إلكترونيات القدرة والمشغّلات: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدة العودة إلى المقرّر

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

1القوانين وطرق الحل

محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر

الخافض: V_o = D·V_in
الرافع: V_o = V_in/(1 − D)
الخافض–الرافع العاكس: |V_o| = V_in·D/(1 − D)
توازن القدرة المثالي: V_inI_in = V_oI_o
تموّج المحث: ΔI_L = V_L,on·D/(L·f); buck V_in − V_o, boost and buck-boost V_in
متوسط تيار المحث: الخافض I_o؛ الرافع والخافض–الرافع I_o/(1 − D)
تموّج الخرج: الخافض ΔI_L/(8fC)؛ الرافع والخافض–الرافع I_o·D/(fC)
حد التوصيل المستمر CCM: الخافض (1 − D)R/(2f)؛ الرافع D(1 − D)²R/(2f)؛ الخافض–الرافع (1 − D)²R/(2f)

الطريقة

حدّد المحول (خافض أم رافع أم خافض–رافع) ودورة التشغيل D من نسبة الجهد.
استخدم توازن فولت·ثانية على المحث: متوسط جهد المحث على دور كامل يساوي صفرًا.
أوجد جهد المحث حين يكون المفتاح مغلقًا، ثم ΔI_L = V_L·D/(L·f).
لتموّج الخرج أوجد الشحنة الداخلة إلى المكثف والخارجة منه؛ ولحد التوصيل المستمر ساوِ متوسط تيار المحث بـ ΔI_L/2.

محركات التيار المستمر

دارة عضو الإنتاج: V = E + I_aR_a
القوة الدافعة العكسية والعزم: E = k·ω, T = k·I_a
السرعة: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
سرعة اللاحمل وعزم التوقف: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
القدرات: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
البدء: I_start = V/(R_a + R_st)
تنظيم السرعة: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
أقصى قدرة متولدة: P_max = V²/(4R_a)
المشغّل بالمقطِّع: V_a = D·V_dc

الطريقة

ارسم دارة عضو الإنتاج: المصدر V ومقاومة R_a والقوة الدافعة العكسية E على التوالي.
استخدم V = E + I_a·R_a للربط بين الجهد والتيار والقوة الدافعة العكسية.
استخدم E = k·ω للسرعة وT = k·I_a للعزم، مع ω = 2π·n/60.
للقدرة والكفاءة ابدأ من V·I_a واطرح فقد النحاس I_a²·R_a ثم الفواقد الدورانية.

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: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

القدرة ثلاثية الطور

توصيل نجمة (Y): V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
توصيل دلتا (Δ): V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
القدرة الفعّالة الكلية: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
القدرة الظاهرية والقدرة غير الفعّالة: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
مكثّفات التصحيح: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
الجهد على كل مكثّف: Δ: V_L Y: V_L/√3
قدرة دخل المحرّك: P_in = P_out/η

2مسائل تدريبية

1.محولات التيار المستمر إلى التيار المستمرمتوسطة

محول رافع مثالي يحوّل 48 V إلى 120 V بتردد 40 kHz مع L = 330 µH. أوجد تيار تموّج المحث من الذروة إلى الذروة ΔI_L.

Vin = 48 VVo = 120 Vf = 40 kHzL = 330 µH

ΔI_L = A

2.محولات التيار المستمر إلى التيار المستمرصعبة

محول خافض–رافع مثالي يحوّل 48 V إلى −32 V لحمل 12 Ω بتردد 100 kHz. مكثف الخرج 100 µF. أوجد تموّج جهد الخرج من الذروة إلى الذروة ΔV_o بوحدة mV.

Vin = 48 VVo = −32 Vf = 100 kHzC = 100 µFR = 12 Ω

ΔV_o = mV

3.محركات التيار المستمرمتوسطة

يعمل محرك تيار مستمر فيه k = 0,5 V·s/rad على 120 V. بإهمال جميع الفواقد عند اللاحمل، أوجد سرعة اللاحمل n₀ بوحدة rpm.

V = 120 Vk = 0,5 V·s/rad

n₀ = rpm

4.محركات التيار المستمرصعبة

يدير محرك تيار مستمر مستقل الإثارة (k = 0,6 V·s/rad عند المجال الكامل، R_a = 1,2 Ω، V = 240 V) حملًا بعزم ثابت قدره 6 N·m. يُخفَّض فيض المجال إلى 75 % من قيمته الكاملة. أوجد السرعة الجديدة n.

V = 240 Vk = 0,6 V·s/radR_a = 1,2 ΩT = 6 N·mΦ = 75 %

n = rpm

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

يأخذ حِمل حثي 13 A و 1872 W من مصدر أحادي الطور 240 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد X.

V = 240 VI = 13 AP = 1872 W

X = Ω

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

محوّل أحادي الطور قدرته 200 kVA يغذّي حِملًا 90 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر. ما مقدار القدرة الفعلية الإضافية ΔP التي يمكن إضافتها كحِمل مقاومي (معامل قدرة واحد) قبل أن يبلغ المحوّل قدرته الاسمية بوحدة kVA؟

S_max = 200 kVAP₁ = 90 kWpf₁ = 0,65

ΔP = kW

7.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 75 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 95% ومعامل قدرته 0,9 متأخرًا. جهد خط المصدر 415 V. أوجد تيار الخط I_L.

P_out = 75 kWη = 95%cos φ = 0,9V_L = 415 V

I_L = A

8.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,65 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 C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf₁ = 0,65pf₂ = 0,98V_L = 415 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3المحاليل

1.محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر

الإجابة: ΔI_L = 2,182 A

محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر: يُغلق مفتاح S للجزء D من كل دور T = 1/f. في الحالة المستقرة يكون متوسط جهد المحث صفرًا (توازن فولت·ثانية)، مما يعطي نسب التحويل المثالية في التوصيل المستمر: المحول الخافض V_o = D·V_in، والمحول الرافع V_o = V_in/(1 − D)، والمحول الخافض–الرافع العاكس |V_o| = V_in·D/(1 − D). المحول المثالي يحفظ القدرة: V_in·I_in = V_o·I_o. وحين يكون S مغلقًا يرتفع تيار المحث بمقدار ΔI_L = V_L·D·T/L، حيث V_L = V_in − V_o للمحول الخافض وV_in للمحول الرافع والخافض–الرافع. وتموّج الخرج هو ΔV_o = ΔI_L/(8fC) للمحول الخافض وI_o·D/(fC) للمحول الرافع والخافض–الرافع. ويلامس تيار المحث الصفر (حدّ التوصيل المستمر CCM) حين يساوي متوسط تيار المحث ΔI_L/2.

دورة التشغيل

D = 1 − 48/120 = 0,6

جهد المحث خلال زمن الإغلاق

حين يكون S مغلقًا يقع المحث مباشرةً على V_in.

V_L = 48 V

تيار التموّج

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 48·0,6/(330·10⁻⁶·40·10³) = 2,182 A

الإجابة

ΔI_L = 2,182 A

2.محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر

الإجابة: ΔV_o = 106,7 mV

دورة التشغيل

D = 32/(48 + 32) = 0,4

تيار الحِمل

I_o = 32/12 = 2,667 A

تموّج الخرج

ΔV_o = 2,667·0,4/(100·10³·100·10⁻⁶) = 106,7 mV

الإجابة

ΔV_o = 106,7 mV

3.محركات التيار المستمر

الإجابة: n₀ = 2292 rpm

محرك التيار المستمر: ملف عضو الإنتاج مقاومة R_a على التوالي مع القوة الدافعة الكهربائية العكسية E، لذا V = E + I_a·R_a. تزداد القوة الدافعة العكسية مع السرعة، E = k·ω، ويزداد العزم مع التيار، T = k·I_a، بثابت المحرك k نفسه (V·s/rad = N·m/A) في وحدات SI. حوّل السرعات بالعلاقة ω = 2π·n/60. القدرة المتولدة هي E·I_a = T·ω؛ وقدرة الدخل هي V·I_a، ويمثل فقد النحاس I_a²R_a والفقد الدوراني الفرق بينهما. تنخفض السرعة خطيًا مع العزم، ω = V/k − R_a·T/k²، من سرعة اللاحمل V/k إلى الصفر عند عزم التوقف k·V/R_a. وعند السكون E = 0، فيكون تيار البدء V/R_a كبيرًا ما لم تحدّه مقاومة.

سرعة اللاحمل

ω₀ = V/k = 120/0,5 = 240 rad/s

n₀ = 60·240/(2π) = 2292 rpm

الإجابة

n₀ = 2292 rpm

4.محركات التيار المستمر

الإجابة: n = 4753 rpm

ثابت المحرك بعد الإضعاف

k₂ = 0,75·0,6 = 0,45 V·s/rad

تيار عضو الإنتاج الجديد

I_a = 6/0,45 = 13,33 A

السرعة الجديدة

ω = (240 − 13,33·1,2)/0,45 = 497,8 rad/s → n = 4753 rpm

الإجابة

n = 4753 rpm

إضعاف المجال هو الطريقة التي يعمل بها مشغّل التيار المستمر فوق سرعته الأساسية.

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: X = 14,77 Ω

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.

المقاومة من القدرة الفعلية

R = P/I² = 1872/13² = 11,08 Ω

المفاعلة من المعاوقة

|Z| = V/I = 240/13 = 18,46 Ω

X = √(|Z|² − R²) = √(18,46² − 11,08²) = 14,77 Ω

الإجابة

X = 14,77 Ω

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 80,08 kW

القدرة غير الفعّالة للحِمل الموجود

Q₁ = 90·tan(arccos 0,65) = 105,2 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

عند القدرة الاسمية الكاملة S = S_max، و Q لا يتغيّر بالحِمل المقاومي.

P = √(S_max² − Q₁²) = √(200² − 105,2²) = 170,1 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 170,1 − 90 = 80,08 kW

الإجابة

ΔP = 80,08 kW

7.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: I_L = 122 A

القدرة الكهربائية الداخلة

P_in = P_out/η = 75/0,95 = 78,95 kW

تيار الخط

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 78947/(√3·415·0,9) = 122 A

الإجابة

I_L = 122 A

8.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 714,2 µF

النظم ثلاثية الطور المتوازنة: في توصيل Y (النجمة) يكون جهد الخط √3 ضعف جهد الطور، V_L = √3·V_ph، ويساوي تيار الخط تيار الطور. وفي توصيل Δ (الدلتا) يساوي جهد الخط جهد الطور، ويكون تيار الخط √3 ضعف تيار الطور، I_L = √3·I_ph. القدرة الكلية ثلاثة أضعاف قدرة الطور الواحد: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. تحسين معامل القدرة: تقدّم المكثّفات القدرة غير الفعّالة محليًا، Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). يقدّم كل مكثّف من المكثّفات الثلاثة Q_C/3 = V²·ω·C، حيث V الجهد على ذلك المكثّف: V_L في مجموعة Δ، و V_L/√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 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar

Q₂ = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 115,9 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 38643/(314,2·415²) = 714,2 µF

الإجابة

C_ph = 714,2 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics