ระบบกำลังและเครื่องจักรกลไฟฟ้า: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 10 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

กำลังไฟฟ้าสามเฟส

การต่อแบบ Y: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
การต่อแบบ Δ: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
กำลังจริงรวม: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
กำลังปรากฏและกำลังรีแอกทีฟ: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
ตัวเก็บประจุแก้ตัวประกอบกำลัง: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
แรงดันคร่อมตัวเก็บประจุแต่ละตัว: Δ: V_L Y: V_L/√3
กำลังป้อนเข้ามอเตอร์: P_in = P_out/η

หม้อแปลงไฟฟ้า

อัตราส่วนจำนวนรอบ: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
อัตราส่วนกระแส: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
กระแสพิกัด: I = S/V
อิมพีแดนซ์ที่อ้างอิง: Z₁′ = a²·Z_L
การสูญเสียในทองแดงที่โหลดบางส่วน: P_cu = x²·P_cu,fl
ประสิทธิภาพ: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
ประสิทธิภาพสูงสุด: x = √(P_core/P_cu,fl)

กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลัง

กำลังจริง: P = V·I·cos φ
กำลังรีแอกทีฟ: Q = V·I·sin φ
กำลังปรากฏ: S = V·I = √(P² + Q²)
ตัวประกอบกำลัง: pf = cos φ = P/S
ตัวเก็บประจุแก้ตัวประกอบกำลัง: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

อิมพีแดนซ์: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
ความถี่เชิงมุม: ω = 2πf
ขนาดและมุม: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
กฎของโอห์มแบบเฟสเซอร์: V = I·Z

วิธีการ

แปลงความถี่: ω = 2πf
หารีแอกแตนซ์แต่ละค่า: X_L = ωL และ X_C = 1/(ωC)
บวกอิมพีแดนซ์เหมือนตัวต้านทาน โดย Z = R + jX
หาขนาด |Z| = √(R² + X²) และมุม φ = atan(X/R) แล้วใช้กฎของโอห์มกับเฟสเซอร์

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

วงจรอาร์เมเจอร์: V = E + I_aR_a
แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านและแรงบิด: E = k·ω, T = k·I_a
อัตราเร็ว: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
ความเร็วขณะไม่มีโหลดและแรงบิดสตอลล์: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
กำลัง: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
การเริ่มเดิน: I_start = V/(R_a + R_st)
การควบคุมความเร็ว: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
กำลังที่พัฒนาสูงสุด: P_max = V²/(4R_a)
ไดรฟ์ช็อปเปอร์: V_a = D·V_dc

วิธีการ

วาดวงจรอาร์เมเจอร์: แหล่งจ่าย V ความต้านทาน R_a และแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้าน E อนุกรมกัน
ใช้ V = E + I_a·R_a เชื่อมแรงดัน กระแส และแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้าน
ใช้ E = k·ω สำหรับความเร็ว และ T = k·I_a สำหรับแรงบิด โดย ω = 2π·n/60
สำหรับกำลังและประสิทธิภาพ เริ่มจาก V·I_a ลบการสูญเสียในทองแดง I_a²·R_a แล้วลบการสูญเสียจากการหมุน

2โจทย์ฝึก

1.กำลังไฟฟ้าสามเฟสปานกลาง

โหลดสามเฟสสมดุลดึงกระแสสาย 50 A จากแหล่งจ่ายที่มีแรงดันสาย–สาย 415 V ตัวประกอบกำลังคือ 0.85 ล้าหลัง หากำลังจริงรวม P ที่โหลดใช้ใน kW

V_L = 415 VI_L = 50 Acos φ = 0.85

P = kW

2.กำลังไฟฟ้าสามเฟสยาก

โหลดสามเฟสสมดุลใช้กำลัง 100 kW ที่ตัวประกอบกำลัง 0.78 ล้าหลัง จากแหล่งจ่าย 400 V (สาย–สาย) 50 Hz ชุดตัวเก็บประจุสามเฟสที่ต่อขนานกับโหลดต้องเพิ่มตัวประกอบกำลังรวมเป็น 0.95 ล้าหลัง กำลังจริงคงเดิม ตัวเก็บประจุต่อแบบ Δ หาความจุ C_ph ของตัวเก็บประจุแต่ละตัวใน µF

P = 100 kWpf₁ = 0.78pf₂ = 0.95V_L = 400 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.หม้อแปลงไฟฟ้าปานกลาง

หม้อแปลงอุดมคติที่มีอัตราส่วนจำนวนรอบ N₁:N₂ = 10:1 ป้อน 1200 V ที่ขดลวดปฐมภูมิ ต่อตัวต้านทาน 48 Ω คร่อมขดลวดทุติยภูมิ หากระแสปฐมภูมิ I₁

N₁:N₂ = 10:1V₁ = 1200 VR_L = 48 Ω

I₁ = A

4.หม้อแปลงไฟฟ้ายาก

หม้อแปลงเฟสเดียว 200 kVA มีการสูญเสียในแกน 1600 W ที่โหลดพิกัดและตัวประกอบกำลัง 0.95 ล้าหลัง ประสิทธิภาพคือ 97.5% หาการสูญเสียในทองแดงที่โหลดเต็ม P_cu,fl เป็นวัตต์

S = 200 kVAP_core = 1600 Wpf = 0.95η = 97.5%

P_cu,fl = W

5.กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลังปานกลาง

มอเตอร์เฟสเดียวใช้กำลัง 32 kW ที่ตัวประกอบกำลัง 0.8 ล้าหลัง จากแหล่งจ่าย 230 V หากระแสในสาย I

P = 32 kWpf = 0.8V = 230 V

I = A

6.กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลังยาก

แหล่งกำเนิด 120 V (rms) 50 Hz มีอิมพีแดนซ์ภายใน Z_s = 50 + j6 Ω เลือกอิมพีแดนซ์โหลด Z_L ได้อย่างอิสระ จงหากำลังจริงสูงสุด P_max ที่ส่งให้โหลดได้

V_s = 120 V (rms)f = 50 HzZ_s = 50 + j6 Ω

P_max = W

7.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ปานกลาง

วงจร RLC อนุกรมต่อกับแหล่งจ่าย 100 V (rms) 500 Hz จงหากำลังจริง P ที่ดึงจากแหล่งจ่าย

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 47 µF

P = W

8.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ยาก

วงจร RLC อนุกรมถูกขับด้วยแหล่งกำเนิด 2 V (rms) ซึ่งตั้งความถี่ไว้ที่ความถี่เรโซแนนซ์ของวงจร จงหาแรงดัน rms V_L ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ

V = 2 V (rms)R = 20 ΩL = 50 mHC = 2.2 µF

V_L = V

9.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงปานกลาง

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงดึงกระแส 12 A จากแหล่งจ่าย 220 V ความต้านทานอาร์เมเจอร์ของมันคือ 0.8 Ω และการสูญเสียจากการหมุน (แรงเสียดทาน ลม และเหล็ก) คือ 202 W จงหาประสิทธิภาพ η

V = 220 VI_a = 12 AR_a = 0.8 ΩP_rot = 202 W

η = %

10.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงยาก

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงขนาดเล็กมีความต้านทานอาร์เมเจอร์ 3 Ω และทำงานจาก 24 V ถ้าไม่คิดการสูญเสียจากการหมุน จงหากำลังกลสูงสุด P_max ที่มันพัฒนาได้ที่ความเร็วใด ๆ

V = 24 VR_a = 3 Ω

P_max = W

3สารละลาย

1.กำลังไฟฟ้าสามเฟส

คำตอบ: P = 30.55 kW

กำลังปรากฏ

S = √3·V_L·I_L = √3·415·50 = 35.94 kVA

กำลังจริง

P = S·cos φ = 35.94·0.85 = 30.55 kW

คำตอบ

P = 30.55 kW

2.กำลังไฟฟ้าสามเฟส

คำตอบ: C_ph = 314.1 µF

ระบบสามเฟสสมดุล: ในการต่อแบบ Y (สตาร์) แรงดันสาย–สายเท่ากับ √3 เท่าของแรงดันเฟส V_L = √3·V_ph และกระแสสายเท่ากับกระแสเฟส ในการต่อแบบ Δ (เดลตา) แรงดันสาย–สายเท่ากับแรงดันเฟส และกระแสสายเป็น √3 เท่าของกระแสเฟส I_L = √3·I_ph กำลังรวมเป็นสามเท่าของกำลังหนึ่งเฟส: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ การปรับปรุงตัวประกอบกำลัง: ตัวเก็บประจุจ่ายกำลังรีแอกทีฟในพื้นที่ Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂) ตัวเก็บประจุทั้งสามตัวจ่ายตัวละ Q_C/3 = V²·ω·C โดย V คือแรงดันคร่อมตัวเก็บประจุตัวนั้น: V_L ในชุดแบบ Δ, V_L/√3 ในชุดแบบ Y

กำลังรีแอกทีฟก่อนและหลัง

กำลังจริงไม่เปลี่ยน ตัวประกอบกำลังแต่ละค่าจึงกำหนดกำลังรีแอกทีฟ: Q = P·tan φ

Q₁ = 100·tan(acos 0.78) = 100·0.8023 = 80.23 kvar

Q₂ = 100·tan(acos 0.95) = 100·0.3287 = 32.87 kvar

กำลังรีแอกทีฟจากตัวเก็บประจุ

Q_C = Q₁ − Q₂ = 47.36 kvar

ความจุต่อเฟส

ในชุดแบบ Δ ตัวเก็บประจุแต่ละตัวต่อระหว่างสองสาย

V = 400 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 15787/(314.2·400²) = 314.1 µF

คำตอบ

C_ph = 314.1 µF

3.หม้อแปลงไฟฟ้า

คำตอบ: I₁ = 0.25 A

หม้อแปลงอุดมคติ: แรงดันเป็นไปตามอัตราส่วนจำนวนรอบ และกระแสเป็นอัตราส่วนผกผัน: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a และ I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a ดังนั้นกำลังเข้าเท่ากับกำลังออก V₁·I₁ = V₂·I₂ โหลดอิมพีแดนซ์ Z ด้านทุติยภูมิมองจากด้านปฐมภูมิเป็น a²·Z

แรงดันและกระแสทุติยภูมิ

V₂ = 1200/10 = 120 V

I₂ = 120/48 = 2.5 A

กระแสด้านปฐมภูมิ

หม้อแปลงอุดมคติไม่มีการสูญเสีย: V₁·I₁ = V₂·I₂

I₁ = I₂/10 = 0.25 A

คำตอบ

I₁ = 0.25 A

ตรวจสอบ: โหลดที่มองจากด้านปฐมภูมิคือ a²·R_L = 4800 Ω และ 1200/4800 ให้กระแสเท่ากัน

4.หม้อแปลงไฟฟ้า

คำตอบ: P_cu,fl = 3272 W

การสูญเสียของหม้อแปลง: การสูญเสียในแกน (ฮิสเทอรีซิสและกระแสไหลวน) ขึ้นกับแรงดันและเท่ากันทุกโหลด การสูญเสียในทองแดงของขดลวดเป็นไปตามกำลังสองของกระแส ดังนั้นที่สัดส่วน x ของโหลดพิกัดจะเป็น x²·P_cu,fl ประสิทธิภาพ η = P_out/(P_out + P_core + P_cu) โดย P_out = x·S·pf ประสิทธิภาพสูงสุดที่โหลดซึ่งการสูญเสียในทองแดงเท่ากับการสูญเสียในแกน

กำลังขาออกและขาเข้า

P_out = 200·0.95 = 190 kW

P_in = 190000/0.975 = 194872 W

การสูญเสียรวมและการสูญเสียในทองแดง

P_loss = 194872 − 190000 = 4872 W

P_cu,fl = 4872 − 1600 = 3272 W

คำตอบ

P_cu,fl = 3272 W

5.กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลัง

คำตอบ: I = 173.9 A

กำลังไฟฟ้ากระแสสลับ: กำลังปรากฏ S = V·I (VA) แยกเป็นกำลังจริง P = S·cos φ (W) ซึ่งทำงานที่เป็นประโยชน์ และกำลังรีแอกทีฟ Q = S·sin φ (var) ซึ่งเคลื่อนไปมาระหว่างแหล่งจ่ายกับโหลด ตัวประกอบกำลังคือ cos φ ตัวเก็บประจุที่ต่อขนานจ่ายกำลังรีแอกทีฟในพื้นที่ กระแสในสายจึงลดลงสำหรับกำลังจริงเท่าเดิม

กระแสในสาย

มีเพียงส่วนจริงของกำลังเท่านั้นที่ทำงาน จึงหารด้วยตัวประกอบกำลัง

I = P/(V·cos φ) = 32000/(230·0.8) = 173.9 A

คำตอบ

I = 173.9 A

6.กำลังไฟฟ้ากระแสสลับและตัวประกอบกำลัง

คำตอบ: P_max = 72 W

การจับคู่สังยุค

รีแอกแตนซ์ของโหลดหักล้างรีแอกแตนซ์ของแหล่งกำเนิด และความต้านทานโหลดเท่ากับความต้านทานแหล่งกำเนิด

Z_L = Z_s* = 50 − j6 Ω

กำลังสูงสุด

I = V_s/(2R_s) = 120/100 = 1.2 A

P_max = I²·R_L = V_s²/(4R_s) = 120²/(4·50) = 72 W

คำตอบ

P_max = 72 W

7.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: P = 2.037 W

วงจรกระแสสลับด้วยเฟสเซอร์: ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุมีอิมพีแดนซ์ R, jωL และ 1/(jωC) โดย ω = 2πf ในการต่ออนุกรม อิมพีแดนซ์บวกกันเหมือนความต้านทาน แต่เป็นจำนวนเชิงซ้อน กระแสและแรงดัน rms เป็นไปตามกฎของโอห์มโดยใช้ |Z|

รีแอกแตนซ์

X_L = 628.3 Ω, X_C = 6.773 Ω

อิมพีแดนซ์

|Z| = √(80² + (621.5)²) = 626.7 Ω

กำลังจริง

ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเพียงสะสมแล้วคืนพลังงาน ตัวต้านทานดูดกำลังจริงทั้งหมด

I = 100/626.7 = 0.1596 A

P = I²·R = 0.1596²·80 = 2.037 W

คำตอบ

P = 2.037 W

8.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: V_L = 15.08 V

เรโซแนนซ์

ที่เรโซแนนซ์ รีแอกแตนซ์หักล้างกัน อิมพีแดนซ์จึงเท่ากับ R เท่านั้น

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.05·2.2·10⁻⁶) = 3015 rad/s

I = V/R = 2/20 = 0.1 A

แรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ

X_L = ω₀L = 3015·0.05 = 150.8 Ω

V_L = I·X_L = 0.1·150.8 = 15.08 V

คำตอบ

V_L = 15.08 V

นี่คือ Q = 7.538 เท่าของแรงดันแหล่งจ่าย

9.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

คำตอบ: η = 87.98 %

มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง: อาร์เมเจอร์คือความต้านทาน R_a อนุกรมกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้าน E ดังนั้น V = E + I_a·R_a แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านเพิ่มตามความเร็ว E = k·ω และแรงบิดเพิ่มตามกระแส T = k·I_a โดยใช้ค่าคงที่มอเตอร์ k ตัวเดียวกัน (V·s/rad = N·m/A) ในหน่วย SI แปลงความเร็วด้วย ω = 2π·n/60 กำลังที่พัฒนาขึ้นคือ E·I_a = T·ω กำลังอินพุตคือ V·I_a และส่วนต่างคือการสูญเสียในทองแดง I_a²R_a กับการสูญเสียจากการหมุน ความเร็วลดลงเป็นเส้นตรงตามแรงบิด ω = V/k − R_a·T/k² จากความเร็วขณะไม่มีโหลด V/k ลงไปเป็นศูนย์ที่แรงบิดสตอลล์ k·V/R_a เมื่อหยุดนิ่ง E = 0 ดังนั้นกระแสเริ่มเดิน V/R_a จึงมีค่ามาก เว้นแต่ใช้ตัวต้านทานจำกัด

กำลัง

P_in = 220·12 = 2640 W

P_dev = 210.4·12 = 2525 W

P_out = 2525 − 202 = 2323 W

ประสิทธิภาพ

η = 2323/2640·100 = 87.98 %

คำตอบ

η = 87.98 %

10.มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

คำตอบ: P_max = 48 W

กำลังในรูปฟังก์ชันของแรงเคลื่อนไฟฟ้าต้าน

P(E) = E·(V − E)/R_a

dP/dE = 0 → E = V/2 = 12 V

กำลังสูงสุด

P_max = (V/2)²/R_a = V²/(4R_a) = 24²/(4·3) = 48 W

คำตอบ

P_max = 48 W

ที่จุดนี้ประสิทธิภาพเพียง 50 % มอเตอร์จริงจึงทำงานที่ความเร็วสูงกว่าครึ่งหนึ่งมาก

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems