, por lo que aumentamos la corriente. Esto significa que, a medida que las formas de onda se desincronizan (es decir, el factor de potencia disminuye), debemos aumentar la corriente para mantener la potencia igual.

Editar: oops, un minuto tarde

En cualquier momento, la cantidad de energía que se transfiere a través de los cables entre una fuente y una carga será el voltaje instantáneo multiplicado por la corriente instantánea. Si un dispositivo tiene un factor de potencia de 1, toda la energía que se transfiere será consumida por la carga. Si un dispositivo tiene un factor de potencia de cero, toda la potencia que se transfiere a la carga durante una parte de un ciclo se almacenará y luego se transferirá de nuevo a la fuente durante otra parte. Si un dispositivo tiene un factor de potencia entre cero y uno, parte de la energía que pasa a través de los cables impulsará la carga, pero otra será almacenada y devuelta a través de los cables.

La energía que fluye de la fuente a la carga y regresa a cada ciclo no hará ningún trabajo útil, pero la corriente seguirá fluyendo a través de los cables en el proceso de transferencia de esa energía. Transferir una cantidad dada de energía "útil" requerirá transportar suficiente corriente para transportar eso, más una corriente adicional para transferir la energía que va y viene.

Aquí hay una analogía: si está trabajando detrás de una caja registradora, la transacción más eficiente es cuando todos pagan la cantidad exacta en efectivo. Ese es el factor de potencia 1.

Si todos necesitan cambiar, las transacciones son menos eficientes, aunque la contabilidad sea la misma. Eso es un factor de potencia inferior a uno.

En la línea de transmisión, la corriente adicional no se consume, "resuena" en la línea donde genera pérdidas parásitas de I ^ 2R y hace que la línea de transmisión sea menos eficiente.

La potencia instantánea es voltaje corriente actual. El voltaje define la diferencia de potencial por la que se debe transmitir una corriente: es como una corriente de agua: la corriente no consume ni suministra energía como tal hasta que se observa la diferencia de altura que desea cruzar.

Con una carga resistiva pura, la corriente es proporcional al voltaje. Ahora estamos hablando de CA, por lo que el voltaje y la corriente y la potencia instantánea cambian todo el tiempo. Cuando están sincronizados, se maximiza la energía total necesaria para una mayor cantidad de tiempo. Cuando no están sincronizados, la carga no es puramente resistiva (lo que haría que disipe la potencia). En su lugar, hay inercia involucrada que luego almacena energía momentáneamente y la libera más tarde. La fuente de voltaje ya no solo entrega energía, sino que también tiene momentos en los que su corriente y voltaje tienen signos diferentes y, por lo tanto, recibe la energía que ha emitido anteriormente.

En el extremo, un factor de carga de 0, voltaje y corriente no están sincronizados en 90 grados y en realidad no se consume energía, sino que solo se bombea de un lado a otro. El equivalente en agua es un cubo de agua en un columpio: pasa de un lado a otro y cambia de altura, pero su dirección y su altura están desfasadas, por lo que no se convierte la energía real en calor.

Ahora, todos los cables son básicamente resistentes y el voltaje a través de (en lugar de entre ellos) está sincronizado con la corriente a través de ellos. Por lo tanto, incurren en la misma cantidad de pérdida de energía en la corriente dada como si el factor de energía fuera 1. En el mismo momento, solo paga por la pérdida de energía dentro de su hogar: las pérdidas en el exterior no se miden. p>

Uno puede usar motores síncronos grandes como capacitores o inductores, dependiendo de qué tan grande sea el campo eléctrico del rotor. La energía se almacena aquí en la masa giratoria, por lo que desea un poco de masa en el eje, y desea que la máquina pueda lidiar con los pares resultantes y la vibración angular.

No lo considere como una fuente de voltaje, considérelo como una fuente de energía.

El hecho de que una carga esté tomando su corriente pico en un momento diferente del pico de voltaje significa que el generador necesita suministrar una corriente más alta para enviar la misma cantidad de energía real.

El generador no sabe que tiene que entregar tal o cual potencia, la carga extrae la potencia real que necesita. Esa potencia consumida tiende a frenar el generador, y el generador consume más energía del motor primario para trabajar más y mantenerse a la velocidad.