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 50 A daripada bekalan dengan voltan antara talian 480 V. Faktor kuasanya 0.82 ketinggalan. Cari jumlah kuasa nyata P yang diambil oleh beban dalam kW.

V_L = 480 VI_L = 50 Acos φ = 0.82

P = kW

2.Kuasa tiga fasaSukar

Satu beban tiga fasa seimbang mengambil 100 kW pada faktor kuasa 0.8 ketinggalan daripada bekalan 480 V (antara talian), 50 Hz. Satu bank kapasitor tiga fasa secara selari dengan beban mesti menaikkan faktor kuasa keseluruhan kepada 0.98 ketinggalan. Kuasa nyata kekal sama. Kapasitor disambung secara Y. Cari kapasitans C_ph setiap kapasitor dalam µF.

P = 100 kWpf₁ = 0.8pf₂ = 0.98V_L = 480 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.PengubahSederhana

Satu pengubah fasa tunggal 150 kVA, 11000/400 V beroperasi pada beban terkadarnya. Anggap ia unggul. Cari arus I_LV dalam lilitan voltan rendah.

S = 150 kVAV₁ = 11000 VV₂ = 400 V

I_LV = A

4.PengubahSukar

Satu pengubah fasa tunggal 200 kVA mempunyai kehilangan teras 800 W dan kehilangan kuprum 1200 W pada beban terkadar. Ia membekalkan 75% daripada kVA terkadarnya pada faktor kuasa 0.8 ketinggalan. Cari jumlah kehilangan P_loss dalam watt pada beban ini.

S = 200 kVAP_core = 800 WP_cu,fl = 1200 Wx = 0.75pf = 0.8

P_loss = W

5.Kuasa AU & faktor kuasaSederhana

Dua beban disambung selari pada bekalan fasa tunggal 230 V: beban 26 kW pada faktor kuasa 0.65 ketinggalan dan pemanas 25 kW (faktor kuasa satu). Cari jumlah arus I yang ditarik daripada bekalan.

V = 230 VP₁ = 26 kW, pf₁ = 0.65 ketinggalanP₂ = 25 kW, pf₂ = 1

I = A

6.Kuasa AU & faktor kuasaSukar

Satu beban fasa tunggal mengambil 14 kW pada faktor kuasa 0.65 ketinggalan daripada bekalan 240 V, 50 Hz. Kapasitor 100 µF disambung selari dengan beban itu. Cari arus talian baharu I.

P = 14 kWpf₁ = 0.65V = 240 Vf = 50 HzC = 100 µF

I = A

7.Impedans AU & fasorSederhana

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 50 V (rms), 500 Hz. Cari sudut fasa φ impedans, dalam darjah (positif apabila arus ketinggalan daripada voltan).

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 4.7 µF

φ = °

8.Impedans AU & fasorSukar

Litar RLC siri digerakkan oleh sumber 2 V (rms) yang frekuensinya ditetapkan pada frekuensi resonans litar. Cari voltan rms V_L merentasi induktor.

V = 2 V (rms)R = 5 ΩL = 5 mHC = 0.47 µF

V_L = V

9.Motor DCSederhana

Motor DC (k = 1.5 N·m/A, R_a = 1.5 Ω) berjalan daripada 120 V dan memacu tork beban 6 N·m. Cari lajunya n dalam rpm.

V = 120 Vk = 1.5 N·m/AR_a = 1.5 ΩT = 6 N·m

n = rpm

10.Motor DCSukar

Motor DC teruja berasingan (k = 0.8 V·s/rad pada medan penuh, R_a = 0.5 Ω, V = 220 V) memacu tork beban malar 16 N·m. Fluks medan dikurangkan kepada 85 % daripada nilai penuhnya. Cari laju baharu n.

V = 220 Vk = 0.8 V·s/radR_a = 0.5 ΩT = 16 N·mΦ = 85 %

n = rpm

3Larutan

1.Kuasa tiga fasa

Jawapan: P = 34.09 kW

Kuasa ketara

S = √3·V_L·I_L = √3·480·50 = 41.57 kVA

Kuasa nyata

P = S·cos φ = 41.57·0.82 = 34.09 kW

Jawapan

P = 34.09 kW

2.Kuasa tiga fasa

Jawapan: C_ph = 755.6 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 = 100·tan(acos 0.8) = 100·0.75 = 75 kvar

Q₂ = 100·tan(acos 0.98) = 100·0.2031 = 20.31 kvar

Kuasa reaktif daripada kapasitor

Q_C = Q₁ − Q₂ = 54.69 kvar

Kapasitans setiap fasa

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

V = 480/√3 = 277.1 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 18231/(314.2·277.1²) = 755.6 µF

Jawapan

C_ph = 755.6 µF

3.Pengubah

Jawapan: I_LV = 375 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.

Arus terlonggok

Kedua-dua lilitan membawa kuasa ketara yang sama.

I_LV = S/V = 150000/400 = 375 A

Jawapan

I_LV = 375 A

4.Pengubah

Jawapan: P_loss = 1475 W

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 pada beban ini

P_cu = x²·P_cu,fl = 0.5625·1200 = 675 W

Jumlah kehilangan

Kehilangan teras adalah sama pada sebarang beban.

P_loss = 800 + 675 = 1475 W

Jawapan

P_loss = 1475 W

Kecekapan pada beban ini ialah η = 98.79%.

5.Kuasa AU & faktor kuasa

Jawapan: I = 258.1 A

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.

Kuasa reaktif setiap beban

Beban ketinggalan mengambil kuasa reaktif (Q > 0); beban mendahului membekalkannya (Q < 0).

Q₁ = 26·tan(arccos 0.65) = 30.4 kvar

Q₂ = 0 = 0 kvar

Jumlah

P = 26 + 25 = 51 kW

Q = 30.4 + 0 = 30.4 kvar

S = √(51² + 30.4²) = 59.37 kVA

Jumlah arus

I = S/V = 59372/230 = 258.1 A

Jawapan

I = 258.1 A

6.Kuasa AU & faktor kuasa

Jawapan: I = 84.16 A

Kuasa reaktif sebelum dan selepas

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

Q₁ = 14·tan(arccos 0.65) = 16.37 kvar

Q_C = V²·2πf·C = 240²·2π·50·100·10⁻⁶ = 1810 var = 1.81 kvar

Q₂ = 16.37 − 1.81 = 14.56 kvar

Kuasa ketara baharu

S₂ = √(14² + 14.56²) = 20.2 kVA

Arus talian baharu

I = S₂/V = 20198/240 = 84.16 A

Jawapan

I = 84.16 A

7.Impedans AU & fasor

Jawapan: φ = 74.37 °

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

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0.05 = 157.1 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·4.7·10⁻⁶) = 67.73 Ω

Impedans

Dalam sambungan bersiri impedans ditambah sebagai nombor kompleks: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(25² + (89.35)²) = 92.79 Ω

Sudut fasa

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(89.35/25) = 74.37°

Jawapan

φ = 74.37°

8.Impedans AU & fasor

Jawapan: V_L = 41.26 V

Salunan

Pada resonans reaktans saling membatalkan, maka impedans hanyalah R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.005·0.47·10⁻⁶) = 20628 rad/s

I = V/R = 2/5 = 0.4 A

Voltan merentasi induktor

X_L = ω₀L = 20628·0.005 = 103.1 Ω

V_L = I·X_L = 0.4·103.1 = 41.26 V

Jawapan

V_L = 41.26 V

Ini ialah Q = 20.63 kali voltan bekalan.

9.Motor DC

Jawapan: n = 725.7 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 = 6/1.5 = 4 A

DEM balik dan laju

E = 120 − 4·1.5 = 114 V

ω = E/k = 76 rad/s → n = 725.7 rpm

Jawapan

n = 725.7 rpm

10.Motor DC

Jawapan: n = 2924 rpm

Pemalar motor yang dilemahkan

k₂ = 0.85·0.8 = 0.68 V·s/rad

Arus angker baharu

I_a = 16/0.68 = 23.53 A

Laju baharu

ω = (220 − 23.53·0.5)/0.68 = 306.2 rad/s → n = 2924 rpm

Jawapan

n = 2924 rpm

Pelemahan medan ialah cara pemacu DC berjalan melebihi laju asasnya.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems