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 15 + j20 Ω لكل طور موصول بمصدر ثلاثي الطور متوازن جهد خطه 208 V. أوجد القدرة الفعّالة الكلية P التي يمتصّها الحمل بالـ kW.

V_L = 208 VZ = 15 + j20 Ω لكل طور

P = kW

2.القدرة ثلاثية الطورصعبة

حمل ثلاثي الطور متوازن يأخذ 150 kW عند معامل قدرة 0,75 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 0,95 متأخر. تبقى القدرة الفعّالة كما هي. المكثّفات موصولة نجمة (Y). أوجد السعة C_ph لكل مكثّف بالـ µF.

P = 150 kWpf₁ = 0,75pf₂ = 0,95V_L = 690 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.المحوّلاتمتوسطة

محوّل مثالي نسبة لفّاته N₁:N₂ = 4:1، طُبّق على ملفه الابتدائي جهد 960 V. وُصلت مقاومة 5 Ω على طرفي الملف الثانوي. أوجد التيار الابتدائي I₁.

N₁:N₂ = 4:1V₁ = 960 VR_L = 5 Ω

I₁ = A

4.المحوّلاتصعبة

محوّل أحادي الطور 200 kVA مفقودات قلبه 1200 W ومفقودات نحاسه 2400 W عند الحمل المقنَّن. يغذّي 25% من قدرته المقنَّنة بالـ kVA عند معامل قدرة 0,95 متأخر. أوجد المفقودات الكلية P_loss بالواط عند هذا الحمل.

S = 200 kVAP_core = 1200 WP_cu,fl = 2400 Wx = 0,25pf = 0,95

P_loss = W

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةمتوسطة

حِملان موصولان على التوازي بمصدر أحادي الطور 240 V: حِمل 14 kW بمعامل قدرة 0,85 متأخّر وحِمل 30 kW بمعامل قدرة 0,9 متأخّر. أوجد معامل القدرة الكلي cos φ الذي يراه المصدر.

V = 240 VP₁ = 14 kW, pf₁ = 0,85 متأخرP₂ = 30 kW, pf₂ = 0,9 متأخر

cos φ =

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرةصعبة

مصدر 230 V (فعّال)، 1000 Hz له معاوقة داخلية Z_s = 8 + j15 Ω. يمكن اختيار معاوقة الحِمل Z_L بحرية. أوجد أقصى قدرة فعلية P_max يمكن نقلها إلى الحِمل.

V_s = 230 V (rms)f = 1000 HzZ_s = 8 + j15 Ω

P_max = W

7.معاوقة التيار المتردد والطورياتمتوسطة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 230 V (فعّال)، 200 Hz. أوجد زاوية الطور φ للمعاوقة بالدرجات (موجبة عندما يتأخّر التيار عن الجهد).

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF

φ = °

8.معاوقة التيار المتردد والطورياتصعبة

دائرة RLC على التوالي موصولة بمصدر 50 V (فعّال)، 50 Hz. أوجد الجهد الفعّال V_C على المكثّف.

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 47 µF

V_C = V

9.محركات التيار المستمرمتوسطة

يعمل محرك تيار مستمر (k = 1 N·m/A، R_a = 0,4 Ω) على 120 V ويدير حملًا بعزم 10 N·m. أوجد سرعته n بوحدة rpm.

V = 120 Vk = 1 N·m/AR_a = 0,4 ΩT = 10 N·m

n = rpm

10.محركات التيار المستمرصعبة

محرك تيار مستمر صغير مقاومة عضو إنتاجه 1 Ω ويعمل على 24 V. بإهمال الفواقد الدورانية، أوجد أكبر قدرة ميكانيكية P_max يمكنه توليدها عند أي سرعة.

V = 24 VR_a = 1 Ω

P_max = W

3المحاليل

1.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: P = 1,038 kW

جهد الطور

V_ph = 208/√3 = 120,1 V

تيار الطور

|Z| = √(15² + 20²) = 25 Ω

I_ph = 120,1/25 = 4,804 A

القدرة الفعّالة الكلية

الجزء المقاومي فقط من كل ممانعة يمتصّ القدرة الفعّالة.

P = 3·I_ph²·R = 3·4,804²·15 = 1,038 kW

الإجابة

P = 1,038 kW

تحقّق: cos φ = R/|Z| = 0,6، و √3·V_L·I_L·cos φ يعطي القدرة نفسها.

2.القدرة ثلاثية الطور

الإجابة: C_ph = 554,8 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 = 150·tan(acos 0,75) = 150·0,8819 = 132,3 kvar

Q₂ = 150·tan(acos 0,95) = 150·0,3287 = 49,3 kvar

القدرة غير الفعّالة من المكثّفات

Q_C = Q₁ − Q₂ = 82,98 kvar

السعة لكل طور

في مجموعة Y يوصل كل مكثّف بين خط ونقطة النجمة.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 27662/(314,2·398,4²) = 554,8 µF

الإجابة

C_ph = 554,8 µF

3.المحوّلات

الإجابة: I₁ = 12 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 = 960/4 = 240 V

I₂ = 240/5 = 48 A

التيار الابتدائي

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

I₁ = I₂/4 = 12 A

الإجابة

I₁ = 12 A

تحقّق: الحمل المرئي من الملف الابتدائي هو a²·R_L = 80 Ω، و 960/80 يعطي التيار نفسه.

4.المحوّلات

الإجابة: P_loss = 1350 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 = 0,0625·2400 = 150 W

المفقودات الكلية

مفقودات القلب هي نفسها عند أي حمل.

P_loss = 1200 + 150 = 1350 W

الإجابة

P_loss = 1350 W

الكفاءة عند هذا الحمل η = 97,24%.

5.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: cos φ = 0,8845

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 = 14·tan(arccos 0,85) = 8,676 kvar

Q₂ = 30·tan(arccos 0,9) = 14,53 kvar

المجاميع

P = 14 + 30 = 44 kW

Q = 8,676 + 14,53 = 23,21 kvar

S = √(44² + 23,21²) = 49,74 kVA

معامل القدرة الكلي

cos φ = P/S = 44/49,74 = 0,8845 متأخر

الإجابة

cos φ = 0,8845

6.قدرة التيار المتردد ومعامل القدرة

الإجابة: P_max = 1653 W

المواءمة المرافقة

مفاعلة الحِمل تلغي مفاعلة المصدر، ومقاومة الحِمل تساوي مقاومة المصدر.

Z_L = Z_s* = 8 − j15 Ω

أقصى قدرة

I = V_s/(2R_s) = 230/16 = 14,38 A

P_max = I²·R_L = V_s²/(4R_s) = 230²/(4·8) = 1653 W

الإجابة

P_max = 1653 W

7.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: φ = −79,36 °

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

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(20² + (−106,5)²) = 108,3 Ω

زاوية الطور

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−106,5/20) = −79,36°

الإجابة

φ = −79,36°

8.معاوقة التيار المتردد والطوريات

الإجابة: V_C = 56,39 V

المفاعلات

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s

X_L = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

المعاوقة

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(30² + (−52,02)²) = 60,05 Ω

التيار

يمرّ التيار نفسه في كل عنصر من عناصر دائرة التوالي.

I = V/|Z| = 50/60,05 = 0,8327 A

الجهد على المكثّف

V_C = I·X_C = 0,8327·67,73 = 56,39 V

الإجابة

V_C = 56,39 V

9.محركات التيار المستمر

الإجابة: n = 1108 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.

تيار عضو الإنتاج

I_a = T/k = 10/1 = 10 A

القوة الدافعة العكسية والسرعة

E = 120 − 10·0,4 = 116 V

ω = E/k = 116 rad/s → n = 1108 rpm

الإجابة

n = 1108 rpm

10.محركات التيار المستمر

الإجابة: P_max = 144 W

القدرة كدالة في القوة الدافعة العكسية

P(E) = E·(V − E)/R_a

dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V

أقصى قدرة

P_max = (V/2)²/R_a = V²/(4R_a) = 24²/(4·1) = 144 W

الإجابة

P_max = 144 W

عند هذه النقطة تكون الكفاءة 50 % فقط، لذا تعمل المحركات الحقيقية فوق نصف السرعة بكثير.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems