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

حمل متوازن موصول Y ممانعته 24 + j18 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 480 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

V_L = 480 VZ = 24 + j18 Ω لكل طور

P = kW

2.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 75 kW عند معامل قدرة 0,78 متأخر من مصدر 400 V (جهد خط) و 60 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 C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 75 kWpf₁ = 0,78pf₂ = 0,9V_L = 400 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.المحوّلاتمتوسطة

محوّل أحادي الطور 150 kVA و 6600/230 V يعمل عند حمله المقنَّن. اعتبره مثاليًا. أوجد التيار I_HV في ملف الجهد العالي.

S = 150 kVAV₁ = 6600 VV₂ = 230 V

I_HV = A

4.المحوّلاتصعبة

محوّل أحادي الطور 50 kVA مفقودات قلبه 400 W. عند الحمل المقنَّن ومعامل قدرة 0,85 متأخر تكون كفاءته 96,5%. أوجد مفقودات النحاس عند الحمل الكامل P_cu,fl بالواط.

S = 50 kVAP_core = 400 Wpf = 0,85η = 96,5%

P_cu,fl = W

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

يستهلك محرّك أحادي الطور 30 kW بمعامل قدرة 0,9 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 30 kWpf = 0,9V = 240 V

Q = kvar

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

محوّل أحادي الطور قدرته 150 kVA يغذّي حِملًا 80 kW بمعامل قدرة 0,85 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 = 150 kVAP₁ = 80 kWpf₁ = 0,85

ΔP = kW

7.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 50 V (فعّال)، 60 Hz. أوجد معامل القدرة cos φ للدائرة.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 100 µF

cos φ =

8.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

مقاومة R₁ موصولة على التوالي مع توصيلة توازي من R₂ ومكثّف C، على مصدر 120 V (فعّال)، 60 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR₁ = 20 ΩR₂ = 150 ΩC = 47 µF

I = A

9.محركات التيار المستمرمتوسطة

يعطي محرك تيار مستمر قدرة ميكانيكية قدرها 4 kW عند 3000 rpm. أوجد عزم العمود T.

P = 4 kWn = 3000 rpm

T = N·m

10.محركات التيار المستمرصعبة

يعمل محرك تيار مستمر مستقل الإثارة على 120 V (R_a = 1 Ω) بسرعة 900 rpm وتيار عضو إنتاج 8 A. يتغير الحمل فيصبح التيار 4,8 A، مع بقاء المجال دون تغيير. أوجد السرعة الجديدة n₂.

V = 120 VR_a = 1 Ωn₁ = 900 rpmI_a1 = 8 AI_a2 = 4,8 A

n₂ = rpm

3المحاليل

1.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 6,144 kW

جهد الطور

V_ph = 480/√3 = 277,1 V

تيار الطور

|Z| = √(24² + 18²) = 30 Ω

I_ph = 277,1/30 = 9,238 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·I_ph²·R = 3·9,238²·24 = 6,144 kW

الإجابة

P = 6,144 kW

تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,8، و √3·V_L·I_L·cos φ يعطي القدرة نفسها.

2.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 131,8 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 = 75·tan(acos 0,78) = 75·0,8023 = 60,17 kvar

Q₂ = 75·tan(acos 0,9) = 75·0,4843 = 36,32 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 23,85 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 400 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 7949/(377·400²) = 131,8 µF

الإجابة

C_ph = 131,8 µF

3.المحوّلات

الإجابة: I_HV = 22,73 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.

التيار المقنَّن

يحمل الملفان القدرة الظاهرية نفسها.

I_HV = S/V = 150000/6600 = 22,73 A

الإجابة

I_HV = 22,73 A

4.المحوّلات

الإجابة: P_cu,fl = 1141 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 = 50·0,85 = 42,5 kW

P_in = 42500/0,965 = 44041 W

المفقودات الكلية ومفقودات النحاس

P_loss = 44041 − 42500 = 1541 W

P_cu,fl = 1541 − 400 = 1141 W

الإجابة

P_cu,fl = 1141 W

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 14,53 kvar

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.

الزاوية

φ = arccos(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

القدرة غير الفعّالة

Q = P·tan φ = 30·0,4843 = 14,53 kvar

الإجابة

Q = 14,53 kvar

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 61,57 kW

القدرة غير الفعّالة للحِمل الموجود

Q₁ = 80·tan(arccos 0,85) = 49,58 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

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

P = √(S_max² − Q₁²) = √(150² − 49,58²) = 141,6 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 141,6 − 80 = 61,57 kW

الإجابة

ΔP = 61,57 kW

7.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: cos φ = 0,9371

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 = 37,7 Ω, X_C = 26,53 Ω

المعاوقة

|Z| = √(30² + (11,17)²) = 32,01 Ω

معامل القدرة

cos φ = R/|Z| = 30/32,01 = 0,9371

الدائرة حثية، لذا معامل القدرة متأخّر.

الإجابة

cos φ = 0,9371

8.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 1,913 A

المفاعلة

X_C = 1/(2π·60·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

توصيلة التوازي

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

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 18,6 − j49,44 Ω

المعاوقة الكلية

Z = 20 + 18,6 − j49,44 = 38,6 − j49,44 Ω

|Z| = √(38,6² + 49,44²) = 62,72 Ω

التيار

I = V/|Z| = 120/62,72 = 1,913 A

الإجابة

I = 1,913 A

9.محركات التيار المستمر

الإجابة: T = 12,73 N·m

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.

السرعة بوحدة rad/s

ω = 2π·3000/60 = 314,2 rad/s

العزم

T = P/ω = 4000/314,2 = 12,73 N·m

الإجابة

T = 12,73 N·m

10.محركات التيار المستمر

الإجابة: n₂ = 925,7 rpm

القوة الدافعة العكسية قبل التغير وبعده

E₁ = 120 − 8·1 = 112 V

E₂ = 120 − 4,8·1 = 115,2 V

السرعة الجديدة

n₂ = 900·115,2/112 = 925,7 rpm

الإجابة

n₂ = 925,7 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems