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 93% ومعامل قدرته 0,86 متأخرًا. جهد خط المصدر 690 V. أوجد تيار الخط I_L.

P_out = 110 kWη = 93%cos φ = 0,86V_L = 690 V

I_L = A

2.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 60 kW عند معامل قدرة 0,7 متأخر من مصدر 690 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 نجمة (Y). أوجد السعة C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 60 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,98V_L = 690 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.المحوّلاتمتوسطة

مكبّر مقاومة خرجه 640 Ω يغذّي مكبّر صوت 10 Ω عبر محوّل مثالي. لأقصى نقل للقدرة يجب أن يبدو مكبّر الصوت 640 Ω من جهة المكبّر. أوجد نسبة اللفّات a = N₁/N₂.

R_s = 640 ΩR_L = 10 Ω

a =

4.المحوّلاتصعبة

محوّل أحادي الطور 250 kVA مفقودات قلبه 1000 W ومفقودات نحاسه 4000 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل S_η,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 250 kVAP_core = 1000 WP_cu,fl = 4000 W

S_η,max = kVA

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

حِمل معاوقته Z = 9 + j12 Ω موصول بمصدر أحادي الطور 120 V (فعّال). أوجد القدرة الظاهرية S.

V = 120 VZ = 9 + j12 Ω

S = VA

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

مصدر 12 V (فعّال)، 1000 Hz له معاوقة داخلية Z_s = 25 + j20 Ω. يمكن اختيار معاوقة الحِمل Z_L بحرية. أوجد أقصى قدرة فعلية P_max يمكن نقلها إلى الحِمل.

V_s = 12 V (rms)f = 1000 HzZ_s = 25 + j20 Ω

P_max = W

7.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 120 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد معامل القدرة cos φ للدائرة.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF

cos φ =

8.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

مقاومة R₁ موصولة على التوالي مع توصيلة توازي من R₂ ومكثّف C، على مصدر 100 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR₁ = 30 ΩR₂ = 50 ΩC = 4,7 µF

I = A

9.محركات التيار المستمرمتوسطة

يتصل محرك تيار مستمر فيه k = 1,2 N·m/A وR_a = 0,8 Ω بمصدر 110 V. أوجد عزم توقفه T_stall، أي العزم عند سرعة صفر.

V = 110 Vk = 1,2 N·m/AR_a = 0,8 Ω

T_stall = N·m

10.محركات التيار المستمرصعبة

يغذي مقطِّع تيار مستمر محركًا (k = 1,2 V·s/rad، R_a = 1,5 Ω) من ناقل تيار مستمر 220 V. جهد عضو الإنتاج المتوسط هو D·220 V. أوجد دورة التشغيل D التي تُشغّل المحرك بسرعة 500 rpm مع حمل 9,6 N·m.

V_dc = 220 Vk = 1,2 V·s/radR_a = 1,5 ΩT = 9,6 N·mn = 500 rpm

D = %

3المحاليل

1.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: I_L = 115,1 A

القدرة الكهربائية الداخلة

P_in = P_out/η = 110/0,93 = 118,3 kW

تيار الخط

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 118280/(√3·690·0,86) = 115,1 A

الإجابة

I_L = 115,1 A

2.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 327,8 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 = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar

Q₂ = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 49,03 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 16343/(314,2·398,4²) = 327,8 µF

الإجابة

C_ph = 327,8 µF

3.المحوّلات

الإجابة: a = 8

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

a²·10 = 640

a = √(640/10) = √64 = 8

الإجابة

a = 8

4.المحوّلات

الإجابة: S_η,max = 125 kVA

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.

مفقودات النحاس تساوي مفقودات القلب

x²·4000 = 1000 → x = √(1000/4000) = 0,5

الحمل عند أقصى كفاءة

S_η,max = x·S = 0,5·250 = 125 kVA

الإجابة

S_η,max = 125 kVA

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: S = 960 VA

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| = √(9² + 12²) = 15 Ω

I = V/|Z| = 120/15 = 8 A

القدرة الظاهرية

S = V·I = 120·8 = 960 VA

الإجابة

S = 960 VA

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: P_max = 1,44 W

المواءمة المرافقة

مفاعلة الحِمل تلغي مفاعلة المصدر، ومقاومة الحِمل تساوي مقاومة المصدر.

Z_L = Z_s* = 25 − j20 Ω

أقصى قدرة

I = V_s/(2R_s) = 12/50 = 0,24 A

P_max = I²·R_L = V_s²/(4R_s) = 12²/(4·25) = 1,44 W

الإجابة

P_max = 1,44 W

7.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: cos φ = 0,2384

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 = 94,25 Ω, X_C = 338,6 Ω

المعاوقة

|Z| = √(60² + (−244,4)²) = 251,6 Ω

معامل القدرة

cos φ = R/|Z| = 60/251,6 = 0,2384

الدائرة سعوية، لذا معامل القدرة متقدّم.

الإجابة

cos φ = 0,2384

8.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 1,497 A

المفاعلة

X_C = 1/(2π·500·4,7·10⁻⁶) = 67,73 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 = 32,36 − j23,89 Ω

المعاوقة الكلية

Z = 30 + 32,36 − j23,89 = 62,36 − j23,89 Ω

|Z| = √(62,36² + 23,89²) = 66,78 Ω

التيار

I = V/|Z| = 100/66,78 = 1,497 A

الإجابة

I = 1,497 A

9.محركات التيار المستمر

الإجابة: T_stall = 165 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.

تيار التوقف

I_a = V/R_a = 110/0,8 = 137,5 A

عزم التوقف

T_stall = 1,2·137,5 = 165 N·m

الإجابة

T_stall = 165 N·m

10.محركات التيار المستمر

الإجابة: D = 34,01 %

جهد عضو الإنتاج المطلوب

V_a = 1,2·52,36 + 8·1,5 = 74,83 V

دورة التشغيل

D = 74,83/220 = 34,01 %

الإجابة

D = 34,01 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems