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 motor aruhan tiga fasa menghasilkan 22 kW kuasa keluaran mekanikal pada beban penuh. Pada beban ini kecekapannya 94% dan faktor kuasanya 0.8 ketinggalan. Bekalan mempunyai voltan antara talian 690 V. Cari arus talian I_L.

P_out = 22 kWη = 94%cos φ = 0.8V_L = 690 V

I_L = A

2.Kuasa tiga fasaSukar

Satu beban tiga fasa seimbang mengambil 50 kW pada faktor kuasa 0.78 ketinggalan daripada bekalan 480 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. Cari jumlah kuasa reaktif Q_C yang mesti dibekalkan oleh bank kapasitor, dalam kvar.

P = 50 kWpf₁ = 0.78pf₂ = 0.95V_L = 480 Vf = 60 Hz

Q_C = kvar

3.PengubahSederhana

Satu pengubah fasa tunggal 100 kVA, 7200/240 V beroperasi pada beban terkadarnya. Anggap ia unggul. Cari arus I_LV dalam lilitan voltan rendah.

S = 100 kVAV₁ = 7200 VV₂ = 240 V

I_LV = A

4.PengubahSukar

Satu pengubah fasa tunggal 50 kVA mempunyai kehilangan teras 300 W. Pada beban terkadar dan faktor kuasa 0.85 ketinggalan kecekapannya ialah 98.2%. Cari kehilangan kuprum beban penuh P_cu,fl dalam watt.

S = 50 kVAP_core = 300 Wpf = 0.85η = 98.2%

P_cu,fl = W

5.Kuasa AU & faktor kuasaSederhana

Dua beban disambung selari pada bekalan fasa tunggal 240 V: beban 18 kW pada faktor kuasa 0.75 ketinggalan dan pemanas 2 kW (faktor kuasa satu). Cari faktor kuasa keseluruhan cos φ yang dilihat oleh bekalan.

V = 240 VP₁ = 18 kW, pf₁ = 0.75 ketinggalanP₂ = 2 kW, pf₂ = 1

cos φ =

6.Kuasa AU & faktor kuasaSukar

Satu beban fasa tunggal mengambil 45 kW pada faktor kuasa 0.8 ketinggalan daripada bekalan 240 V, 60 Hz. Kapasitor yang disambung secara selari meningkatkan faktor kuasa kepada 0.95. Cari kapasitans C yang diperlukan.

P = 45 kWpf₁ = 0.8pf₂ = 0.95V = 240 Vf = 60 Hz

C = µF

7.Impedans AU & fasorSederhana

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 24 V (rms), 50 Hz. Cari faktor kuasa cos φ litar itu.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 47 µF

cos φ =

8.Impedans AU & fasorSukar

Perintang R₁ disambung secara siri dengan gabungan selari R₂ dan kapasitor C, merentasi bekalan 100 V (rms), 500 Hz. Cari arus rms I.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR₁ = 20 ΩR₂ = 40 ΩC = 22 µF

I = A

9.Motor DCSederhana

Motor DC menarik 50 A daripada bekalan 120 V. Rintangan angkernya ialah 0.2 Ω dan kehilangan putarannya (geseran, rintangan angin dan besi) ialah 220 W. Cari kecekapannya η.

V = 120 VI_a = 50 AR_a = 0.2 ΩP_rot = 220 W

η = %

10.Motor DCSukar

Motor DC teruja berasingan pada 120 V (R_a = 0.2 Ω) berjalan pada 1500 rpm dengan arus angker 20 A. Beban berubah dan arus menjadi 12 A, dengan medan tidak berubah. Cari laju baharu n₂.

V = 120 VR_a = 0.2 Ωn₁ = 1500 rpmI_a1 = 20 AI_a2 = 12 A

n₂ = rpm

3Larutan

1.Kuasa tiga fasa

Jawapan: I_L = 24.48 A

Kuasa masukan elektrik

P_in = P_out/η = 22/0.94 = 23.4 kW

Arus talian

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 23404/(√3·690·0.8) = 24.48 A

Jawapan

I_L = 24.48 A

2.Kuasa tiga fasa

Jawapan: Q_C = 23.68 kvar

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 = 50·tan(acos 0.78) = 50·0.8023 = 40.11 kvar

Q₂ = 50·tan(acos 0.95) = 50·0.3287 = 16.43 kvar

Kuasa reaktif daripada kapasitor

Q_C = Q₁ − Q₂ = 23.68 kvar

Jawapan

Q_C = 23.68 kvar

3.Pengubah

Jawapan: I_LV = 416.7 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 = 100000/240 = 416.7 A

Jawapan

I_LV = 416.7 A

4.Pengubah

Jawapan: P_cu,fl = 479 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.

Kuasa keluaran dan masukan

P_out = 50·0.85 = 42.5 kW

P_in = 42500/0.982 = 43279 W

Jumlah kehilangan dan kehilangan kuprum

P_loss = 43279 − 42500 = 779 W

P_cu,fl = 779 − 300 = 479 W

Jawapan

P_cu,fl = 479 W

5.Kuasa AU & faktor kuasa

Jawapan: cos φ = 0.7833

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 = 18·tan(arccos 0.75) = 15.87 kvar

Q₂ = 0 = 0 kvar

Jumlah

P = 18 + 2 = 20 kW

Q = 15.87 + 0 = 15.87 kvar

S = √(20² + 15.87²) = 25.53 kVA

Faktor kuasa keseluruhan

cos φ = P/S = 20/25.53 = 0.7833 ketinggalan

Jawapan

cos φ = 0.7833

6.Kuasa AU & faktor kuasa

Jawapan: C = 873.1 µF

Kuasa reaktif sebelum dan selepas

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

Q₁ = P·tan φ₁ = 45·tan(36.87°) = 33.75 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 45·tan(18.19°) = 14.79 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 18.96 kvar

Kapasitans

Kapasitor merentasi bekalan membekalkan Q = V²·ωC.

C = Q_C/(2πf·V²) = 18959/(2π·60·240²) = 873.1 µF

Jawapan

C = 873.1 µF

7.Impedans AU & fasor

Jawapan: cos φ = 0.4996

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 = 15.71 Ω, X_C = 67.73 Ω

Impedans

|Z| = √(30² + (−52.02)²) = 60.05 Ω

Faktor kuasa

cos φ = R/|Z| = 30/60.05 = 0.4996

Litar itu kapasitif, maka faktor kuasanya mendahului.

Jawapan

cos φ = 0.4996

8.Impedans AU & fasor

Jawapan: I = 3.603 A

Reaktans

X_C = 1/(2π·500·22·10⁻⁶) = 14.47 Ω

Gabungan selari

Darabkan atas dan bawah dengan konjugat kompleks untuk memisahkan Z_p kepada bahagian nyata dan khayal.

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 4.628 − j12.79 Ω

Jumlah impedans

Z = 20 + 4.628 − j12.79 = 24.63 − j12.79 Ω

|Z| = √(24.63² + 12.79²) = 27.75 Ω

Arus

I = V/|Z| = 100/27.75 = 3.603 A

Jawapan

I = 3.603 A

9.Motor DC

Jawapan: η = 88 %

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.

Kuasa

P_in = 120·50 = 6000 W

P_dev = 110·50 = 5500 W

P_out = 5500 − 220 = 5280 W

Kecekapan

η = 5280/6000·100 = 88 %

Jawapan

η = 88 %

10.Motor DC

Jawapan: n₂ = 1521 rpm

DEM balik sebelum dan selepas

E₁ = 120 − 20·0.2 = 116 V

E₂ = 120 − 12·0.2 = 117.6 V

Laju baharu

n₂ = 1500·117.6/116 = 1521 rpm

Jawapan

n₂ = 1521 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems