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 ثلاثي الطور متوازن يسحب تيار خط مقداره 75 A من مصدر جهد خطه 480 V. معامل القدرة 0,9 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

V_L = 480 VI_L = 75 Acos φ = 0,9

P = kW

2.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 75 kW عند معامل قدرة 0,78 متأخر من مصدر 415 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 دلتا (Δ). أوجد السعة C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 75 kWpf₁ = 0,78pf₂ = 0,98V_L = 415 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.المحوّلاتمتوسطة

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 2:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 460 V. وُصلت مقاومة 5 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I₁.

N₁:N₂ = 2:1V₁ = 460 VR_L = 5 Ω

I₁ = A

4.المحوّلاتصعبة

محوّل أحادي الطور 200 kVA مفقودات قلبه 1600 W ومفقودات نحاسه 6400 W عند الحمل المقنَّن. عند أي حمل S_η,max، بالـ kVA، تكون كفاءته في أعلاها؟

S = 200 kVAP_core = 1600 WP_cu,fl = 6400 W

S_η,max = kVA

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

يستهلك محرّك أحادي الطور 17 kW بمعامل قدرة 0,65 متأخّر من مصدر 240 V. أوجد القدرة غير الفعّالة Q التي يسحبها.

P = 17 kWpf = 0,65V = 240 V

Q = kvar

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

يستهلك حِمل أحادي الطور 25 kW بمعامل قدرة 0,7 متأخّر من مصدر 240 V، 60 Hz. يرفع مكثّف موصول على التوازي معامل القدرة إلى 0,9. أوجد القدرة غير الفعّالة Q_C التي يجب أن يزوّدها المكثّف.

P = 25 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,9V = 240 Vf = 60 Hz

Q_C = kvar

7.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي مع C = 1 µF يجب أن ترنّ عند 5000 Hz. أوجد المحاثة L المطلوبة.

f₀ = 5000 HzC = 1 µF

L = mH

8.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 12 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد الجهد الفعّال V_C على المكثّف.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF

V_C = V

9.محركات التيار المستمرمتوسطة

يعمل محرك تيار مستمر (k = 0,15 V·s/rad، R_a = 0,5 Ω) على 48 V. عند الحمل الكامل يسحب 8 A. بإهمال تيار اللاحمل، أوجد تنظيم سرعته SR = (n₀ − n_FL)/n_FL بالنسبة المئوية.

V = 48 Vk = 0,15 V·s/radR_a = 0,5 ΩI_FL = 8 A

SR = %

10.محركات التيار المستمرصعبة

يعمل محرك تيار مستمر مستقل الإثارة على 220 V (R_a = 0,25 Ω) بسرعة 1000 rpm وتيار عضو إنتاج 40 A. يتغير الحمل فيصبح التيار 20 A، مع بقاء المجال دون تغيير. أوجد السرعة الجديدة n₂.

V = 220 VR_a = 0,25 Ωn₁ = 1000 rpmI_a1 = 40 AI_a2 = 20 A

n₂ = rpm

3المحاليل

1.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 56,12 kW

القدرة الظاهرية

S = √3·V_L·I_L = √3·480·75 = 62,35 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 62,35·0,9 = 56,12 kW

الإجابة

P = 56,12 kW

2.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 230,7 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 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 44,94 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Δ يوصل كل مكثّف بين خطين.

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 14981/(377·415²) = 230,7 µF

الإجابة

C_ph = 230,7 µF

3.المحوّلات

الإجابة: I₁ = 23 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 = 460/2 = 230 V

I₂ = 230/5 = 46 A

التيار الابتدائي

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

I₁ = I₂/2 = 23 A

الإجابة

I₁ = 23 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·R_L = 20 Ω، و 460/20 يعطي التيار نفسه.

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

x²·6400 = 1600 → x = √(1600/6400) = 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 = 19,88 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 = 17·1,169 = 19,88 kvar

الإجابة

Q = 19,88 kvar

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: Q_C = 13,4 kvar

القدرة غير الفعّالة قبل وبعد

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

Q₁ = P·tan φ₁ = 25·tan(45,57°) = 25,51 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 25·tan(25,84°) = 12,11 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 13,4 kvar

الإجابة

Q_C = 13,4 kvar

7.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: L = 1,013 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·5000 = 31416 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(31416²·1·10⁻⁶) = 1,013 mH

الإجابة

L = 1,013 mH

8.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: V_C = 51,51 V

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(15² + (−4,894)²) = 15,78 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 12/15,78 = 0,7605 A

الجهد على المكثّف

V_C = I·X_C = 0,7605·67,73 = 51,51 V

الإجابة

V_C = 51,51 V

9.محركات التيار المستمر

الإجابة: SR = 9,091 %

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·0,15) = 3056 rpm

n_FL = 60·(48 − 8·0,5)/(2π·0,15) = 2801 rpm

تنظيم السرعة

SR = (3056 − 2801)/2801·100 = 9,091 %

الإجابة

SR = 9,091 %

10.محركات التيار المستمر

الإجابة: n₂ = 1024 rpm

القوة الدافعة العكسية قبل التغير وبعده

E₁ = 220 − 40·0,25 = 210 V

E₂ = 220 − 20·0,25 = 215 V

السرعة الجديدة

n₂ = 1000·215/210 = 1024 rpm

الإجابة

n₂ = 1024 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems