Güç Sistemleri ve Elektrik Makineleri: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 10 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorular Derse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Üç fazlı güç

Y bağlantı: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Δ bağlantı: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
Toplam aktif güç: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
Görünür ve reaktif güç: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
Kompanzasyon kondansatörleri: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
Her kondansatör üzerindeki gerilim: Δ: V_L Y: V_L/√3
Motor giriş gücü: P_in = P_out/η

Transformatörler

Sarım oranı: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
Akım oranı: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
Anma akımı: I = S/V
Aktarılmış empedans: Z₁′ = a²·Z_L
Kısmi yükte bakır kaybı: P_cu = x²·P_cu,fl
Verim: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
En yüksek verim: x = √(P_core/P_cu,fl)

AC güç ve güç faktörü

Aktif güç: P = V·I·cos φ
Reaktif güç: Q = V·I·sin φ
Görünür güç: S = V·I = √(P² + Q²)
Güç faktörü: pf = cos φ = P/S
Kompanzasyon kondansatörü: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

AC empedans ve fazörler

Empedanslar: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Açısal frekans: ω = 2πf
Genlik ve açı: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Fazör biçiminde Ohm yasası: V = I·Z

Yöntem

Frekansı çevirin: ω = 2πf.
Her reaktansı bulun: X_L = ωL ve X_C = 1/(ωC).
Empedansları dirençler gibi Z = R + jX ile toplayın.
|Z| = √(R² + X²) büyüklüğünü ve φ = atan(X/R) açısını bulun, sonra fazörlerle Ohm yasasını kullanın.

DC motorlar

Endüvi devresi: V = E + I_aR_a
Zıt EMK ve tork: E = k·ω, T = k·I_a
Sürat: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
Yüksüz hız ve durma torku: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
Güçler: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
Yol alma: I_start = V/(R_a + R_st)
Hız regülasyonu: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
Geliştirilen en büyük güç: P_max = V²/(4R_a)
Kıyıcılı sürücü: V_a = D·V_dc

Yöntem

Endüvi devresini çizin: V kaynağı, R_a direnci ve zıt EMK E seri bağlıdır.
Gerilim, akım ve zıt EMK’yı ilişkilendirmek için V = E + I_a·R_a kullanın.
Hız için E = k·ω, tork için T = k·I_a kullanın; ω = 2π·n/60.
Güç ve verim için V·I_a’dan başlayın, bakır kaybı I_a²·R_a’yı, sonra dönme kayıplarını çıkarın.

2Alıştırma soruları

1.Üç fazlı güçOrta

Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 690 V olan bir kaynaktan 20 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,82 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.

V_L = 690 VI_L = 20 Acos φ = 0,82

P = kW

2.Üç fazlı güçZor

Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,7 geri güç faktöründe 75 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,92 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı C_ph değerini µF cinsinden bulun.

P = 75 kWpf₁ = 0,7pf₂ = 0,92V_L = 480 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3.TransformatörlerOrta

Sarım oranı N₁:N₂ = 5:1 olan ideal bir transformatörün sekonder sargısının uçlarına 8 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer sargıdan bakıldığında görülen direnç R_1′ değerini bulun.

N₁:N₂ = 5:1R_L = 8 Ω

R_1′ = Ω

4.TransformatörlerZor

Tek fazlı 75 kVA bir transformatörün demir kaybı 225 W, anma yükündeki bakır kaybı 450 W’tır. Verimi hangi yükte S_η,max, kVA cinsinden, en yüksektir?

S = 75 kVAP_core = 225 WP_cu,fl = 450 W

S_η,max = kVA

5.AC güç ve güç faktörüOrta

400 V’luk tek fazlı bir kaynağa iki yük paralel bağlıdır: 0,85 geri güç faktörlü 12 kW’lık bir yük ve 14 kW’lık bir ısıtıcı (birim güç faktörü). Kaynağın gördüğü toplam güç faktörü cos φ değerini bulun.

V = 400 VP₁ = 12 kW, pf₁ = 0,85 geriP₂ = 14 kW, pf₂ = 1

cos φ =

6.AC güç ve güç faktörüZor

200 kVA’lık tek fazlı bir transformatör 0,65 geri güç faktöründe 69 kW’lık bir yükü besliyor. Transformatör kVA değerine ulaşmadan önce dirençsel (birim güç faktörlü) yük olarak ne kadar ek aktif güç ΔP eklenebilir?

S_max = 200 kVAP₁ = 69 kWpf₁ = 0,65

ΔP = kW

7.AC empedans ve fazörlerOrta

Seri bir RLC devresi 12 V (rms), 50 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 150 mHC = 47 µF

I = A

8.AC empedans ve fazörlerZor

Seri bir RLC devresi 100 V (rms), 200 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.

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

I = A

9.DC motorlarOrta

Bir DC motor (k = 0,6 N·m/A, R_a = 0,2 Ω) 110 V ile çalışıyor ve 24 N·m’lik bir yük torkunu sürüyor. Hızını (n) rpm cinsinden bulun.

V = 110 Vk = 0,6 N·m/AR_a = 0,2 ΩT = 24 N·m

n = rpm

10.DC motorlarZor

Bir DC kıyıcı, bir motoru (k = 1,2 V·s/rad, R_a = 0,2 Ω) 220 V’luk bir DC baradan besliyor. Ortalama endüvi gerilimi D·220 V’tur. Motoru 48 N·m’lik yükle 500 rpm’de çalıştıran görev oranını (D) bulun.

V_dc = 220 Vk = 1,2 V·s/radR_a = 0,2 ΩT = 48 N·mn = 500 rpm

D = %

3Çözeltiler

1.Üç fazlı güç

Cevap: P = 19,6 kW

Görünür güç

S = √3·V_L·I_L = √3·690·20 = 23,9 kVA

Aktif güç

P = S·cos φ = 23,9·0,82 = 19,6 kW

Cevap

P = 19,6 kW

2.Üç fazlı güç

Cevap: C_ph = 171 µF

Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, V_L = √3·V_ph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, I_L = √3·I_ph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ. Güç faktörü düzeltme: kondansatörler reaktif gücü yerinde sağlar, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂). Üç kondansatörün her biri Q_C/3 = V²·ω·C sağlar; burada V o kondansatör üzerindeki gerilimdir: Δ grupta V_L, Y grupta V_L/√3.

Önce ve sonra reaktif güç

Aktif güç değişmediği için her güç faktörü reaktif gücü belirler: Q = P·tan φ.

Q₁ = 75·tan(acos 0,7) = 75·1,02 = 76,52 kvar

Q₂ = 75·tan(acos 0,92) = 75·0,426 = 31,95 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

Q_C = Q₁ − Q₂ = 44,57 kvar

Faz başına kapasitans

Δ grupta her kondansatör iki hat arasına bağlıdır.

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 14855/(377·480²) = 171 µF

Cevap

C_ph = 171 µF

3.Transformatörler

Cevap: R_1′ = 200 Ω

İdeal transformatör: gerilimler sarım sayılarının oranında, akımlar ters oranda bulunur: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a ve I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a; böylece giriş gücü çıkış gücüne eşittir, V₁·I₁ = V₂·I₂. Sekonderdeki bir Z yük empedansı primerden a²·Z olarak görünür.

Aktarılmış direnç

Gerilim a kat artar, akım a kat azalır; bu yüzden V/I oranı a² kat artar.

R_1′ = a²·R_L = 5²·8 = 200 Ω

Cevap

R_1′ = 200 Ω

4.Transformatörler

Cevap: S_η,max = 53,03 kVA

Transformatör kayıpları: demir kaybı (histerezis ve girdap akımları) gerilime bağlıdır ve her yükte aynıdır. Sargılardaki bakır kaybı akımın karesiyle değişir; bu yüzden anma yükünün x kesrinde x²·P_cu,fl olur. Verim η = P_out/(P_out + P_core + P_cu), burada P_out = x·S·pf. Verim, bakır kaybının demir kaybına eşit olduğu yükte en yüksektir.

Bakır kaybı demir kaybına eşittir

x²·450 = 225 → x = √(225/450) = 0,7071

En yüksek verimdeki yük

S_η,max = x·S = 0,7071·75 = 53,03 kVA

Cevap

S_η,max = 53,03 kVA

5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: cos φ = 0,9614

AC güç: görünür güç S = V·I (VA), faydalı iş yapan aktif güç P = S·cos φ (W) ile kaynak ve yük arasında gidip gelen reaktif güç Q = S·sin φ (var) olarak ayrılır. Güç faktörü cos φ’dir. Paralel bir kondansatör reaktif gücü yerinde sağlar, böylece aynı aktif güç için hat akımı düşer.

Her yükün reaktif gücü

Geri güç faktörlü yük reaktif güç çeker (Q > 0); ileri güç faktörlü yük reaktif güç verir (Q < 0).

Q₁ = 12·tan(arccos 0,85) = 7,437 kvar

Q₂ = 0 = 0 kvar

Toplamlar

P = 12 + 14 = 26 kW

Q = 7,437 + 0 = 7,437 kvar

S = √(26² + 7,437²) = 27,04 kVA

Toplam güç faktörü

cos φ = P/S = 26/27,04 = 0,9614 geri

Cevap

cos φ = 0,9614

6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: ΔP = 114 kW

Mevcut yükün reaktif gücü

Q₁ = 69·tan(arccos 0,65) = 80,67 kvar

En büyük toplam aktif güç

Tam değerde S = S_max’tır ve Q dirençsel yükle değişmez.

P = √(S_max² − Q₁²) = √(200² − 80,67²) = 183 kW

Ek aktif güç

ΔP = 183 − 69 = 114 kW

Cevap

ΔP = 114 kW

7.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 0,4179 A

Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.

Reaktanslar

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s

X_L = ωL = 314,2·0,15 = 47,12 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Empedans

Seride empedanslar karmaşık sayılar olarak toplanır: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(20² + (−20,6)²) = 28,71 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 12/28,71 = 0,4179 A

Cevap

I = 0,4179 A

8.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 0,3924 A

Reaktanslar

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0,2 = 251,3 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16,93 Ω

Empedans

Seride empedanslar karmaşık sayılar olarak toplanır: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(100² + (234,4)²) = 254,8 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 100/254,8 = 0,3924 A

Cevap

I = 0,3924 A

9.DC motorlar

Cevap: n = 1623 rpm

DC motor: endüvi, zıt EMK E ile seri bir R_a direncidir; dolayısıyla V = E + I_a·R_a. Zıt EMK hızla birlikte artar, E = k·ω; tork ise akımla artar, T = k·I_a. SI birimlerinde her ikisinde de aynı k motor sabiti (V·s/rad = N·m/A) kullanılır. Hızları ω = 2π·n/60 ile dönüştürün. Geliştirilen güç E·I_a = T·ω’dır; giriş gücü V·I_a’dir ve aradaki farkı I_a²R_a bakır kaybı ile dönme kayıpları oluşturur. Hız, torkla doğrusal olarak düşer: ω = V/k − R_a·T/k²; yüksüz hız V/k’dan başlayıp k·V/R_a durma torkunda sıfıra iner. Duruşta E = 0’dır; bu yüzden bir direnç sınırlamadıkça yol alma akımı V/R_a büyüktür.

Endüvi akımı

I_a = T/k = 24/0,6 = 40 A

Zıt EMK ve hız

E = 110 − 40·0,2 = 102 V

ω = E/k = 170 rad/s → n = 1623 rpm

Cevap

n = 1623 rpm

10.DC motorlar

Cevap: D = 32,2 %

Gereken endüvi gerilimi

V_a = 1,2·52,36 + 40·0,2 = 70,83 V

Görev oranı

D = 70,83/220 = 32,2 %

Cevap

D = 32,2 %

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems