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 50 Hz. يجب أن ترفع مجموعة مكثّفات ثلاثية الطور موصولة على التوازي مع الحمل معامل القدرة الكلي إلى 0,92 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة دلتا (Δ). أوجد السعة C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 100 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,92V_L = 690 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.المحوّلاتمتوسطة

وُصلت مقاومة 4 Ω على طرفي الملف الثانوي لمحوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 2:1. أوجد المقاومة R_1′ المرئية عند النظر إلى الملف الابتدائي.

N₁:N₂ = 2:1R_L = 4 Ω

R_1′ = Ω

4.المحوّلاتصعبة

محوّل أحادي الطور 200 kVA مفقودات قلبه 800 W ومفقودات نحاسه 2400 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 50% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,95 متأخر. أوجد المفقودات الكلية P_loss بالواط عند هذا الحمل.

S = 200 kVAP_core = 800 WP_cu,fl = 2400 Wx = 0,5pf = 0,95

P_loss = W

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

يأخذ حِمل حثي 3,5 A و 630 W من مصدر أحادي الطور 240 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد X.

V = 240 VI = 3,5 AP = 630 W

X = Ω

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

يأخذ حِمل أحادي الطور 12 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر من مصدر 240 V، 50 Hz. يُوصل مكثّف سعته 470 µF على التوازي مع الحِمل. أوجد معامل القدرة الجديد cos φ الذي يراه المصدر.

P = 12 kWpf₁ = 0,65V = 240 Vf = 50 HzC = 470 µF

cos φ =

7.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

مقاومة وملف موصولان على التوازي على مصدر 24 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد التيار الفعّال I.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 100 mH

I = A

8.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 100 V (فعّال)، 100 Hz. أوجد الجهد الفعّال V_C على المكثّف.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 100 µF

V_C = V

9.محركات التيار المستمرمتوسطة

يعمل محرك تيار مستمر (k = 0,2 V·s/rad، R_a = 1,2 Ω) على 48 V. عند الحمل الكامل يسحب 5 A. بإهمال تيار اللاحمل، أوجد تنظيم سرعته SR = (n₀ − n_FL)/n_FL بالنسبة المئوية.

V = 48 Vk = 0,2 V·s/radR_a = 1,2 ΩI_FL = 5 A

SR = %

10.محركات التيار المستمرصعبة

يعمل محرك تيار مستمر مستقل الإثارة على 48 V (R_a = 0,5 Ω) بسرعة 1200 rpm وتيار عضو إنتاج 6 A. يتغير الحمل فيصبح التيار 9 A، مع بقاء المجال دون تغيير. أوجد السرعة الجديدة n₂.

V = 48 VR_a = 0,5 Ωn₁ = 1200 rpmI_a1 = 6 AI_a2 = 9 A

n₂ = rpm

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 = 132,4 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 0,92) = 100·0,426 = 42,6 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 59,42 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 19807/(314,2·690²) = 132,4 µF

الإجابة

C_ph = 132,4 µF

3.المحوّلات

الإجابة: R_1′ = 16 Ω

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.

المقاومة المحوَّلة

يرتفع الجهد بـ a وينخفض التيار بـ a، لذا ترتفع النسبة V/I بـ a².

R_1′ = a²·R_L = 2²·4 = 16 Ω

الإجابة

R_1′ = 16 Ω

4.المحوّلات

الإجابة: P_loss = 1400 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.

مفقودات النحاس عند هذا الحمل

P_cu = x²·P_cu,fl = 0,25·2400 = 600 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

P_loss = 800 + 600 = 1400 W

الإجابة

P_loss = 1400 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 98,55%.

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: X = 45,36 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 = 630/3,5² = 51,43 Ω

المفاعلة من المعاوقة

|Z| = V/I = 240/3,5 = 68,57 Ω

X = √(|Z|² − R²) = √(68,57² − 51,43²) = 45,36 Ω

الإجابة

X = 45,36 Ω

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: cos φ = 0,9084

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q₁ = 12·tan(arccos 0,65) = 14,03 kvar

Q_C = V²·2πf·C = 240²·2π·50·470·10⁻⁶ = 8505 var = 8,505 kvar

Q₂ = 14,03 − 8,505 = 5,525 kvar

القدرة الظاهرية الجديدة

S₂ = √(12² + 5,525²) = 13,21 kVA

معامل القدرة الجديد

cos φ = P/S₂ = 12/13,21 = 0,9084

الإجابة

cos φ = 0,9084

7.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: I = 0,4857 A

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|.

المفاعلة

X_L = ωL = 2π·100·0,1 = 62,83 Ω

تيارات الفروع

الفرعان موصولان مباشرةً على طرفي المصدر، لذا يرى كل منهما الجهد الكامل V.

I_R = V/R = 24/80 = 0,3 A

I_X = V/X_L = 24/62,83 = 0,382 A

التيار الكلي

تيار المقاومة متّفق في الطور مع V والتيار المفاعل مُزاح بـ 90°، لذا يُجمعان كضلعي مثلث قائم.

I = √(I_R² + I_X²) = √(0,3² + 0,382²) = 0,4857 A

الإجابة

I = 0,4857 A

8.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: V_C = 54,11 V

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s

X_L = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(25² + (15,5)²) = 29,42 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 100/29,42 = 3,4 A

الجهد على المكثّف

V_C = I·X_C = 3,4·15,92 = 54,11 V

الإجابة

V_C = 54,11 V

9.محركات التيار المستمر

الإجابة: SR = 14,29 %

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·0,2) = 2292 rpm

n_FL = 60·(48 − 5·1,2)/(2π·0,2) = 2005 rpm

تنظيم السرعة

SR = (2292 − 2005)/2005·100 = 14,29 %

الإجابة

SR = 14,29 %

10.محركات التيار المستمر

الإجابة: n₂ = 1160 rpm

القوة الدافعة العكسية قبل التغير وبعده

E₁ = 48 − 6·0,5 = 45 V

E₂ = 48 − 9·0,5 = 43,5 V

السرعة الجديدة

n₂ = 1200·43,5/45 = 1160 rpm

الإجابة

n₂ = 1160 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems