أساسيات الهندسة الكهربائية: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و16 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

المقاومات على التوالي والتوازي

مقاومات على التوالي
Req = R1 + R2 + …
مقاومات على التوازي
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
مقاومتان على التوازي
Req = R1R2 / (R1 + R2)
قانون أوم
V = I·R
القدرة
P = V·I = I²R = V²/R

الطريقة

  1. ابدأ من طرف الشبكة الأبعد عن الطرفين.
  2. اجمع المقاومات المتوالية بجمعها، والمقاومات المتوازية بـ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. أعد رسم الدائرة بعد كل خطوة.
  4. كرّر حتى تبقى مقاومة واحدة بين الطرفين.

تحليل العقد

قانون كيرشوف للتيار
ΣIin = ΣIout
تيار الفرع
I = (Va − Vb)/R
العقدة المرجعية
Vground = 0

الطريقة

  1. اختر عقدة مرجعية (الأرضي) وسمِّ جهود العقد الأخرى.
  2. اكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة: التيارات الخارجة عبر الفروع تساوي التيارات الداخلة.
  3. عبّر عن كل تيار فرع بالصيغة (Va − Vb)/R.
  4. حلّ نظام المعادلات، ثم أوجد أي تيار تحتاجه.

ثيفنن ونورتن

جهد ثيفنن
Vth = Vopen circuit
مقاومة ثيفنن
Rth: كل المصادر مُطفأة، منظورًا إليها من a–b
تيار نورتن
IN = Vth/Rth
تيار الحِمل
IL = Vth/(Rth + RL)
أقصى نقل للقدرة
RL = Rth, Pmax = Vth²/(4Rth)

الطريقة

  1. أزل الحِمل وعلّم الطرفين a و b.
  2. أوجد جهد الدائرة المفتوحة بين a و b: هذا هو Vth.
  3. أطفئ كل المصادر المستقلة وأوجد المقاومة المرئية من a–b: هذه هي Rth.
  4. أعد الحِمل إلى الدائرة المكافئة: Vth على التوالي مع Rth.
  5. لمكافئ نورتن، حوّل: IN = Vth/Rth، مع RN = Rth على التوازي.

الحالات العابرة RC و RL

الثابت الزمني
τ = RC | τ = L/R
الاستجابة
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
المكثّف في التيار المستمر
دائرة مفتوحة؛ لا يمكن أن يقفز vC
الملف في التيار المستمر
قصر؛ لا يمكن أن يقفز iL
الحالة المستقرة
t ≈ 5τ

الطريقة

  1. أوجد القيمة الابتدائية مباشرة بعد التبديل: جهد المكثّف وتيار الملف لا يقفزان.
  2. أوجد القيمة النهائية بعد التبديل بزمن طويل: يتصرّف المكثّف كدائرة مفتوحة، والملف كقصر.
  3. أوجد الثابت الزمني: τ = RC أو τ = L/R، باستخدام المقاومة التي يراها المكثّف أو الملف.
  4. استخدم x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

معاوقة التيار المتردد والطوريات

المعاوقات
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
التردد الزاوي
ω = 2πf
المقدار والزاوية
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
قانون أوم بالطوريات
V = I·Z

الطريقة

  1. حوّل التردد: ω = 2πf.
  2. أوجد كل ممانعة مفاعلة: XL = ωL و XC = 1/(ωC).
  3. اجمع الممانعات كما تجمع المقاومات، مع Z = R + jX.
  4. أوجد المقدار |Z| = √(R² + X²) والزاوية φ = atan(X/R)، ثم استخدم قانون أوم بالطوريات.

قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

القدرة الفعلية
P = V·I·cos φ
القدرة غير الفعّالة
Q = V·I·sin φ
القدرة الظاهرية
S = V·I = √(P² + Q²)
معامل القدرة
pf = cos φ = P/S
مكثّف التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

القدرة ثلاثية الطور

توصيل نجمة (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
توصيل دلتا (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
القدرة الفعّالة الكلية
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
القدرة الظاهرية والقدرة غير الفعّالة
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
مكثّفات التصحيح
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
الجهد على كل مكثّف
Δ: VL Y: VL/√3
قدرة دخل المحرّك
Pin = Pout/η

المحوّلات

نسبة اللفّات
a = N1/N2 = V1/V2
نسبة التيارات
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
التيار المقنَّن
I = S/V
الممانعة المحوَّلة
Z1′ = a²·ZL
مفقودات النحاس عند حمل جزئي
Pcu = x²·Pcu,fl
الكفاءة
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
أقصى كفاءة
x = √(Pcore/Pcu,fl)

2مسائل تدريبية

1.المقاومات على التوالي والتوازيمتوسطة
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​12 ΩB

أوجد التيار IR1 الذي يورّده المصدر، والذي يمرّ عبر R1.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
2.المقاومات على التوالي والتوازيصعبة
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBR6​6 Ω

أوجد التيار IR1 الذي يورّده المصدر، والذي يمرّ عبر R1.

V1 = 18 VR1 = 20 ΩR2 = 30 ΩR3 = 6 ΩR4 = 12 ΩR5 = 8 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
3.تحليل العقدمتوسطة
−+Vs​ = 9 VIs​4 AAR1​10 ΩR2​3 ΩB

مصدر الجهد Vₛ بين A و B طرفه + عند B، لذا يجعل VB − VA = Vₛ. استخدم تحليل العقد مع عقدة فائقة لإيجاد جهد العقدة VB (مقيسًا بالنسبة إلى الأرضي).

Is = 4 AVs = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 3 Ω
VB = V
4.تحليل العقدصعبة
R1​ = 6 ΩIR1​R2​ = 5 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​24 VR3​30 ΩAR5​12 ΩBIs​3 A+−V2​10 V

استخدم تحليل العقد لإيجاد التيار IR1 المارّ في R1 باتجاه السهم.

V1 = 24 VIs = 3 AV2 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 Ω
IR1 = A
5.ثيفنن ونورتنمتوسطة
R1​ = 8 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAab

أوجد مقاومة ثيفنن Rth المرئية من الطرفين a–b.

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 Ω
Rth = Ω
6.ثيفنن ونورتنصعبة
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​0,5 ABRL​20 ΩIL​

وُصل حِمل RL = 20 Ω بين a–b. استخدم مكافئ ثيفنن لإيجاد القدرة PL المسلَّمة إلى الحِمل.

V1 = 24 VIs = 0,5 AR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩRL = 20 Ω
PL = W
7.الحالات العابرة RC و RLمتوسطة
+−Vs​20 Vt = 0R = 47 ΩL100 mHi(t)

لا يمرّ تيار في الملف قبل أن يُغلق المفتاح عند t = 0. أوجد الجهد vL على الملف عند t = 5 ms.

Vs = 20 VR = 47 ΩL = 100 mHt = 5 ms
vL = V
8.الحالات العابرة RC و RLصعبة
+−Vs​24 VR1​ = 47 ΩR2​ = 47 Ωيُغلق عند t = 0L47 mHi(t)

المفتاح الموصول على طرفي R2 مفتوح منذ وقت طويل، لذا تيار الملف مستقر. عند t = 0 يُغلق المفتاح ويقصر R2. أوجد تيار الملف i عند t = 1 ms.

Vs = 24 VR1 = 47 ΩR2 = 47 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
9.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة
24 V100 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µFI

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 24 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 22 µF
I = A
10.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة
12 V50 HzR1​ = 10 ΩR2​ = 20 ΩC = 100 µF

مقاومة R1 موصولة على التوالي مع توصيلة توازي من R2 ومكثّف C، على مصدر 12 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد مقدار المعاوقة |Z|.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩC = 100 µF
|Z| = Ω
11.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
240 VZ12 + j16 ΩI

حِمل معاوقته Z = 12 + j16 Ω موصول بمصدر أحادي الطور 240 V (فعّال). أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يمتصها.

V = 240 VZ = 12 + j16 Ω
Q = var
12.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
P = 20 kWQ1​S1​φ1​QC​

يستهلك حِمل أحادي الطور 20 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر من مصدر 400 V، 50 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,92. أوجد تيار الخط الجديد Inew.

P = 20 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
ABCVL​ = 400 VIL​ = 20 Acos φ = 0,95متأخر

حمل ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 20 A من مصدر جهد خطه 400 V. معامل القدرة 0,95 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

VL = 400 VIL = 20 Acos φ = 0,95
P = kW
14.القدرة ثلاثية الطورصعبة
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 75 kW عند معامل قدرة 0,8 متأخر من مصدر 415 V (جهد خط) و 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,98 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 75 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,98VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.المحوّلاتمتوسطة
5 ΩN1​N2​80 Ω

مكبّر مقاومة خرجه 80 Ω يغذّي مكبّر صوت 5 Ω عبر محوّل مثالي. لأقصى نقل للقدرة يجب أن يبدو مكبّر الصوت 80 Ω من جهة المكبّر. أوجد نسبة اللفّات a = N₁/N₂.

Rs = 80 ΩRL = 5 Ω
a =
16.المحوّلاتصعبة
pf 0,8150 kVA, 25% الحمل

محوّل أحادي الطور 150 kVA مفقودات قلبه 900 W ومفقودات نحاسه 3600 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 25% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,8 متأخر. أوجد المفقودات الكلية Ploss بالواط عند هذا الحمل.

S = 150 kVAPcore = 900 WPcu,fl = 3600 Wx = 0,25pf = 0,8
Ploss = W

3المحاليل

1.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,4194 A

المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.

R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​12 ΩAR4​12 ΩB

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.

R3 + R4 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 12·27/(12+27) = 8,308 Ω
Req = R1 + 8,308 = 6 + 8,308 = 14,31 Ω

التيار من المصدر

لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.

IR1 = V1/Req = 6/14,31 = 0,4194 A

الإجابة

IR1 = 0,4194 A
2.المقاومات على التوالي والتوازي

الإجابة: IR1 = 0,6249 A

المقاومات على التوالي والتوازي: على التوالي يمرّ التيار نفسه في كل مقاومة و R = R₁ + R₂ + …. وعلى التوازي يكون الجهد نفسه على كل مقاومة و 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. تُبسَّط شبكة السلّم زوجًا بعد زوج حتى تبقى مقاومة مكافئة واحدة.

R1​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​12 ΩBR6​6 Ω

اجمع المقاومات بدءًا من الطرف البعيد

ابدأ من الطرف الأبعد عن المصدر وتقدّم نحوه. المقاومات التي يمرّ بها التيار نفسه على التوالي؛ والمقاومات بين العقدتين نفسيهما على التوازي.

R5 + R6 = 8 + 6 = 14 Ω
R4 ∥ 14 = 6,462 Ω
R3 + 6,462 = 12,46 Ω
R2 ∥ 12,46 = 8,804 Ω
Req = R1 + 8,804 = 20 + 8,804 = 28,8 Ω

التيار من المصدر

لا يرى المصدر إلا Req، فيعطي قانون أوم التيار الذي يورّده. وهذا التيار يمرّ عبر R₁.

IR1 = V1/Req = 18/28,8 = 0,6249 A

الإجابة

IR1 = 0,6249 A
3.تحليل العقد

الإجابة: VB = 11,31 V

تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.

كوّن عقدة فائقة

مصدر الجهد بين A و B يحمل تيارًا مجهولًا، لذا لا يمكن كتابة قانون كيرشوف للتيار عند A أو B منفصلتين. احصر A و B والمصدر في عقدة فائقة واحدة: التيار الداخل إليها يساوي التيار الخارج منها.

VB = VA + Vs = VA + 9
VA/R1 + VB/R2 = Is

الحل

VA/10 + (VA + 9)/3 = 4
VA = (4 − 9/3)/(1/10 + 1/3) = 2,308 V
VB = 2,308 + 9 = 11,31 V

الإجابة

VB = 11,31 V
4.تحليل العقد

الإجابة: IR1 = 0,2821 A

تحليل العقد: اختر عقدة مرجعية، وسمِّ جهود العقد المجهولة، واكتب قانون كيرشوف للتيار عند كل عقدة مجهولة باستخدام قانون أوم (I = ΔV/R)، ثم حلّ المعادلات الناتجة.

R1​ = 6 ΩR2​ = 5 ΩR4​ = 30 Ω+−V1​24 VR3​30 ΩAR5​12 ΩBIs​3 A+−V2​10 V

حدّد العقد

الأرضي هو السلك السفلي. جهود العقد المعروفة تأتي مباشرة من المصادر (V1 = 24 V, V2 = 10 V). المجاهيل: VA, VB.

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة A

التيارات الخارجة من A عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى A.

VA/R3 + (VA − V1)/R1 + (VA − VB)/R2 = 0
VA/30 + (VA − 24)/6 + (VA − VB)/5 = 0
0,4·VA − 0,2·VB = 4

قانون كيرشوف للتيار عند العقدة B

التيارات الخارجة من B عبر المقاومات تساوي التيار الذي تدفعه المصادر إلى B.

VB/R5 + (VB − VA)/R2 + (VB − V2)/R4 = Is
VB/12 + (VB − VA)/5 + (VB − 10)/30 = 3
−0,2·VA + 0,3167·VB = 3,333

الحل

Δ = (0,4)(0,3167) − (−0,2)(−0,2) = 0,08667
VA = Δ1/Δ = 1,933/0,08667 = 22,31 V
VB = Δ2/Δ = 2,133/0,08667 = 24,62 V

الإجابة

IR1 = (V1 − VA)/R1 = (24 − 22,31)/6 = 0,2821 A
5.ثيفنن ونورتن

الإجابة: Rth = 13,08 Ω

نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.

R1​ = 8 ΩR3​ = 10 ΩقصرR2​5 ΩAabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.

R1 ∥ R2 = 8·5/(8+5) = 3,077 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 3,077 + 10 = 13,08 Ω
6.ثيفنن ونورتن

الإجابة: PL = 3,256 W

نظرية ثيفنن: أي شبكة خطية ذات طرفين تتصرّف كمصدر جهد واحد Vth على التوالي مع مقاومة Rth. ونظرية نورتن تعطي الشبكة نفسها كمصدر تيار IN = Vth/Rth على التوازي مع Rth.

R1​ = 30 ΩR3​ = 4 ΩقصرR2​12 ΩAمفتوحBabRth​

أوجد Rth مع إطفاء كل المصادر

استبدل مصادر الجهد بقصر ومصادر التيار بدوائر مفتوحة، ثم انظر إلى الدائرة من a–b.

R1 ∥ R2 = 30·12/(30+12) = 8,571 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 8,571 + 4 = 12,57 Ω
R1​ = 30 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAIs​0,5 ABab+−Vth​

أوجد Vth، جهد الدائرة المفتوحة

عندما يكون a–b مفتوحًا، المسار الوحيد لـ Iₛ هو عبر R₃ إلى العقدة A. أوجد V_A بتراكب V₁ و Iₛ، ثم أضف الهبوط على R₃.

VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 6,857 + 0,5·8,571 = 11,14 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 11,14 + 0,5·4 = 13,14 V
Rth​ = 12,57 Ω+−Vth​13,14 VRL​20 ΩIL​

صِل الحِمل بمكافئ ثيفنن

يتصرّف مصدر ثيفنن و R_th على التوالي عند a–b تمامًا كالدائرة الأصلية، فيرى الحِمل حلقة توالٍ بسيطة.

IL = Vth/(Rth + RL) = 13,14/(12,57 + 20) = 0,4035 A
PL = IL²·RL = 0,4035²·20 = 3,256 W
7.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: vL = 1,907 V

الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.

الثابت الزمني والتيار النهائي

بعد إغلاق المفتاح بوقت طويل يتصرّف الملف كقصر، لذا يحدّد R وحده التيار النهائي.

τ = L/R = 100 mH / 47 Ω = 2,128 ms
i(∞) = Vs/R = 20/47 = 0,4255 A

جهد الملف

عند t = 0 يظهر كامل جهد المصدر على الملف؛ ثم يضمحل إلى الصفر.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 20·e−5/2,128 = 1,907 V

الإجابة

vL = 1,907 V
8.الحالات العابرة RC و RL

الإجابة: i = 0,4167 A

الحالات العابرة من الرتبة الأولى: في دائرة فيها مكثّف واحد أو ملف واحد، يتغيّر كل جهد وتيار أُسّيًا من قيمته الابتدائية إلى قيمته النهائية: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ، حيث τ = RC أو τ = L/R. بعد نحو 5τ تستقر الدائرة.

القيمة الابتدائية، القيمة النهائية، الثابت الزمني

قبل t = 0 تكون المقاومتان كلتاهما في الحلقة؛ وبعدها يتجاوز المفتاح المغلق R₂.

i(0) = 24/(47 + 47) = 0,2553 A
i(∞) = 24/47 = 0,5106 A
τ = L/R = 47/47 = 1 ms
i(t) = 0,5106 + (0,2553 − 0,5106)·e−t/τ

التيار في اللحظة المعطاة

i(1) = 0,5106 + (−0,2553)·e−1/1 = 0,4167 A

الإجابة

i = 0,4167 A
9.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,2834 A

دوائر التيار المتردد بالطوريات: للمقاومات والملفات والمكثّفات معاوقات R و jωL و 1/(jωC)، مع ω = 2πf. على التوالي تُجمع المعاوقات كالمقاومات، لكن كأعداد مركّبة. ويتبع التيار والجهد الفعّالان قانون أوم مع |Z|.

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

المعاوقة

على التوالي تُجمع المعاوقات كأعداد مركّبة: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−59,78)²) = 84,7 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 24/84,7 = 0,2834 A

الإجابة

I = 0,2834 A
10.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: |Z| = 25,95 Ω

دوائر التيار المتردد بالطوريات: للمقاومات والملفات والمكثّفات معاوقات R و jωL و 1/(jωC)، مع ω = 2πf. على التوالي تُجمع المعاوقات كالمقاومات، لكن كأعداد مركّبة. ويتبع التيار والجهد الفعّالان قانون أوم مع |Z|.

المفاعلة

XC = 1/(2π·50·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

توصيلة التوازي

اضرب البسط والمقام في المرافق المركّب لفصل Zp إلى جزأين حقيقي وتخيّلي.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 14,34 − j9,01 Ω

المعاوقة الكلية

Z = 10 + 14,34 − j9,01 = 24,34 − j9,01 Ω
|Z| = √(24,34² + 9,01²) = 25,95 Ω

الإجابة

|Z| = 25,95 Ω
11.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 2304 var

قدرة التيار المتردد: القدرة الظاهرية S = V·I (VA) تنقسم إلى قدرة فعلية P = S·cos φ (W) تؤدّي شغلًا مفيدًا، وقدرة غير فعّالة Q = S·sin φ (var) تتردّد بين المصدر والحِمل. معامل القدرة هو cos φ. المكثّف الموصول على التوازي يزوّد القدرة غير الفعّالة محليًا، فينخفض تيار الخط للقدرة الفعلية نفسها.

التيار

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
I = V/|Z| = 240/20 = 12 A

القدرة غير الفعّالة

Q = I²·X = 12²·16 = 2304 var

الإجابة

Q = 2304 var
12.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Inew = 54,35 A

قدرة التيار المتردد: القدرة الظاهرية S = V·I (VA) تنقسم إلى قدرة فعلية P = S·cos φ (W) تؤدّي شغلًا مفيدًا، وقدرة غير فعّالة Q = S·sin φ (var) تتردّد بين المصدر والحِمل. معامل القدرة هو cos φ. المكثّف الموصول على التوازي يزوّد القدرة غير الفعّالة محليًا، فينخفض تيار الخط للقدرة الفعلية نفسها.

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

لا تتغيّر القدرة الفعلية P؛ تتغيّر فقط القدرة غير الفعّالة المسحوبة من الشبكة.

Q1 = P·tan φ1 = 20·tan(49,46°) = 23,38 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 20·tan(23,07°) = 8,52 kvar
QC = Q1 − Q2 = 14,86 kvar

تيار الخط الجديد

Inew = P/(V·cos φ2) = 20000/(400·0,92) = 54,35 A

الإجابة

Inew = 54,35 A
13.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 13,16 kW

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

القدرة الظاهرية

S = √3·VL·IL = √3·400·20 = 13,86 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 13,86·0,95 = 13,16 kW

الإجابة

P = 13,16 kW
14.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: Cph = 252,7 µF

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، VL = √3·Vph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، IL = √3·Iph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. تحسين معامل القدرة: تقدّم المكثّفات القدرة غير الفعّالة محليًا، QC = P·(tan φ1 − tan φ2). يقدّم كل مكثّف من المكثّفات الثلاثة QC/3 = V²·ω·C، حيث V الجهد على ذلك المكثّف: VL في مجموعة Δ، و VL/√3 في مجموعة Y.

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

القدرة الفعّالة لا تتغيّر، لذا يحدّد كل معامل قدرة القدرة غير الفعّالة: Q = P·tan φ.

Q1 = 75·tan(acos 0,8) = 75·0,75 = 56,25 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

QC = Q1 − Q2 = 41,02 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 13674/(314,2·415²) = 252,7 µF

الإجابة

Cph = 252,7 µF
15.المحوّلات

الإجابة: a = 4

المحوّل المثالي: نسبة الجهود تساوي نسبة اللفّات، ونسبة التيارات عكسها: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a و I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a، لذا القدرة الداخلة تساوي القدرة الخارجة، V₁·I₁ = V₂·I₂. ممانعة الحمل Z على الملف الثانوي تبدو a²·Z من جهة الملف الابتدائي.

مواءمة الحمل المحوَّل

a²·5 = 80
a = √(80/5) = √16 = 4

الإجابة

a = 4
16.المحوّلات

الإجابة: Ploss = 1125 W

مفقودات المحوّل: مفقودات القلب (التخلّف المغناطيسي والتيارات الدوّامية) تعتمد على الجهد وهي نفسها عند أي حمل. مفقودات النحاس في الملفات تتناسب مع مربع التيار، لذا عند جزء x من الحمل المقنَّن تكون x²·Pcu,fl. الكفاءة η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu)، حيث Pout = x·S·pf. تكون الكفاءة في أعلاها عند الحمل الذي تتساوى فيه مفقودات النحاس مع مفقودات القلب.

مفقودات النحاس عند هذا الحمل

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·3600 = 225 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

Ploss = 900 + 225 = 1125 W

الإجابة

Ploss = 1125 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 96,39%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/electrical-engineering-fundamentals