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 7 + j24 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 400 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

V_L = 400 VZ = 7 + j24 Ω لكل طور

P = kW

2.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 100 kW عند معامل قدرة 0,7 متأخر من مصدر 690 V (جهد خط) و 60 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 = 100 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,98V_L = 690 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.المحوّلاتمتوسطة

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 10:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 1200 V. وُصلت مقاومة 40 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I₁.

N₁:N₂ = 10:1V₁ = 1200 VR_L = 40 Ω

I₁ = A

4.المحوّلاتصعبة

محوّل أحادي الطور 150 kVA مفقودات قلبه 450 W ومفقودات نحاسه 1800 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل S_η,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 150 kVAP_core = 450 WP_cu,fl = 1800 W

S_η,max = kVA

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

حِملان موصولان على التوازي بمصدر أحادي الطور 400 V: حِمل 23 kW بمعامل قدرة 0,85 متأخّر وسخّان قدرته 8 kW (معامل قدرة واحد). أوجد معامل القدرة الكلي cos φ الذي يراه المصدر.

V = 400 VP₁ = 23 kW, pf₁ = 0,85 متأخرP₂ = 8 kW, pf₂ = 1

cos φ =

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

محوّل أحادي الطور قدرته 100 kVA يغذّي حِملًا 35 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 = 100 kVAP₁ = 35 kWpf₁ = 0,65

ΔP = kW

7.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 100 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد القدرة الفعلية P المسحوبة من المصدر.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF

P = W

8.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 12 V (فعّال)، 1000 Hz. أوجد تردّد الرنين f₀ للدائرة.

V = 12 V (rms)f = 1000 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 2,2 µF

f₀ = Hz

9.محركات التيار المستمرمتوسطة

يسحب محرك تيار مستمر 8 A من مصدر 110 V. مقاومة عضو إنتاجه 1,2 Ω وفواقده الدورانية (الاحتكاك ومقاومة الهواء والحديد) 64 W. أوجد كفاءته η.

V = 110 VI_a = 8 AR_a = 1,2 ΩP_rot = 64 W

η = %

10.محركات التيار المستمرصعبة

يدير محرك تيار مستمر (k = 0,75 V·s/rad، R_a = 2 Ω) على مصدر ثابت 220 V حملًا بعزم 3 N·m. أوجد المقاومة على التوالي R_s التي تبطّئه إلى 800 rpm.

V = 220 Vk = 0,75 V·s/radR_a = 2 ΩT = 3 N·mn = 800 rpm

R_s = Ω

3المحاليل

1.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 1,792 kW

جهد الطور

V_ph = 400/√3 = 230,9 V

تيار الطور

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω

I_ph = 230,9/25 = 9,238 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·I_ph²·R = 3·9,238²·7 = 1,792 kW

الإجابة

P = 1,792 kW

تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,28، و √3·V_L·I_L·cos φ يعطي القدرة نفسها.

2.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 455,3 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 = 100·tan(acos 0,7) = 100·1,02 = 102 kvar

Q₂ = 100·tan(acos 0,98) = 100·0,2031 = 20,31 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 81,71 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 27238/(377·398,4²) = 455,3 µF

الإجابة

C_ph = 455,3 µF

3.المحوّلات

الإجابة: I₁ = 0,3 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 = 1200/10 = 120 V

I₂ = 120/40 = 3 A

التيار الابتدائي

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

I₁ = I₂/10 = 0,3 A

الإجابة

I₁ = 0,3 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·R_L = 4000 Ω، و 1200/4000 يعطي التيار نفسه.

4.المحوّلات

الإجابة: S_η,max = 75 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

x²·1800 = 450 → x = √(450/1800) = 0,5

الحمل عند أقصى كفاءة

S_η,max = x·S = 0,5·150 = 75 kVA

الإجابة

S_η,max = 75 kVA

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: cos φ = 0,9086

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 لكل حِمل

الحِمل المتأخّر يأخذ قدرة غير فعّالة (Q > 0)؛ والحِمل المتقدّم يزوّدها (Q < 0).

Q₁ = 23·tan(arccos 0,85) = 14,25 kvar

Q₂ = 0 = 0 kvar

المجاميع

P = 23 + 8 = 31 kW

Q = 14,25 + 0 = 14,25 kvar

S = √(31² + 14,25²) = 34,12 kVA

معامل القدرة الكلي

cos φ = P/S = 31/34,12 = 0,9086 متأخر

الإجابة

cos φ = 0,9086

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 56,24 kW

القدرة غير الفعّالة للحِمل الموجود

Q₁ = 35·tan(arccos 0,65) = 40,92 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

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

P = √(S_max² − Q₁²) = √(100² − 40,92²) = 91,24 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 91,24 − 35 = 56,24 kW

الإجابة

ΔP = 56,24 kW

7.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: P = 15,46 W

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 = 125,7 Ω, X_C = 338,6 Ω

المعاوقة

|Z| = √(80² + (−213)²) = 227,5 Ω

القدرة الفعلية

الملفات والمكثّفات تخزّن الطاقة وتعيدها فقط؛ والمقاومة تمتص القدرة الفعلية كلها.

I = 100/227,5 = 0,4396 A

P = I²·R = 0,4396²·80 = 15,46 W

الإجابة

P = 15,46 W

8.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: f₀ = 277,1 Hz

الرنين

عند الرنين تُلغي المفاعلتان الحثية والسعوية بعضهما: ωL = 1/(ωC). تردّد المصدر لا يهم.

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,15·2,2·10⁻⁶)) = 277,1 Hz

الإجابة

f₀ = 277,1 Hz

9.محركات التيار المستمر

الإجابة: η = 84 %

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.

القدرات

P_in = 110·8 = 880 W

P_dev = 100,4·8 = 803,2 W

P_out = 803,2 − 64 = 739,2 W

الكفاءة

η = 739,2/880·100 = 84 %

الإجابة

η = 84 %

10.محركات التيار المستمر

الإجابة: R_s = 37,29 Ω

التيار والقوة الدافعة العكسية

I_a = 3/0,75 = 4 A

E = 0,75·83,78 = 62,83 V

المقاومة على التوالي

R_a + R_s = (220 − 62,83)/4 = 39,29 Ω

R_s = 37,29 Ω

الإجابة

R_s = 37,29 Ω

تبدد المقاومة 596,7 W؛ أما المقطِّع فيتحكم في السرعة بفقد أقل بكثير.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems