نظم القوى الكهربائية والآلات الكهربائية: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و10 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

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

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·Z_L
مفقودات النحاس عند حمل جزئي: P_cu = x²·P_cu,fl
الكفاءة: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
أقصى كفاءة: x = √(P_core/P_cu,fl)

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)

معاوقة التيار المتردد والطوريات

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

الطريقة

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

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.

2مسائل تدريبية

1.القدرة ثلاثية الطورمتوسطة

محرّك حثّي ثلاثي الطور يعطي قدرة خرج ميكانيكية مقدارها 110 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 88% ومعامل قدرته 0,85 متأخرًا. جهد خط المصدر 480 V. أوجد تيار الخط I_L.

P_out = 110 kWη = 88%cos φ = 0,85V_L = 480 V

I_L = A

2.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 120 kW عند معامل قدرة 0,75 متأخر من مصدر 415 V (جهد خط) و 60 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,95 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة نجمة (Y). أوجد السعة C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 120 kWpf₁ = 0,75pf₂ = 0,95V_L = 415 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.المحوّلاتمتوسطة

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 20:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 4600 V. وُصلت مقاومة 8 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I₁.

N₁:N₂ = 20:1V₁ = 4600 VR_L = 8 Ω

I₁ = A

4.المحوّلاتصعبة

محوّل أحادي الطور 250 kVA مفقودات قلبه 750 W. عند الحمل المقنَّن ومعامل قدرة 0,95 متأخر تكون كفاءته 98,8%. أوجد مفقودات النحاس عند الحمل الكامل P_cu,fl بالواط.

S = 250 kVAP_core = 750 Wpf = 0,95η = 98,8%

P_cu,fl = W

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

يأخذ حِمل حثي 13 A و 2184 W من مصدر أحادي الطور 240 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد X.

V = 240 VI = 13 AP = 2184 W

X = Ω

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

يستهلك حِمل أحادي الطور 35 kW بمعامل قدرة 0,6 متأخّر من مصدر 230 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,98. أوجد القدرة غير الفعّالة Q_C التي يجب أن يزوّدها المكثّف.

P = 35 kWpf₁ = 0,6pf₂ = 0,98V = 230 Vf = 60 Hz

Q_C = kvar

7.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد معامل القدرة cos φ للدائرة.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µF

cos φ =

8.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد الجهد الفعّال V_C على المكثّف.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 47 µF

V_C = V

9.محركات التيار المستمرمتوسطة

يعمل محرك تيار مستمر (k = 0,6 V·s/rad، R_a = 2 Ω) على 48 V. عند الحمل الكامل يسحب 2 A. بإهمال تيار اللاحمل، أوجد تنظيم سرعته SR = (n₀ − n_FL)/n_FL بالنسبة المئوية.

V = 48 Vk = 0,6 V·s/radR_a = 2 ΩI_FL = 2 A

SR = %

10.محركات التيار المستمرصعبة

يدير محرك تيار مستمر (k = 0,3 V·s/rad، R_a = 0,25 Ω) على مصدر ثابت 48 V حملًا بعزم 3 N·m. أوجد المقاومة على التوالي R_s التي تبطّئه إلى 750 rpm.

V = 48 Vk = 0,3 V·s/radR_a = 0,25 ΩT = 3 N·mn = 750 rpm

R_s = Ω

3المحاليل

1.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: I_L = 176,9 A

القدرة الكهربائية الداخلة

P_in = P_out/η = 110/0,88 = 125 kW

تيار الخط

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 125000/(√3·480·0,85) = 176,9 A

الإجابة

I_L = 176,9 A

2.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 1022 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 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar

Q₂ = 120·tan(acos 0,95) = 120·0,3287 = 39,44 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 66,39 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 22129/(377·239,6²) = 1022 µF

الإجابة

C_ph = 1022 µF

3.المحوّلات

الإجابة: I₁ = 1,438 A

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.

الجهد والتيار الثانويان

V₂ = 4600/20 = 230 V

I₂ = 230/8 = 28,75 A

التيار الابتدائي

المحوّل المثالي بلا مفقودات: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I₁ = I₂/20 = 1,438 A

الإجابة

I₁ = 1,438 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·R_L = 3200 Ω، و 4600/3200 يعطي التيار نفسه.

4.المحوّلات

الإجابة: P_cu,fl = 2135 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·P_cu,fl. الكفاءة η = P_out/(P_out + P_core + P_cu)، حيث P_out = x·S·pf. تكون الكفاءة في أعلاها عند الحمل الذي تتساوى فيه مفقودات النحاس مع مفقودات القلب.

قدرتا الخرج والدخل

P_out = 250·0,95 = 237,5 kW

P_in = 237500/0,988 = 240385 W

المفقودات الكلية ومفقودات النحاس

P_loss = 240385 − 237500 = 2885 W

P_cu,fl = 2885 − 750 = 2135 W

الإجابة

P_cu,fl = 2135 W

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: X = 13,18 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 = 2184/13² = 12,92 Ω

المفاعلة من المعاوقة

|Z| = V/I = 240/13 = 18,46 Ω

X = √(|Z|² − R²) = √(18,46² − 12,92²) = 13,18 Ω

الإجابة

X = 13,18 Ω

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q_C = 39,56 kvar

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q₁ = P·tan φ₁ = 35·tan(53,13°) = 46,67 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 35·tan(11,48°) = 7,107 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 39,56 kvar

الإجابة

Q_C = 39,56 kvar

7.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: cos φ = 0,7785

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

X_L = 15,71 Ω, X_C = 31,83 Ω

المعاوقة

|Z| = √(20² + (−16,12)²) = 25,69 Ω

معامل القدرة

cos φ = R/|Z| = 20/25,69 = 0,7785

الدائرة سعوية، لذا معامل القدرة متقدّم.

الإجابة

cos φ = 0,7785

8.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: V_C = 161,8 V

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s

X_L = ωL = 314,2·0,2 = 62,83 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(50² + (−4,894)²) = 50,24 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 120/50,24 = 2,389 A

الجهد على المكثّف

V_C = I·X_C = 2,389·67,73 = 161,8 V

الإجابة

V_C = 161,8 V

9.محركات التيار المستمر

الإجابة: SR = 9,091 %

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 وسرعة الحمل الكامل

n₀ = 60·48/(2π·0,6) = 763,9 rpm

n_FL = 60·(48 − 2·2)/(2π·0,6) = 700,3 rpm

تنظيم السرعة

SR = (763,9 − 700,3)/700,3·100 = 9,091 %

الإجابة

SR = 9,091 %

10.محركات التيار المستمر

الإجابة: R_s = 2,194 Ω

التيار والقوة الدافعة العكسية

I_a = 3/0,3 = 10 A

E = 0,3·78,54 = 23,56 V

المقاومة على التوالي

R_a + R_s = (48 − 23,56)/10 = 2,444 Ω

R_s = 2,194 Ω

الإجابة

R_s = 2,194 Ω

تبدد المقاومة 219,4 W؛ أما المقطِّع فيتحكم في السرعة بفقد أقل بكثير.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems