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 690 V. معامل القدرة 0,88 متأخر. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يسحبها الحمل بالـ kW.

V_L = 690 VI_L = 75 Acos φ = 0,88

P = kW

2.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 250 kW عند معامل قدرة 0,78 متأخر من مصدر 480 V (جهد خط) و 60 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 نجمة (Y). أوجد السعة C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 250 kWpf₁ = 0,78pf₂ = 0,9V_L = 480 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.المحوّلاتمتوسطة

مكبّر مقاومة خرجه 675 Ω يغذّي مكبّر صوت 75 Ω عبر محوّل مثالي. لأقصى نقل للقدرة يجب أن يبدو مكبّر الصوت 675 Ω من جهة المكبّر. أوجد نسبة اللفّات a = N₁/N₂.

R_s = 675 ΩR_L = 75 Ω

a =

4.المحوّلاتصعبة

محوّل أحادي الطور 250 kVA مفقودات قلبه 1250 W ومفقودات نحاسه 2500 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 25% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,9 متأخر. أوجد المفقودات الكلية P_loss بالواط عند هذا الحمل.

S = 250 kVAP_core = 1250 WP_cu,fl = 2500 Wx = 0,25pf = 0,9

P_loss = W

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

يأخذ حِمل حثي 10,5 A و 756 W من مصدر أحادي الطور 120 V (فعّال). مثّله بمقاومة R على التوالي مع مفاعلة X. أوجد R.

V = 120 VI = 10,5 AP = 756 W

R = Ω

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

محوّل أحادي الطور قدرته 150 kVA يغذّي حِملًا 67 kW بمعامل قدرة 0,6 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 = 67 kWpf₁ = 0,6

ΔP = kW

7.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

مقاومة ومكثّف موصولان على التوازي على مصدر 230 V (فعّال)، 500 Hz. أوجد مقدار المعاوقة |Z|.

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 15 ΩC = 10 µF

|Z| = Ω

8.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 100 V (فعّال)، 200 Hz. أوجد الجهد الفعّال V_C على المكثّف.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 100 µF

V_C = V

9.محركات التيار المستمرمتوسطة

يتصل محرك تيار مستمر فيه k = 0,75 N·m/A وR_a = 0,4 Ω بمصدر 110 V. أوجد عزم توقفه T_stall، أي العزم عند سرعة صفر.

V = 110 Vk = 0,75 N·m/AR_a = 0,4 Ω

T_stall = N·m

10.محركات التيار المستمرصعبة

يعمل محرك تيار مستمر مستقل الإثارة على 120 V (R_a = 0,8 Ω) بسرعة 1800 rpm وتيار عضو إنتاج 10 A. يتغير الحمل فيصبح التيار 5 A، مع بقاء المجال دون تغيير. أوجد السرعة الجديدة n₂.

V = 120 VR_a = 0,8 Ωn₁ = 1800 rpmI_a1 = 10 AI_a2 = 5 A

n₂ = rpm

3المحاليل

1.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 78,88 kW

القدرة الظاهرية

S = √3·V_L·I_L = √3·690·75 = 89,63 kVA

القدرة الفعلية

P = S·cos φ = 89,63·0,88 = 78,88 kW

الإجابة

P = 78,88 kW

2.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 915,2 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 = 250·tan(acos 0,78) = 250·0,8023 = 200,6 kvar

Q₂ = 250·tan(acos 0,9) = 250·0,4843 = 121,1 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 79,49 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 26497/(377·277,1²) = 915,2 µF

الإجابة

C_ph = 915,2 µF

3.المحوّلات

الإجابة: a = 3

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

a²·75 = 675

a = √(675/75) = √9 = 3

الإجابة

a = 3

4.المحوّلات

الإجابة: P_loss = 1406 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 = 0,0625·2500 = 156,3 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

P_loss = 1250 + 156,3 = 1406 W

الإجابة

P_loss = 1406 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 97,56%.

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: R = 6,857 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 = 756/10,5² = 6,857 Ω

الإجابة

R = 6,857 Ω

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: ΔP = 53,5 kW

القدرة غير الفعّالة للحِمل الموجود

Q₁ = 67·tan(arccos 0,6) = 89,33 kvar

أكبر قدرة فعلية كلية

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

P = √(S_max² − Q₁²) = √(150² − 89,33²) = 120,5 kW

القدرة الفعلية الإضافية

ΔP = 120,5 − 67 = 53,5 kW

الإجابة

ΔP = 53,5 kW

7.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: |Z| = 13,57 Ω

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_C = 1/(ωC) = 1/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

تيارات الفروع

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

I_R = V/R = 230/15 = 15,33 A

I_X = V/X_C = 230/31,83 = 7,226 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) = √(15,33² + 7,226²) = 16,95 A

المعاوقة

|Z| = V/I = 230/16,95 = 13,57 Ω

الإجابة

|Z| = 13,57 Ω

8.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: V_C = 23,02 V

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0,02 = 25,13 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7,958 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(30² + (17,17)²) = 34,57 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 100/34,57 = 2,893 A

الجهد على المكثّف

V_C = I·X_C = 2,893·7,958 = 23,02 V

الإجابة

V_C = 23,02 V

9.محركات التيار المستمر

الإجابة: T_stall = 206,3 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 = 110/0,4 = 275 A

عزم التوقف

T_stall = 0,75·275 = 206,3 N·m

الإجابة

T_stall = 206,3 N·m

10.محركات التيار المستمر

الإجابة: n₂ = 1864 rpm

القوة الدافعة العكسية قبل التغير وبعده

E₁ = 120 − 10·0,8 = 112 V

E₂ = 120 − 5·0,8 = 116 V

السرعة الجديدة

n₂ = 1800·116/112 = 1864 rpm

الإجابة

n₂ = 1864 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems