Sistem Kuasa dan Mesin Elektrik: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 10 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharu Kembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Kuasa tiga fasa

Sambungan Y: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Sambungan Δ: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
Jumlah kuasa nyata: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
Kuasa ketara dan reaktif: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
Kapasitor pembetulan: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
Voltan merentasi setiap kapasitor: Δ: V_L Y: V_L/√3
Masukan motor: P_in = P_out/η

Pengubah

Nisbah belitan: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
Nisbah arus: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
Arus terlonggok: I = S/V
Impedans terrujuk: Z₁′ = a²·Z_L
Kehilangan kuprum pada beban separa: P_cu = x²·P_cu,fl
Kecekapan: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
Kecekapan maksimum: x = √(P_core/P_cu,fl)

Kuasa AU & faktor kuasa

Kuasa nyata: P = V·I·cos φ
Kuasa reaktif: Q = V·I·sin φ
Kuasa ketara: S = V·I = √(P² + Q²)
Faktor kuasa: pf = cos φ = P/S
Kapasitor pembetulan: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

Impedans AU & fasor

Impedans: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Frekuensi sudut: ω = 2πf
Magnitud dan sudut: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm fasor: V = I·Z

Kaedah

Tukar frekuensi: ω = 2πf.
Cari setiap reaktans: X_L = ωL dan X_C = 1/(ωC).
Tambah impedans seperti perintang, dengan Z = R + jX.
Cari magnitud |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), kemudian gunakan hukum Ohm dengan fasor.

Motor DC

Litar angker: V = E + I_aR_a
DEM balik dan tork: E = k·ω, T = k·I_a
Laju: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
Laju tanpa beban dan tork tersekat: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
Kuasa: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
Permulaan: I_start = V/(R_a + R_st)
Regulasi laju: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
Kuasa terbangun maksimum: P_max = V²/(4R_a)
Pemacu pencincang: V_a = D·V_dc

Kaedah

Lukis litar angker: bekalan V, rintangan R_a dan DEM balik E secara bersiri.
Gunakan V = E + I_a·R_a untuk menghubungkan voltan, arus dan DEM balik.
Gunakan E = k·ω untuk laju dan T = k·I_a untuk tork, dengan ω = 2π·n/60.
Untuk kuasa dan kecekapan, mulakan daripada V·I_a, tolak kehilangan kuprum I_a²·R_a dan kemudian kehilangan putaran.

2Soalan latihan

1.Kuasa tiga fasaSederhana

Satu beban tiga fasa seimbang mengambil arus talian 20 A daripada bekalan dengan voltan antara talian 400 V. Faktor kuasanya 0.9 ketinggalan. Cari jumlah kuasa nyata P yang diambil oleh beban dalam kW.

V_L = 400 VI_L = 20 Acos φ = 0.9

P = kW

2.Kuasa tiga fasaSukar

Satu beban tiga fasa seimbang mengambil 250 kW pada faktor kuasa 0.65 ketinggalan daripada bekalan 400 V (antara talian), 60 Hz. Satu bank kapasitor tiga fasa secara selari dengan beban mesti menaikkan faktor kuasa keseluruhan kepada 0.95 ketinggalan. Kuasa nyata kekal sama. Kapasitor disambung secara Y. Cari kapasitans C_ph setiap kapasitor dalam µF.

P = 250 kWpf₁ = 0.65pf₂ = 0.95V_L = 400 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.PengubahSederhana

Satu pengubah unggul dengan nisbah belitan N₁:N₂ = 4:1 mempunyai 960 V dikenakan pada lilitan primernya. Satu perintang 20 Ω disambung merentasi lilitan sekunder. Cari arus primer I₁.

N₁:N₂ = 4:1V₁ = 960 VR_L = 20 Ω

I₁ = A

4.PengubahSukar

Satu pengubah fasa tunggal 500 kVA mempunyai kehilangan teras 4000 W dan kehilangan kuprum 6000 W pada beban terkadar. Pada beban S_η,max berapakah, dalam kVA, kecekapannya paling tinggi?

S = 500 kVAP_core = 4000 WP_cu,fl = 6000 W

S_η,max = kVA

5.Kuasa AU & faktor kuasaSederhana

Beban induktif mengambil 19.5 A dan 3588 W daripada bekalan fasa tunggal 230 V (rms). Modelkan ia sebagai rintangan R secara siri dengan reaktans X. Cari R.

V = 230 VI = 19.5 AP = 3588 W

R = Ω

6.Kuasa AU & faktor kuasaSukar

Satu beban fasa tunggal mengambil 50 kW pada faktor kuasa 0.8 ketinggalan daripada bekalan 240 V, 60 Hz. Kapasitor yang disambung secara selari meningkatkan faktor kuasa kepada 0.9. Cari kuasa reaktif Q_C yang mesti dibekalkan oleh kapasitor.

P = 50 kWpf₁ = 0.8pf₂ = 0.9V = 240 Vf = 60 Hz

Q_C = kvar

7.Impedans AU & fasorSederhana

Satu perintang dan satu induktor disambung selari merentasi bekalan 100 V (rms), 100 Hz. Cari sudut fasa φ impedans, dalam darjah (positif apabila arus ketinggalan daripada voltan).

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 20 mH

φ = °

8.Impedans AU & fasorSukar

Litar RLC siri mempunyai R = 1 Ω, L = 2 mH dan C = 0.1 µF. Cari lebar jalurnya B (lebar jalur antara frekuensi separuh kuasa), dalam Hz.

R = 1 ΩL = 2 mHC = 0.1 µF

B = Hz

9.Motor DCSederhana

Motor DC (k = 0.75 N·m/A, R_a = 0.4 Ω) berjalan daripada 48 V dan memacu tork beban 6 N·m. Cari lajunya n dalam rpm.

V = 48 Vk = 0.75 N·m/AR_a = 0.4 ΩT = 6 N·m

n = rpm

10.Motor DCSukar

Motor DC (k = 1.2 V·s/rad, R_a = 1.5 Ω) pada bekalan tetap 120 V memacu beban 4.8 N·m. Cari rintangan bersiri R_s yang memperlahankannya kepada 500 rpm.

V = 120 Vk = 1.2 V·s/radR_a = 1.5 ΩT = 4.8 N·mn = 500 rpm

R_s = Ω

3Larutan

1.Kuasa tiga fasa

Jawapan: P = 12.47 kW

Kuasa ketara

S = √3·V_L·I_L = √3·400·20 = 13.86 kVA

Kuasa nyata

P = S·cos φ = 13.86·0.9 = 12.47 kW

Jawapan

P = 12.47 kW

2.Kuasa tiga fasa

Jawapan: C_ph = 3483 µF

Sistem tiga fasa seimbang: dalam sambungan Y (bintang) voltan antara talian ialah √3 kali voltan fasa, V_L = √3·V_ph, dan arus talian sama dengan arus fasa. Dalam sambungan Δ (delta) voltan antara talian sama dengan voltan fasa dan arus talian ialah √3 kali arus fasa, I_L = √3·I_ph. Jumlah kuasa ialah tiga kali kuasa satu fasa: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. Pembetulan faktor kuasa: kapasitor membekalkan kuasa reaktif secara setempat, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). Setiap satu daripada tiga kapasitor membekalkan Q_C/3 = V²·ω·C, dengan V ialah voltan merentasi kapasitor itu: V_L dalam bank Δ, V_L/√3 dalam bank Y.

Kuasa reaktif sebelum dan selepas

Kuasa nyata tidak berubah, jadi setiap faktor kuasa menentukan kuasa reaktif: Q = P·tan φ.

Q₁ = 250·tan(acos 0.65) = 250·1.169 = 292.3 kvar

Q₂ = 250·tan(acos 0.95) = 250·0.3287 = 82.17 kvar

Kuasa reaktif daripada kapasitor

Q_C = Q₁ − Q₂ = 210.1 kvar

Kapasitans setiap fasa

Dalam bank Y setiap kapasitor disambung antara talian dan titik bintang.

V = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 70037/(377·230.9²) = 3483 µF

Jawapan

C_ph = 3483 µF

3.Pengubah

Jawapan: I₁ = 3 A

Pengubah unggul: voltan berada dalam nisbah belitan dan arus dalam nisbah songsang: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a dan I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, jadi kuasa masuk sama dengan kuasa keluar, V₁·I₁ = V₂·I₂. Impedans beban Z pada sekunder kelihatan seperti a²·Z dari primer.

Voltan dan arus sekunder

V₂ = 960/4 = 240 V

I₂ = 240/20 = 12 A

Arus primer

Pengubah unggul tidak mempunyai kehilangan: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I₁ = I₂/4 = 3 A

Jawapan

I₁ = 3 A

Semak: beban yang dilihat dari primer ialah a²·R_L = 320 Ω, dan 960/320 memberikan arus yang sama.

4.Pengubah

Jawapan: S_η,max = 408.2 kVA

Kehilangan pengubah: kehilangan teras (histeresis dan arus pusar) bergantung pada voltan dan sama pada sebarang beban. Kehilangan kuprum dalam lilitan mengikut kuasa dua arus, jadi pada pecahan x beban terkadar ia ialah x²·P_cu,fl. Kecekapan η = P_out/(P_out + P_core + P_cu), dengan P_out = x·S·pf. Kecekapan paling tinggi pada beban di mana kehilangan kuprum sama dengan kehilangan teras.

Kehilangan kuprum sama dengan kehilangan teras

x²·6000 = 4000 → x = √(4000/6000) = 0.8165

Beban pada kecekapan maksimum

S_η,max = x·S = 0.8165·500 = 408.2 kVA

Jawapan

S_η,max = 408.2 kVA

5.Kuasa AU & faktor kuasa

Jawapan: R = 9.436 Ω

Kuasa AU: kuasa ketara S = V·I (VA) terpecah kepada kuasa nyata P = S·cos φ (W), yang melakukan kerja berguna, dan kuasa reaktif Q = S·sin φ (var), yang bergerak ulang-alik antara sumber dan beban. Faktor kuasa ialah cos φ. Kapasitor secara selari membekalkan kuasa reaktif secara setempat, jadi arus talian menurun untuk kuasa nyata yang sama.

Rintangan daripada kuasa nyata

R = P/I² = 3588/19.5² = 9.436 Ω

Jawapan

R = 9.436 Ω

6.Kuasa AU & faktor kuasa

Jawapan: Q_C = 13.28 kvar

Kuasa reaktif sebelum dan selepas

Kuasa nyata P tidak berubah; hanya kuasa reaktif yang diambil daripada bekalan berubah.

Q₁ = P·tan φ₁ = 50·tan(36.87°) = 37.5 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 50·tan(25.84°) = 24.22 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 13.28 kvar

Jawapan

Q_C = 13.28 kvar

7.Impedans AU & fasor

Jawapan: φ = 72.56 °

Litar AU dengan fasor: perintang, induktor dan kapasitor mempunyai impedans R, jωL dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam sambungan bersiri, impedans ditambah seperti rintangan, tetapi sebagai nombor kompleks. Arus dan voltan rms mengikut hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktans

X_L = ωL = 2π·100·0.02 = 12.57 Ω

Arus cabang

Kedua-dua cabang disambung terus merentasi bekalan, maka setiap satu melihat voltan penuh V.

I_R = V/R = 100/40 = 2.5 A

I_X = V/X_L = 100/12.57 = 7.958 A

Jumlah arus

Arus perintang sefasa dengan V dan arus reaktif berbeza fasa 90°, maka ia ditambah seperti sisi segi tiga bersudut tegak.

I = √(I_R² + I_X²) = √(2.5² + 7.958²) = 8.341 A

Sudut fasa

Arus induktor ketinggalan di belakang V, maka jumlah arus ketinggalan dan sudutnya positif.

φ = arctan(I_X/I_R) = arctan(7.958/2.5) = 72.56°

Jawapan

φ = 72.56°

8.Impedans AU & fasor

Jawapan: B = 79.58 Hz

Frekuensi salunan

f₀ = 1/(2π·√(0.002·0.1·10⁻⁶)) = 11254 Hz

Faktor kualiti

Q membandingkan reaktans pada resonans dengan rintangan: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/1)·√(0.002/(0.1·10⁻⁶)) = 141.4

Lebar jalur

B = f₀/Q = 11254/141.4 = 79.58 Hz

Jawapan

B = 79.58 Hz

9.Motor DC

Jawapan: n = 570.4 rpm

Motor DC: angker ialah rintangan R_a bersiri dengan DEM balik E, jadi V = E + I_a·R_a. DEM balik bertambah dengan laju, E = k·ω, dan tork dengan arus, T = k·I_a, dengan pemalar motor k yang sama (V·s/rad = N·m/A) dalam unit SI. Tukarkan laju dengan ω = 2π·n/60. Kuasa terbangun ialah E·I_a = T·ω; kuasa input ialah V·I_a, dan kehilangan kuprum I_a²R_a serta kehilangan putaran menjadi bezanya. Laju menurun secara garis lurus dengan tork, ω = V/k − R_a·T/k², daripada laju tanpa beban V/k kepada sifar pada tork tersekat k·V/R_a. Pada keadaan pegun E = 0, jadi arus permulaan V/R_a adalah besar kecuali perintang mengehadkannya.

Arus angker

I_a = T/k = 6/0.75 = 8 A

DEM balik dan laju

E = 48 − 8·0.4 = 44.8 V

ω = E/k = 59.73 rad/s → n = 570.4 rpm

Jawapan

n = 570.4 rpm

10.Motor DC

Jawapan: R_s = 12.79 Ω

Arus dan DEM balik

I_a = 4.8/1.2 = 4 A

E = 1.2·52.36 = 62.83 V

Rintangan bersiri

R_a + R_s = (120 − 62.83)/4 = 14.29 Ω

R_s = 12.79 Ω

Jawapan

R_s = 12.79 Ω

Perintang itu membazirkan 204.7 W; pencincang mengawal laju dengan kehilangan yang jauh lebih sedikit.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems