محول خافض مثالي يحوّل 24 V إلى 7,2 V لحمل 12 Ω بتردد 200 kHz. أوجد أصغر محاثة Lcrit للتوصيل المستمر.
Vin = 24 VVo = 7,2 Vf = 200 kHzR = 12 Ω
Lcrit = µH
3.محركات التيار المستمرمتوسطة
يعطي محرك تيار مستمر قدرة ميكانيكية قدرها 4 kW عند 1000 rpm. أوجد عزم العمود T.
P = 4 kWn = 1000 rpm
T = N·m
4.محركات التيار المستمرصعبة
يجب أن يدير محرك تيار مستمر فيه k = 1,5 V·s/rad وRa = 1,2 Ω حملًا بعزم 18 N·m بسرعة 300 rpm. أوجد جهد عضو الإنتاج V اللازم له.
k = 1,5 V·s/radRa = 1,2 ΩT = 18 N·mn = 300 rpm
V = V
5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة
حِمل معاوقته Z = 12 + j5 Ω موصول بمصدر أحادي الطور 120 V (فعّال). أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يمتصها.
V = 120 VZ = 12 + j5 Ω
Q = var
6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة
محوّل أحادي الطور قدرته 50 kVA يغذّي حِملًا 20 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر. ما مقدار القدرة الفعلية الإضافية ΔP التي يمكن إضافتها كحِمل مقاومي (معامل قدرة واحد) قبل أن يبلغ المحوّل قدرته الاسمية بوحدة kVA؟
Smax = 50 kVAP1 = 20 kWpf1 = 0,7
ΔP = kW
7.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة
حمل متوازن موصول Δ ممانعته 8 + j6 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 208 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.
VL = 208 VZ = 8 + j6 Ω لكل طور
P = kW
8.القدرة ثلاثية الطورصعبة
حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 100 kW عند معامل قدرة 0,78 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 0,9 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة Cph لكل مكثّف بالـ µF.
P = 100 kWpf1 = 0,78pf2 = 0,9VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3المحاليل
1.محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر
الإجابة: Imax = 4,582 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 Vo = D·Vin، والمحول الرافع Vo = Vin/(1 − D)، والمحول الخافض–الرافع العاكس |Vo| = Vin·D/(1 − D). المحول المثالي يحفظ القدرة: Vin·Iin = Vo·Io. وحين يكون S مغلقًا يرتفع تيار المحث بمقدار ΔIL = VL·D·T/L، حيث VL = Vin − Vo للمحول الخافض وVin للمحول الرافع والخافض–الرافع. وتموّج الخرج هو ΔVo = ΔIL/(8fC) للمحول الخافض وIo·D/(fC) للمحول الرافع والخافض–الرافع. ويلامس تيار المحث الصفر (حدّ التوصيل المستمر CCM) حين يساوي متوسط تيار المحث ΔIL/2.
دورة التشغيل
D = 14,4/36 = 0,4
التيار المتوسط وتيار التموّج
Io = 14,4/4 = 3,6 A
ΔIL = VL·D/(L·f) = 21,6·0,4/(220·10⁻⁶·20·10³) = 1,964 A
تيار الذروة
Imax = 3,6 + 1,964/2 = 4,582 A
الإجابة
Imax = 4,582 A
2.محولات التيار المستمر إلى التيار المستمر
الإجابة: Lcrit = 21 µH
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 Vo = D·Vin، والمحول الرافع Vo = Vin/(1 − D)، والمحول الخافض–الرافع العاكس |Vo| = Vin·D/(1 − D). المحول المثالي يحفظ القدرة: Vin·Iin = Vo·Io. وحين يكون S مغلقًا يرتفع تيار المحث بمقدار ΔIL = VL·D·T/L، حيث VL = Vin − Vo للمحول الخافض وVin للمحول الرافع والخافض–الرافع. وتموّج الخرج هو ΔVo = ΔIL/(8fC) للمحول الخافض وIo·D/(fC) للمحول الرافع والخافض–الرافع. ويلامس تيار المحث الصفر (حدّ التوصيل المستمر CCM) حين يساوي متوسط تيار المحث ΔIL/2.
دورة التشغيل
D = 7,2/24 = 0,3
شرط الحد
ساوِ متوسط تيار المحث بنصف تيار التموّج وحُلّ لإيجاد L.
Lcrit = (1 − D)·R/(2f)
المحاثة الحرجة
Lcrit = (1 − 0,3)·12/(2200·10³) = 21 µH
الإجابة
Lcrit = 21 µH
3.محركات التيار المستمر
الإجابة: T = 38,2 N·m
محرك التيار المستمر: ملف عضو الإنتاج مقاومة Ra على التوالي مع القوة الدافعة الكهربائية العكسية E، لذا V = E + Ia·Ra. تزداد القوة الدافعة العكسية مع السرعة، E = k·ω، ويزداد العزم مع التيار، T = k·Ia، بثابت المحرك k نفسه (V·s/rad = N·m/A) في وحدات SI. حوّل السرعات بالعلاقة ω = 2π·n/60. القدرة المتولدة هي E·Ia = T·ω؛ وقدرة الدخل هي V·Ia، ويمثل فقد النحاس Ia²Ra والفقد الدوراني الفرق بينهما. تنخفض السرعة خطيًا مع العزم، ω = V/k − Ra·T/k²، من سرعة اللاحمل V/k إلى الصفر عند عزم التوقف k·V/Ra. وعند السكون E = 0، فيكون تيار البدء V/Ra كبيرًا ما لم تحدّه مقاومة.
السرعة بوحدة rad/s
ω = 2π·1000/60 = 104,7 rad/s
العزم
T = P/ω = 4000/104,7 = 38,2 N·m
الإجابة
T = 38,2 N·m
4.محركات التيار المستمر
الإجابة: V = 61,52 V
محرك التيار المستمر: ملف عضو الإنتاج مقاومة Ra على التوالي مع القوة الدافعة الكهربائية العكسية E، لذا V = E + Ia·Ra. تزداد القوة الدافعة العكسية مع السرعة، E = k·ω، ويزداد العزم مع التيار، T = k·Ia، بثابت المحرك k نفسه (V·s/rad = N·m/A) في وحدات SI. حوّل السرعات بالعلاقة ω = 2π·n/60. القدرة المتولدة هي E·Ia = T·ω؛ وقدرة الدخل هي V·Ia، ويمثل فقد النحاس Ia²Ra والفقد الدوراني الفرق بينهما. تنخفض السرعة خطيًا مع العزم، ω = V/k − Ra·T/k²، من سرعة اللاحمل V/k إلى الصفر عند عزم التوقف k·V/Ra. وعند السكون E = 0، فيكون تيار البدء V/Ra كبيرًا ما لم تحدّه مقاومة.
القوة الدافعة العكسية
E = 1,5·31,42 = 47,12 V
تيار عضو الإنتاج
Ia = 18/1,5 = 12 A
جهد عضو الإنتاج
V = 47,12 + 12·1,2 = 61,52 V
الإجابة
V = 61,52 V
5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة
الإجابة: Q = 426 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 + 5²) = 13 Ω
I = V/|Z| = 120/13 = 9,231 A
القدرة غير الفعّالة
Q = I²·X = 9,231²·5 = 426 var
الإجابة
Q = 426 var
6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة
الإجابة: ΔP = 25,65 kW
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 للحِمل الموجود
Q1 = 20·tan(arccos 0,7) = 20,4 kvar
أكبر قدرة فعلية كلية
عند القدرة الاسمية الكاملة S = Smax، و Q لا يتغيّر بالحِمل المقاومي.
P = √(Smax² − Q1²) = √(50² − 20,4²) = 45,65 kW
القدرة الفعلية الإضافية
ΔP = 45,65 − 20 = 25,65 kW
الإجابة
ΔP = 25,65 kW
7.القدرة ثلاثية الطور
الإجابة: P = 10,38 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.
جهد الطور
Vph = VL = 208 V
تيار الطور
|Z| = √(8² + 6²) = 10 Ω
Iph = 208/10 = 20,8 A
القدرة الفعّالة الكلية
الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.
P = 3·Iph²·R = 3·20,8²·8 = 10,38 kW
الإجابة
P = 10,38 kW
تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,8، و √3·VL·IL·cos φ يعطي القدرة نفسها.
8.القدرة ثلاثية الطور
الإجابة: Cph = 195,9 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.