A energia reativa causa uso de combustível extra em um no-break diesel?

É um pouco teórico, de pouco uso prático, mas eu só quero entender a física por trás disso. Estou ciente de que estou simplificando bastante as coisas.

Em energia elétrica, diferenciamos as potências Real, Reativa e Aparente e, é claro, queremos que a parte reativa seja pequena, mas com cargas práticas isso raramente é o caso.

No outro dia, um colega meu e eu estávamos discutindo um UPS diesel rotativo de vários MW (a demo demora um pouco para carregar) em um de nossos datacenters e a seguinte pergunta veio à mente, que não conseguimos responder a nós mesmos :

$\text{cos(}\varphi\text{)}$$Q > 0$

A energia reativa não sobrecarregaria o eixo do gerador se tudo estivesse perfeito. No entanto, geradores reais têm perdas reais, sendo algumas proporcionais ao quadrado da corrente. A carga reativa causa mais corrente nos fios do que haveria com uma carga puramente resistiva da mesma potência real. A corrente extra causa perda de energia real adicional.

Portanto, a resposta é que o motor verá uma carga um pouco maior e, portanto, consumirá um pouco mais de combustível. Isso ocorre por causa de mais ineficiências e perdas no sistema, e não a potência reativa em si torna o gerador mais difícil de ligar.

Adicionado:

Eu deveria ter mencionado isso antes, mas de alguma forma isso passou pela minha mente na época.

Uma carga reativa em um gerador perfeito não requer mais potência média do eixo em um ciclo, mas adiciona "solavancos" ao torque. Um atributo de um gerador CA trifásico é que o torque é constante ao longo de um ciclo com uma carga resistiva. No entanto, com uma carga reativa, as partes do ciclo exigirão mais energia e outras partes, menos. A potência média ainda é a mesma, mas o constante esforço para frente e para trás em relação ao torque médio pode causar tensões e vibrações mecânicas indesejáveis.

Você pode pensar nisso um pouco como mover dois ímãs um após o outro. Digamos que eles são orientados a repelir. À distância, há pouca força. Você precisa aplicar força para aproximá-los, o que significa que você coloca energia no sistema. Os ímãs empurram na direção do movimento à medida que se afastam, devolvendo a energia que você colocou anteriormente. A energia líquida gasta é 0, mas definitivamente havia um fluxo de energia para frente e para trás. Sempre há alguma perda à medida que a energia é movida ou convertida em sistemas reais.

Novamente, a energia reativa em si não causa o problema, mas a energia real é perdida porque a energia não pode ser movimentada e convertida com eficiência perfeita. Essa perda de energia real deve ser compensada com mais entrada de energia real. Além disso, as forças mecânicas extras podem diminuir a vida útil do gerador e do motor que o aciona.

Como Olin Lathrop respondeu à sua primeira pergunta.

O poder reativo existe no mundo mecânico?

No sistema mecânico, a potência reativa existe. Mas não há uma maneira simples de explicar isso sem entrar em um simples movimento harmônico.

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

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

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

$\alpha$

$F \cos(\alpha)$

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

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

Mas uma pessoa que olhar para isso pensará que estou aplicando uma força 'F' e ela está se movendo na velocidade de 'v', de modo que o poder deve ser Fv, mas, devido à diferença de frase, não será. Isso também aconteceu com o seu medidor de watt. Como não conta a diferença de frase entre a corrente e a tensão, assim como no exemplo mecânico acima, não conta a direção da força versus a direção do movimento.

O componente reativo puro da energia não consumirá combustível extra.

O fluxo de energia do componente reativo continuará mudando de direção, mantendo a média de zero. Quando o fluxo de energia é direcionado para trás, o torque aplicado ao eixo do gerador diminui (por alguns milissegundos a cada poucos milissegundos), porque o gerador age um pouco como um motor, mas permanece principalmente um gerador.

A parte de combustão da máquina verá a carga média igual ao componente ativo. Digamos que se a função da rota de suprimento de combustível é manter a velocidade constante, as variações de torque (carga) serão refletidas na quantidade de combustível. Mais torque, significa mais combustível, mais potência ativa consumida, com a mesma velocidade.

O experimento em pequena escala é girar o eixo do motor CA do ímã permanente com os dedos quando ele é desconectado. Em seguida, conecte o capacitor e compare.

Como observado acima, o torque necessário para uma carga reativa trifásica equilibrada é constante e zero. Isso oculta o fato de que, durante metade de cada ciclo, cada carga reativa empurra a energia de volta para a fase / fases que estão / estão aceitando energia.

Se a carga reativa não for equilibrada, a energia é devolvida ao gerador. Você não pode recuperar energia química, e parte dessa energia devolvida ao gerador é perdida, mas parte dessa energia é devolvida à energia cinética rotativa do gerador. O que faz com que o gerador gire cada vez mais rápido, mais devagar, etc. Um pequeno gerador não possui muita energia cinética rotativa; portanto, a maior parte dessa energia é perdida e apenas estressa o sistema.

Também está oculto o fato de que, se o gerador girar mais rápido, mais energia entra em cargas capacitivas e energia sai em cargas indutivas.

Para um grupo gerador muito grande, com energia armazenada significativa, o retorno de energia reativa de uma rede indutiva pode aumentar a frequência de transmissão e, eventualmente, tornar todo o sistema instável (frequência mais alta, retorno mais reativo, frequência mais alta, retorno mais reativo) , o gerador gira fora de controle e se destrói). Por esse motivo, as redes de energia são projetadas para operar com uma carga capacitiva leve - embora isso aumente as correntes de pico e reduza a eficiência da rede.

Voltando à sua pergunta original, à medida que o grupo gerador gira, ele libera energia em todas as cargas reativas conectadas, mesmo as balanceadas, à medida que a tensão aumenta. Pode ser pequeno, mas você realmente não pode recuperar essa energia. Quando você desconecta o gerador, não recupera a energia química.

Eu pensei que geradores geram energia elétrica que está em KVA. Dessa energia KVA gerada, a primeira parte kvar será utilizada por carga indutiva para manter o equipamento carregado magneticamente e a segunda parte kw será utilizada para produzir torque que depende da carga. Em cargas mais altas, o kvar é insignificante comparado ao kw. Mas o gerador ainda precisa produzi-lo. Se uma bobina indutiva pura estiver conectada à carga, o gerador gerará apenas o componente kvar em libras e o consumo de combustível será maior do que nenhuma carga