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 18,5 kW عند الحمل الكامل. عند هذا الحمل تكون كفاءته 91% ومعامل قدرته 0,86 متأخرًا. جهد خط المصدر 480 V. أوجد تيار الخط I_L.

P_out = 18,5 kWη = 91%cos φ = 0,86V_L = 480 V

I_L = A

2.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 50 kW عند معامل قدرة 0,75 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 C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 50 kWpf₁ = 0,75pf₂ = 0,9V_L = 415 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.المحوّلاتمتوسطة

مكبّر مقاومة خرجه 128 Ω يغذّي مكبّر صوت 8 Ω عبر محوّل مثالي. لأقصى نقل للقدرة يجب أن يبدو مكبّر الصوت 128 Ω من جهة المكبّر. أوجد نسبة اللفّات a = N₁/N₂.

R_s = 128 ΩR_L = 8 Ω

a =

4.المحوّلاتصعبة

محوّل أحادي الطور 200 kVA مفقودات قلبه 800 W ومفقودات نحاسه 3200 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل S_η,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 200 kVAP_core = 800 WP_cu,fl = 3200 W

S_η,max = kVA

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

يستهلك محرّك أحادي الطور 7 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر من مصدر 230 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 7 kWpf = 0,65V = 230 V

Q = kvar

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

محوّل أحادي الطور قدرته 150 kVA يغذّي حِملًا 84 kW بمعامل قدرة 0,75 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 = 84 kWpf₁ = 0,75

ΔP = kW

7.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي مع C = 47 µF يجب أن ترنّ عند 500 Hz. أوجد المحاثة L المطلوبة.

f₀ = 500 HzC = 47 µF

L = mH

8.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي يغذّيها مصدر 10 V (فعّال) ضُبط تردّده على تردّد رنين الدائرة. أوجد الجهد الفعّال V_L على الملف.

V = 10 V (rms)R = 50 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

V_L = V

9.محركات التيار المستمرمتوسطة

يعمل محرك تيار مستمر فيه k = 0,3 V·s/rad على 24 V. بإهمال جميع الفواقد عند اللاحمل، أوجد سرعة اللاحمل n₀ بوحدة rpm.

V = 24 Vk = 0,3 V·s/rad

n₀ = rpm

10.محركات التيار المستمرصعبة

يدير محرك تيار مستمر (k = 0,8 V·s/rad، R_a = 0,25 Ω) على مصدر ثابت 110 V حملًا بعزم 16 N·m. أوجد المقاومة على التوالي R_s التي تبطّئه إلى 500 rpm.

V = 110 Vk = 0,8 V·s/radR_a = 0,25 ΩT = 16 N·mn = 500 rpm

R_s = Ω

3المحاليل

1.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: I_L = 28,43 A

القدرة الكهربائية الداخلة

P_in = P_out/η = 18,5/0,91 = 20,33 kW

تيار الخط

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 20330/(√3·480·0,86) = 28,43 A

الإجابة

I_L = 28,43 A

2.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 122,5 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 = 50·tan(acos 0,75) = 50·0,8819 = 44,1 kvar

Q₂ = 50·tan(acos 0,9) = 50·0,4843 = 24,22 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 19,88 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 6627/(314,2·415²) = 122,5 µF

الإجابة

C_ph = 122,5 µF

3.المحوّلات

الإجابة: a = 4

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

a²·8 = 128

a = √(128/8) = √16 = 4

الإجابة

a = 4

4.المحوّلات

الإجابة: S_η,max = 100 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

x²·3200 = 800 → x = √(800/3200) = 0,5

الحمل عند أقصى كفاءة

S_η,max = x·S = 0,5·200 = 100 kVA

الإجابة

S_η,max = 100 kVA

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q = 8,184 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(0,65) = 49,46°, tan φ = 1,169

القدرة غير الفعّالة

Q = P·tan φ = 7·1,169 = 8,184 kvar

الإجابة

Q = 8,184 kvar

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 46,43 kW

القدرة غير الفعّالة للحِمل الموجود

Q₁ = 84·tan(arccos 0,75) = 74,08 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

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

P = √(S_max² − Q₁²) = √(150² − 74,08²) = 130,4 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 130,4 − 84 = 46,43 kW

الإجابة

ΔP = 46,43 kW

7.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: L = 2,156 mH

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|.

شرط الرنين

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

ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·47·10⁻⁶) = 2,156 mH

الإجابة

L = 2,156 mH

8.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: V_L = 42,64 V

الرنين

عند الرنين تُلغى المفاعلتان، لذا المعاوقة هي R فقط.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·2,2·10⁻⁶) = 2132 rad/s

I = V/R = 10/50 = 0,2 A

الجهد على الملف

X_L = ω₀L = 2132·0,1 = 213,2 Ω

V_L = I·X_L = 0,2·213,2 = 42,64 V

الإجابة

V_L = 42,64 V

هذا Q = 4,264 مرة جهد المصدر.

9.محركات التيار المستمر

الإجابة: n₀ = 763,9 rpm

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

ω₀ = V/k = 24/0,3 = 80 rad/s

n₀ = 60·80/(2π) = 763,9 rpm

الإجابة

n₀ = 763,9 rpm

10.محركات التيار المستمر

الإجابة: R_s = 3,156 Ω

التيار والقوة الدافعة العكسية

I_a = 16/0,8 = 20 A

E = 0,8·52,36 = 41,89 V

المقاومة على التوالي

R_a + R_s = (110 − 41,89)/20 = 3,406 Ω

R_s = 3,156 Ω

الإجابة

R_s = 3,156 Ω

تبدد المقاومة 1262 W؛ أما المقطِّع فيتحكم في السرعة بفقد أقل بكثير.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems