Systemy elektroenergetyczne i maszyny elektryczne: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 10 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadania Wróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Moc w układach trójfazowych

Połączenie w gwiazdę (Y): V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Połączenie w trójkąt (Δ): V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
Całkowita moc czynna: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
Moc pozorna i bierna: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
Kondensatory do kompensacji: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
Napięcie na każdym kondensatorze: Δ: V_L Y: V_L/√3
Moc pobierana przez silnik: P_in = P_out/η

Transformatory

Przekładnia zwojowa: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
Stosunek prądów: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
Prąd znamionowy: I = S/V
Impedancja sprowadzona: Z₁′ = a²·Z_L
Straty w miedzi przy obciążeniu częściowym: P_cu = x²·P_cu,fl
Sprawność: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
Sprawność maksymalna: x = √(P_core/P_cu,fl)

Moc AC i współczynnik mocy

Moc czynna: P = V·I·cos φ
Moc bierna: Q = V·I·sin φ
Moc pozorna: S = V·I = √(P² + Q²)
Współczynnik mocy: pf = cos φ = P/S
Kondensator kompensacyjny: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

Impedancja i wskazy AC

Impedancje: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Pulsacja: ω = 2πf
Moduł i kąt: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Prawo Ohma dla wskazów: V = I·Z

Metoda

Przelicz częstotliwość: ω = 2πf.
Wyznacz każdą reaktancję: X_L = ωL i X_C = 1/(ωC).
Dodawaj impedancje jak rezystory, z Z = R + jX.
Wyznacz moduł |Z| = √(R² + X²) i kąt φ = atan(X/R), a potem zastosuj prawo Ohma dla wskazów.

Silniki prądu stałego

Obwód twornika: V = E + I_aR_a
Siła przeciwelektromotoryczna i moment: E = k·ω, T = k·I_a
Prędkość: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
Prędkość biegu jałowego i moment utyku: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
Moce: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
Rozruch: I_start = V/(R_a + R_st)
Zmienność prędkości: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
Maksymalna moc wytworzona: P_max = V²/(4R_a)
Napęd z przerywaczem: V_a = D·V_dc

Metoda

Narysuj obwód twornika: napięcie zasilania V, rezystancja R_a i siła przeciwelektromotoryczna E połączone szeregowo.
Użyj V = E + I_a·R_a, aby powiązać napięcie, prąd i siłę przeciwelektromotoryczną.
Użyj E = k·ω dla prędkości i T = k·I_a dla momentu, z ω = 2π·n/60.
Dla mocy i sprawności zacznij od V·I_a, odejmij straty w miedzi I_a²·R_a, a potem straty mechaniczne.

2Zadania do ćwiczenia

1.Moc w układach trójfazowychŚredni

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera prąd przewodowy 80 A ze źródła o napięciu przewodowym 690 V. Współczynnik mocy wynosi 0,92 (indukcyjny). Wyznacz całkowitą moc czynną P pobieraną przez odbiornik w kW.

V_L = 690 VI_L = 80 Acos φ = 0,92

P = kW

2.Moc w układach trójfazowychTrudny

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 60 kW przy współczynniku mocy 0,7 (indukcyjnym) z sieci 480 V (napięcie przewodowe), 60 Hz. Trójfazowa bateria kondensatorów połączona równolegle z odbiornikiem ma podnieść wypadkowy współczynnik mocy do 0,98 (indukcyjnego). Moc czynna się nie zmienia. Kondensatory są połączone w gwiazdę. Wyznacz pojemność C_ph każdego kondensatora w µF.

P = 60 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,98V_L = 480 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.TransformatoryŚredni

Do uzwojenia pierwotnego idealnego transformatora o przekładni N₁:N₂ = 2:1 przyłożono napięcie 240 V. Do uzwojenia wtórnego dołączono rezystor 60 Ω. Wyznacz prąd pierwotny I₁.

N₁:N₂ = 2:1V₁ = 240 VR_L = 60 Ω

I₁ = A

4.TransformatoryTrudny

Jednofazowy transformator 200 kVA ma straty w rdzeniu 1000 W. Przy obciążeniu znamionowym i współczynniku mocy 0,85 (indukcyjnym) jego sprawność wynosi 96,5%. Wyznacz straty w miedzi przy pełnym obciążeniu P_cu,fl w watach.

S = 200 kVAP_core = 1000 Wpf = 0,85η = 96,5%

P_cu,fl = W

5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni

Silnik jednofazowy pobiera 22 kW przy współczynniku mocy 0,6 (indukcyjnym) z zasilania 230 V. Wyznacz moc bierną Q, którą pobiera.

P = 22 kWpf = 0,6V = 230 V

Q = kvar

6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny

Źródło 10 V (skuteczne), 1000 Hz ma impedancję wewnętrzną Z_s = 8 + j20 Ω. Impedancję obciążenia Z_L można dobrać dowolnie. Obciążenie zapewniające maksymalną moc składa się z rezystora połączonego szeregowo z kondensatorem. Wyznacz pojemność C.

V_s = 10 V (rms)f = 1000 HzZ_s = 8 + j20 Ω

C = µF

7.Impedancja i wskazy ACŚredni

Szeregowy obwód RLC jest podłączony do zasilania 100 V (skuteczne), 100 Hz. Wyznacz wartość skuteczną prądu I.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 100 µF

I = A

8.Impedancja i wskazy ACTrudny

Szeregowy obwód RLC jest podłączony do zasilania 50 V (skuteczne), 500 Hz. Wyznacz częstotliwość rezonansową f₀ obwodu.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 100 µF

f₀ = Hz

9.Silniki prądu stałegoŚredni

Silnik prądu stałego (k = 0,75 V·s/rad, R_a = 2 Ω) jest zasilany napięciem 110 V. Przy pełnym obciążeniu pobiera 6 A. Pomijając prąd biegu jałowego, wyznacz jego zmienność prędkości SR = (n₀ − n_FL)/n_FL w procentach.

V = 110 Vk = 0,75 V·s/radR_a = 2 ΩI_FL = 6 A

SR = %

10.Silniki prądu stałegoTrudny

Silnik prądu stałego (k = 1,5 V·s/rad, R_a = 1,2 Ω) zasilany stałym napięciem 240 V napędza obciążenie 18 N·m. Wyznacz rezystancję szeregową R_s, która zwalnia go do 600 obr/min.

V = 240 Vk = 1,5 V·s/radR_a = 1,2 ΩT = 18 N·mn = 600 rpm

R_s = Ω

3Roztwory

1.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: P = 87,96 kW

Moc pozorna

S = √3·V_L·I_L = √3·690·80 = 95,61 kVA

Moc czynna

P = S·cos φ = 95,61·0,92 = 87,96 kW

Odpowiedź

P = 87,96 kW

2.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: C_ph = 564,5 µF

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, V_L = √3·V_ph, a prąd przewodowy jest równy prądowi fazowemu. W połączeniu w trójkąt (Δ) napięcie przewodowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd przewodowy jest √3 razy większy od prądu fazowego, I_L = √3·I_ph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. Kompensacja mocy biernej: kondensatory dostarczają moc bierną lokalnie, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). Każdy z trzech kondensatorów dostarcza Q_C/3 = V²·ω·C, gdzie V to napięcie na tym kondensatorze: V_L w baterii połączonej w trójkąt, V_L/√3 w baterii połączonej w gwiazdę.

Moc bierna przed i po

Moc czynna się nie zmienia, więc każdy współczynnik mocy wyznacza moc bierną: Q = P·tan φ.

Q₁ = 60·tan(acos 0,7) = 60·1,02 = 61,21 kvar

Q₂ = 60·tan(acos 0,98) = 60·0,2031 = 12,18 kvar

Moc bierna z kondensatorów

Q_C = Q₁ − Q₂ = 49,03 kvar

Pojemność na fazę

W baterii połączonej w gwiazdę każdy kondensator jest włączony między przewód fazowy a punkt gwiazdowy.

V = 480/√3 = 277,1 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 16343/(377·277,1²) = 564,5 µF

Odpowiedź

C_ph = 564,5 µF

3.Transformatory

Odpowiedź: I₁ = 1 A

Transformator idealny: napięcia mają się do siebie jak liczby zwojów, a prądy odwrotnie: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a oraz I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, więc moc wejściowa jest równa mocy wyjściowej, V₁·I₁ = V₂·I₂. Impedancja obciążenia Z po stronie wtórnej widziana od strony pierwotnej wynosi a²·Z.

Napięcie i prąd wtórny

V₂ = 240/2 = 120 V

I₂ = 120/60 = 2 A

Prąd pierwotny

Idealny transformator nie ma strat: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I₁ = I₂/2 = 1 A

Odpowiedź

I₁ = 1 A

Sprawdzenie: obciążenie widziane od strony pierwotnej to a²·R_L = 240 Ω, a 240/240 daje ten sam prąd.

4.Transformatory

Odpowiedź: P_cu,fl = 5166 W

Straty w transformatorze: straty w rdzeniu (histereza i prądy wirowe) zależą od napięcia i są takie same przy każdym obciążeniu. Straty w miedzi uzwojeń zmieniają się z kwadratem prądu, więc przy ułamku x obciążenia znamionowego wynoszą x²·P_cu,fl. Sprawność η = P_out/(P_out + P_core + P_cu), z P_out = x·S·pf. Sprawność jest najwyższa przy obciążeniu, przy którym straty w miedzi są równe stratom w rdzeniu.

Moc wyjściowa i wejściowa

P_out = 200·0,85 = 170 kW

P_in = 170000/0,965 = 176166 W

Straty całkowite i straty w miedzi

P_loss = 176166 − 170000 = 6166 W

P_cu,fl = 6166 − 1000 = 5166 W

Odpowiedź

P_cu,fl = 5166 W

5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: Q = 29,33 kvar

Moc w obwodach AC: moc pozorna S = V·I (VA) dzieli się na moc czynną P = S·cos φ (W), która wykonuje pracę użyteczną, i moc bierną Q = S·sin φ (var), która krąży między źródłem a odbiornikiem. Współczynnik mocy to cos φ. Kondensator równoległy dostarcza moc bierną lokalnie, więc prąd linii maleje przy tej samej mocy czynnej.

Kąt

φ = arccos(0,6) = 53,13°, tan φ = 1,333

Moc bierna

Q = P·tan φ = 22·1,333 = 29,33 kvar

Odpowiedź

Q = 29,33 kvar

6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: C = 7,958 µF

Dopasowanie sprzężone

Reaktancja obciążenia znosi reaktancję źródła, a rezystancja obciążenia jest równa rezystancji źródła.

Z_L = Z_s* = 8 − j20 Ω

Pojemność

X_C = 20 Ω → C = 1/(2π·1000·20) = 7,958 µF

Odpowiedź

C = 7,958 µF

7.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: I = 1,137 A

Obwody AC i wskazy: rezystory, cewki i kondensatory mają impedancje R, jωL i 1/(jωC), gdzie ω = 2πf. Szeregowo impedancje dodaje się jak rezystancje, ale jako liczby zespolone. Wartości skuteczne prądu i napięcia spełniają prawo Ohma z |Z|.

Reaktancje

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s

X_L = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedancja

Szeregowo impedancje dodaje się jak liczby zespolone: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(40² + (78,33)²) = 87,95 Ω

Prąd

Przez każdy element obwodu szeregowego płynie ten sam prąd.

I = V/|Z| = 100/87,95 = 1,137 A

Odpowiedź

I = 1,137 A

8.Impedancja i wskazy AC

Odpowiedź: f₀ = 31,83 Hz

Rezonans

W rezonansie reaktancje indukcyjna i pojemnościowa się znoszą: ωL = 1/(ωC). Częstotliwość zasilania nie ma znaczenia.

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,25·100·10⁻⁶)) = 31,83 Hz

Odpowiedź

f₀ = 31,83 Hz

9.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: SR = 12,24 %

Silnik prądu stałego: twornik to rezystancja R_a połączona szeregowo z siłą przeciwelektromotoryczną E, więc V = E + I_a·R_a. Siła przeciwelektromotoryczna rośnie z prędkością, E = k·ω, a moment z prądem, T = k·I_a, przy tej samej stałej silnika k (V·s/rad = N·m/A) w jednostkach SI. Prędkości zamieniaj wzorem ω = 2π·n/60. Moc wytworzona to E·I_a = T·ω; moc wejściowa to V·I_a, a różnicę stanowią straty w miedzi I_a²R_a oraz straty mechaniczne. Prędkość maleje liniowo z momentem, ω = V/k − R_a·T/k², od prędkości biegu jałowego V/k do zera przy momencie utyku k·V/R_a. W spoczynku E = 0, więc prąd rozruchowy V/R_a jest duży, o ile nie ogranicza go rezystor.

Prędkość na biegu jałowym i przy pełnym obciążeniu

n₀ = 60·110/(2π·0,75) = 1401 rpm

n_FL = 60·(110 − 6·2)/(2π·0,75) = 1248 rpm

Zmienność prędkości

SR = (1401 − 1248)/1248·100 = 12,24 %

Odpowiedź

SR = 12,24 %

10.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: R_s = 10,95 Ω

Prąd i siła przeciwelektromotoryczna

I_a = 18/1,5 = 12 A

E = 1,5·62,83 = 94,25 V

Rezystancja szeregowa

R_a + R_s = (240 − 94,25)/12 = 12,15 Ω

R_s = 10,95 Ω

Odpowiedź

R_s = 10,95 Ω

Rezystor wydziela 1576 W strat; przerywacz reguluje prędkość ze znacznie mniejszymi stratami.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems