Elektros energetikos sistemos ir elektros mašinos: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 10 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniaiAtgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Trifazė galia

Žvaigždės (Y) jungimas
VL = √3·Vph, IL = Iph
Trikampio (Δ) jungimas
VL = Vph, IL = √3·Iph
Bendra aktyvioji galia
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Pilnutinė ir reaktyvioji galia
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kompensavimo kondensatoriai
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Įtampa ant kiekvieno kondensatoriaus
Δ: VL Y: VL/√3
Variklio naudojama galia
Pin = Pout/η

Transformatoriai

Transformacijos koeficientas
a = N1/N2 = V1/V2
Srovių santykis
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Vardinė srovė
I = S/V
Perskaičiuota varža
Z1′ = a²·ZL
Vario nuostoliai esant daliniam apkrovimui
Pcu = x²·Pcu,fl
Naudingumo koeficientas
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Didžiausias naudingumo koeficientas
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Aktyvioji galia
P = V·I·cos φ
Reaktyvioji galia
Q = V·I·sin φ
Pilnutinė galia
S = V·I = √(P² + Q²)
Galios koeficientas
pf = cos φ = P/S
Kompensacinis kondensatorius
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Pilnutinės varžos
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Kampinis dažnis
ω = 2πf
Modulis ir kampas
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Omo dėsnis fazoriams
V = I·Z

Metodas

  1. Perskaičiuokite dažnį: ω = 2πf.
  2. Raskite kiekvieną reaktansą: XL = ωL ir XC = 1/(ωC).
  3. Impedansus sudėkite kaip rezistorius, kai Z = R + jX.
  4. Raskite modulį |Z| = √(R² + X²) ir kampą φ = atan(X/R), tada taikykite Omo dėsnį fazoriams.

Nuolatinės srovės varikliai

Inkaro grandinė
V = E + IaRa
Priešelektrovara ir momentas
E = k·ω, T = k·Ia
Greitis
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Tuščiosios eigos greitis ir stabdymo momentas
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Galios
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Paleidimas
Istart = V/(Ra + Rst)
Greičio reguliavimas
SR = (n0 − nFL)/nFL
Didžiausia išvystoma galia
Pmax = V²/(4Ra)
Pertraukiklio pavara
Va = D·Vdc

Metodas

  1. Nubraižykite inkaro grandinę: maitinimas V, varža Ra ir priešelektrovara E nuosekliai.
  2. Įtampai, srovei ir priešelektrovarai susieti naudokite V = E + Ia·Ra.
  3. Greičiui naudokite E = k·ω, o momentui T = k·Ia, kai ω = 2π·n/60.
  4. Galiai ir naudingumui pradėkite nuo V·Ia, atimkite vario nuostolius Ia²·Ra, o tada sukimosi nuostolius.

2Uždaviniai

1.Trifazė galiaVidutinis
ABCVL​ = 480 VIL​ = ?M22 kW, η = 93%cos φ = 0,9

Trifazis asinchroninis variklis esant vardinei apkrovai tiekia 22 kW mechaninės galios. Esant šiai apkrovai jo naudingumo koeficientas 93%, o galios koeficientas 0,9 (induktyvus). Tinklo linijinė įtampa 480 V. Raskite linijinę srovę IL.

Pout = 22 kWη = 93%cos φ = 0,9VL = 480 V
IL = A
2.Trifazė galiaSunkus
P = 120 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Simetrinė trifazė apkrova iš 480 V (linijinė įtampa), 60 Hz tinklo ima 120 kW, kai galios koeficientas 0,65 (induktyvus). Lygiagrečiai apkrovai prijungta trifazė kondensatorių baterija turi padidinti bendrą galios koeficientą iki 0,9 (induktyvus). Aktyvioji galia nekinta. Raskite bendrą reaktyviąją galią QC, kurią turi tiekti kondensatorių baterija, kvar.

P = 120 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,9VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformatoriaiVidutinis
5 ΩN1​N2​45 Ω

Stiprintuvas, kurio išėjimo varža 45 Ω, per idealų transformatorių maitina 5 Ω garsiakalbį. Kad būtų perduodama didžiausia galia, iš stiprintuvo pusės garsiakalbis turi atrodyti kaip 45 Ω. Raskite transformacijos koeficientą a = N₁/N₂.

Rs = 45 ΩRL = 5 Ω
a =
4.TransformatoriaiSunkus
pf 0,875 kVA, η = 97,5%

Vienfazio 75 kVA transformatoriaus šerdies nuostoliai yra 450 W. Esant vardinei apkrovai ir galios koeficientui 0,8 (induktyvus), jo naudingumo koeficientas 97,5%. Raskite vario nuostolius Pcu,fl vatais esant vardinei apkrovai.

S = 75 kVAPcore = 450 Wpf = 0,8η = 97,5%
Pcu,fl = W
5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasVidutinis
P = 6 kWQ = ?Sφ

Vienfazis variklis iš 230 V tinklo ima 6 kW, kai galios koeficientas 0,7 (induktyvus). Raskite jo naudojamą reaktyviąją galią Q.

P = 6 kWpf = 0,7V = 230 V
Q = kvar
6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientasSunkus
100 V50 HzRs​ = 25 ΩXs​ = j40 ΩZL​ = ?

100 V (efektinė), 50 Hz šaltinio vidinė pilnutinė varža Zs = 25 + j40 Ω. Apkrovos pilnutinę varžą ZL galima pasirinkti laisvai. Raskite didžiausią aktyviąją galią Pmax, kurią galima perduoti apkrovai.

Vs = 100 V (rms)f = 50 HzZs = 25 + j40 Ω
Pmax = W
7.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriaiVidutinis
10 V100 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 4,7 µFI

Nuosekli RLC grandinė prijungta prie 10 V (efektinė), 100 Hz maitinimo. Raskite efektinę srovę I.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
I = A
8.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriaiSunkus
24 V1000 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF

Nuosekli RLC grandinė prijungta prie 24 V (efektinė), 1000 Hz maitinimo. Raskite grandinės rezonansinį dažnį f0.

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz
9.Nuolatinės srovės varikliaiVidutinis
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Nuolatinės srovės variklis, kurio k = 0,6 N·m/A, o Ra = 1,2 Ω, prijungtas prie 220 V. Raskite jo stabdymo momentą Tstall, momentą esant nuliniam greičiui.

V = 220 Vk = 0,6 N·m/ARa = 1,2 Ω
Tstall = N·m
10.Nuolatinės srovės varikliaiSunkus
+−240 VRst​ = ?Ra​ = 1,5 Ω10 AM+−E = 0n = 0T

240 V nuolatinės srovės variklio inkaro varža yra 1,5 Ω. Raskite nuosekliąją paleidimo varžą Rst, kuri paleidimo srovę riboja iki 10 A.

V = 240 VRa = 1,5 ΩImax = 10 A
Rst = Ω

3Tirpalai

1.Trifazė galia

Atsakymas: IL = 31,62 A

Simetrinės trifazės sistemos: jungiant žvaigžde (Y) linijinė įtampa √3 karto didesnė už fazinę, VL = √3·Vph, o linijinė srovė lygi fazinei. Jungiant trikampiu (Δ) linijinė įtampa lygi fazinei, o linijinė srovė √3 karto didesnė už fazinę, IL = √3·Iph. Bendra galia tris kartus didesnė už vienos fazės galią: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Naudojama elektrinė galia

Pin = Pout/η = 22/0,93 = 23,66 kW

Linijos srovė

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 23656/(√3·480·0,9) = 31,62 A

Atsakymas

IL = 31,62 A
2.Trifazė galia

Atsakymas: QC = 82,18 kvar

Simetrinės trifazės sistemos: jungiant žvaigžde (Y) linijinė įtampa √3 karto didesnė už fazinę, VL = √3·Vph, o linijinė srovė lygi fazinei. Jungiant trikampiu (Δ) linijinė įtampa lygi fazinei, o linijinė srovė √3 karto didesnė už fazinę, IL = √3·Iph. Bendra galia tris kartus didesnė už vienos fazės galią: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Galios koeficiento gerinimas: kondensatoriai reaktyviąją galią tiekia vietoje, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Kiekvienas iš trijų kondensatorių tiekia QC/3 = V²·ω·C, kur V – įtampa ant to kondensatoriaus: trikampiu sujungtoje baterijoje VL, žvaigžde sujungtoje – VL/√3.

Reaktyvioji galia prieš ir po

Aktyvioji galia nekinta, todėl kiekvienas galios koeficientas nulemia reaktyviąją galią: Q = P·tan φ.

Q1 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar
Q2 = 120·tan(acos 0,9) = 120·0,4843 = 58,12 kvar

Kondensatorių tiekiama reaktyvioji galia

QC = Q1 − Q2 = 82,18 kvar

Atsakymas

QC = 82,18 kvar
3.Transformatoriai

Atsakymas: a = 3

Idealus transformatorius: įtampų santykis lygus vijų skaičių santykiui, o srovių – atvirkštiniam santykiui: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a ir I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, todėl įėjimo galia lygi išėjimo galiai, V₁·I₁ = V₂·I₂. Antrinėje pusėje esantis apkrovos impedansas Z iš pirminės pusės atrodo kaip a²·Z.

Suderinkite perskaičiuotą apkrovą

a²·5 = 45
a = √(45/5) = √9 = 3

Atsakymas

a = 3
4.Transformatoriai

Atsakymas: Pcu,fl = 1088 W

Transformatoriaus nuostoliai: šerdies nuostoliai (histerezės ir sūkurinių srovių) priklauso nuo įtampos ir esant bet kokiai apkrovai yra vienodi. Vario nuostoliai apvijose proporcingi srovės kvadratui, todėl esant apkrovos daliai x nuo vardinės jie lygūs x²·Pcu,fl. Naudingumo koeficientas η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), kur Pout = x·S·pf. Naudingumo koeficientas didžiausias esant tokiai apkrovai, kai vario nuostoliai lygūs šerdies nuostoliams.

Išėjimo ir įėjimo galia

Pout = 75·0,8 = 60 kW
Pin = 60000/0,975 = 61538 W

Bendri ir vario nuostoliai

Ploss = 61538 − 60000 = 1538 W
Pcu,fl = 1538 − 450 = 1088 W

Atsakymas

Pcu,fl = 1088 W
5.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: Q = 6,121 kvar

Kintamosios srovės galia: pilnutinė galia S = V·I (VA) skyla į aktyviąją galią P = S·cos φ (W), atliekančią naudingą darbą, ir reaktyviąją galią Q = S·sin φ (var), kuri svyruoja tarp šaltinio ir apkrovos. Galios koeficientas yra cos φ. Lygiagretus kondensatorius reaktyviąją galią tiekia vietoje, todėl esant tai pačiai aktyviajai galiai linijos srovė sumažėja.

Kampas

φ = arccos(0,7) = 45,57°, tan φ = 1,02

Reaktyvioji galia

Q = P·tan φ = 6·1,02 = 6,121 kvar

Atsakymas

Q = 6,121 kvar
6.Kintamosios srovės galia ir galios koeficientas

Atsakymas: Pmax = 100 W

Kintamosios srovės galia: pilnutinė galia S = V·I (VA) skyla į aktyviąją galią P = S·cos φ (W), atliekančią naudingą darbą, ir reaktyviąją galią Q = S·sin φ (var), kuri svyruoja tarp šaltinio ir apkrovos. Galios koeficientas yra cos φ. Lygiagretus kondensatorius reaktyviąją galią tiekia vietoje, todėl esant tai pačiai aktyviajai galiai linijos srovė sumažėja.

Jungtinis suderinimas

Apkrovos reaktyvioji varža panaikina šaltinio reaktyviąją varžą, o apkrovos varža lygi šaltinio varžai.

ZL = Zs* = 25 − j40 Ω

Didžiausia galia

I = Vs/(2Rs) = 100/50 = 2 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 100²/(4·25) = 100 W

Atsakymas

Pmax = 100 W
7.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Atsakymas: I = 0,03244 A

Kintamosios srovės grandinės ir fazoriai: rezistorių, ričių ir kondensatorių pilnutinės varžos yra R, jωL ir 1/(jωC), kur ω = 2πf. Nuosekliai pilnutinės varžos sumuojamos kaip varžos, tik kompleksiniais skaičiais. Efektinės srovė ir įtampa tenkina Omo dėsnį su |Z|.

Reaktyviosios varžos

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Pilnutinė varža

Nuosekliai pilnutinės varžos sudedamos kaip kompleksiniai skaičiai: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−307,2)²) = 308,2 Ω

Srovė

Visais nuoseklios grandinės elementais teka ta pati srovė.

I = V/|Z| = 10/308,2 = 0,03244 A

Atsakymas

I = 0,03244 A
8.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Atsakymas: f0 = 479,9 Hz

Kintamosios srovės grandinės ir fazoriai: rezistorių, ričių ir kondensatorių pilnutinės varžos yra R, jωL ir 1/(jωC), kur ω = 2πf. Nuosekliai pilnutinės varžos sumuojamos kaip varžos, tik kompleksiniais skaičiais. Efektinės srovė ir įtampa tenkina Omo dėsnį su |Z|.

Rezonansas

Rezonanso metu induktyvioji ir talpinė reaktyviosios varžos susiprastina: ωL = 1/(ωC). Maitinimo dažnis nesvarbus.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,05·2,2·10⁻⁶)) = 479,9 Hz

Atsakymas

f0 = 479,9 Hz
9.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: Tstall = 110 N·m

Nuolatinės srovės variklis: inkaras yra varža Ra, nuosekliai sujungta su priešelektrovara E, taigi V = E + Ia·Ra. Priešelektrovara didėja didėjant greičiui, E = k·ω, o sukimo momentas – didėjant srovei, T = k·Ia, su ta pačia variklio konstanta k (V·s/rad = N·m/A) SI vienetais. Greitį perskaičiuokite pagal ω = 2π·n/60. Išvystoma galia yra E·Ia = T·ω; įėjimo galia yra V·Ia, o skirtumą sudaro vario nuostoliai Ia²Ra ir sukimosi nuostoliai. Greitis mažėja tiese didėjant momentui, ω = V/k − Ra·T/k², nuo tuščiosios eigos greičio V/k iki nulio ties stabdymo momentu k·V/Ra. Stovint E = 0, todėl paleidimo srovė V/Ra yra didelė, nebent ją riboja rezistorius.

Stabdymo srovė

Ia = V/Ra = 220/1,2 = 183,3 A

Stabdymo momentas

Tstall = 0,6·183,3 = 110 N·m

Atsakymas

Tstall = 110 N·m
10.Nuolatinės srovės varikliai

Atsakymas: Rst = 22,5 Ω

Nuolatinės srovės variklis: inkaras yra varža Ra, nuosekliai sujungta su priešelektrovara E, taigi V = E + Ia·Ra. Priešelektrovara didėja didėjant greičiui, E = k·ω, o sukimo momentas – didėjant srovei, T = k·Ia, su ta pačia variklio konstanta k (V·s/rad = N·m/A) SI vienetais. Greitį perskaičiuokite pagal ω = 2π·n/60. Išvystoma galia yra E·Ia = T·ω; įėjimo galia yra V·Ia, o skirtumą sudaro vario nuostoliai Ia²Ra ir sukimosi nuostoliai. Greitis mažėja tiese didėjant momentui, ω = V/k − Ra·T/k², nuo tuščiosios eigos greičio V/k iki nulio ties stabdymo momentu k·V/Ra. Stovint E = 0, todėl paleidimo srovė V/Ra yra didelė, nebent ją riboja rezistorius.

Visa varža

Ra + Rst = 240/10 = 24 Ω

Paleidimo rezistorius

Rst = 24 − 1,5 = 22,5 Ω

Atsakymas

Rst = 22,5 Ω

Rezistorius pašalinamas pakopomis, kai variklis įsibėgėja ir priešelektrovara auga.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems