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

Üç fazlı bir asenkron motor tam yükte 15 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %91 ve güç faktörü 0,86 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 415 V. Hat akımı I_L değerini bulun.

P_out = 15 kWη = 91%cos φ = 0,86V_L = 415 V

I_L = A

2.Üç fazlı güçZor

Dengeli üç fazlı bir yük, 690 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 120 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,98 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Y bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı C_ph değerini µF cinsinden bulun.

P = 120 kWpf₁ = 0,65pf₂ = 0,98V_L = 690 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.TransformatörlerOrta

Sarım oranı N₁:N₂ = 5:1 olan ideal bir transformatörün primer sargısına 1200 V uygulanıyor. Sekonder sargının uçlarına 6 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer akım I₁ değerini bulun.

N₁:N₂ = 5:1V₁ = 1200 VR_L = 6 Ω

I₁ = A

4.TransformatörlerZor

Tek fazlı 200 kVA bir transformatörün demir kaybı 1600 W, anma yükündeki bakır kaybı 4800 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %50 kadarını 0,85 geri güç faktöründe besliyor. Bu yükteki toplam kayıplar P_loss değerini watt cinsinden bulun.

S = 200 kVAP_core = 1600 WP_cu,fl = 4800 Wx = 0,5pf = 0,85

P_loss = W

5.AC güç ve güç faktörüOrta

400 V’luk tek fazlı bir kaynağa iki yük paralel bağlıdır: 0,65 geri güç faktörlü 15 kW’lık bir yük ve 0,7 ileri güç faktörlü 8 kW’lık bir yük. Kaynaktan çekilen toplam akım I değerini bulun.

V = 400 VP₁ = 15 kW, pf₁ = 0,65 geriP₂ = 8 kW, pf₂ = 0,7 ileri

I = A

6.AC güç ve güç faktörüZor

Tek fazlı bir yük 230 V, 50 Hz’lik bir kaynaktan 0,6 geri güç faktöründe 20 kW çekiyor. Yüke paralel olarak 470 µF’lık bir kondansatör bağlanıyor. Yeni hat akımı I değerini bulun.

P = 20 kWpf₁ = 0,6V = 230 Vf = 50 HzC = 470 µF

I = A

7.AC empedans ve fazörlerOrta

C = 22 µF olan seri bir RLC devresi 50 Hz’de rezonansa girmelidir. Gereken endüktans L değerini bulun.

f₀ = 50 HzC = 22 µF

L = mH

8.AC empedans ve fazörlerZor

Seri bir RLC devresi 12 V (rms), 100 Hz bir kaynağa bağlı. Kondansatör üzerindeki rms gerilim V_C değerini bulun.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 2,2 µF

V_C = V

9.DC motorlarOrta

k = 0,12 N·m/A ve R_a = 2 Ω olan bir DC motor 48 V’a bağlanıyor. Sıfır hızdaki tork olan durma torkunu (T_stall) bulun.

V = 48 Vk = 0,12 N·m/AR_a = 2 Ω

T_stall = N·m

10.DC motorlarZor

Küçük bir DC motorun endüvi direnci 2 Ω’dur ve 110 V ile çalışmaktadır. Dönme kayıplarını ihmal ederek herhangi bir hızda geliştirebileceği en büyük mekanik gücü (P_max) bulun.

V = 110 VR_a = 2 Ω

P_max = W

3Çözeltiler

1.Üç fazlı güç

Cevap: I_L = 26,67 A

Elektriksel giriş gücü

P_in = P_out/η = 15/0,91 = 16,48 kW

Hat akımı

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 16484/(√3·415·0,86) = 26,67 A

Cevap

I_L = 26,67 A

2.Üç fazlı güç

Cevap: C_ph = 775,1 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 = 120·tan(acos 0,65) = 120·1,169 = 140,3 kvar

Q₂ = 120·tan(acos 0,98) = 120·0,2031 = 24,37 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

Q_C = Q₁ − Q₂ = 115,9 kvar

Faz başına kapasitans

Y grupta her kondansatör bir hat ile yıldız noktası arasına bağlıdır.

V = 690/√3 = 398,4 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 38643/(314,2·398,4²) = 775,1 µF

Cevap

C_ph = 775,1 µF

3.Transformatörler

Cevap: I₁ = 8 A

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.

Sekonder gerilim ve akım

V₂ = 1200/5 = 240 V

I₂ = 240/6 = 40 A

Primer akım

İdeal bir transformatörün kaybı yoktur: V₁·I₁ = V₂·I₂.

I₁ = I₂/5 = 8 A

Cevap

I₁ = 8 A

Kontrol: primerden görülen yük a²·R_L = 150 Ω’dur ve 1200/150 aynı akımı verir.

4.Transformatörler

Cevap: P_loss = 2800 W

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.

Bu yükteki bakır kaybı

P_cu = x²·P_cu,fl = 0,25·4800 = 1200 W

Toplam kayıplar

Demir kaybı her yükte aynıdır.

P_loss = 1600 + 1200 = 2800 W

Cevap

P_loss = 2800 W

Bu yükteki verim η = 96,81%.

5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: I = 62,09 A

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 = 15·tan(arccos 0,65) = 17,54 kvar

Q₂ = −8·tan(arccos 0,7) = −8,162 kvar

Toplamlar

P = 15 + 8 = 23 kW

Q = 17,54 + (−8,162) = 9,375 kvar

S = √(23² + 9,375²) = 24,84 kVA

Toplam akım

I = S/V = 24837/400 = 62,09 A

Cevap

I = 62,09 A

6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: I = 119,5 A

Önce ve sonra reaktif güç

Aktif güç P değişmez; yalnızca şebekeden çekilen reaktif güç değişir.

Q₁ = 20·tan(arccos 0,6) = 26,67 kvar

Q_C = V²·2πf·C = 230²·2π·50·470·10⁻⁶ = 7811 var = 7,811 kvar

Q₂ = 26,67 − 7,811 = 18,86 kvar

Yeni görünür güç

S₂ = √(20² + 18,86²) = 27,49 kVA

Yeni hat akımı

I = S₂/V = 27487/230 = 119,5 A

Cevap

I = 119,5 A

7.AC empedans ve fazörler

Cevap: L = 460,6 mH

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.

Rezonans koşulu

Rezonansta endüktif ve kapasitif reaktanslar birbirini götürür: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·50 = 314,2 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(314,2²·22·10⁻⁶) = 460,6 mH

Cevap

L = 460,6 mH

8.AC empedans ve fazörler

Cevap: V_C = 15,09 V

Reaktanslar

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s

X_L = ωL = 628,3·0,25 = 157,1 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(628,3·2,2·10⁻⁶) = 723,4 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(100² + (−566,4)²) = 575,1 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 12/575,1 = 0,02087 A

Kondansatör gerilimi

V_C = I·X_C = 0,02087·723,4 = 15,09 V

Cevap

V_C = 15,09 V

9.DC motorlar

Cevap: T_stall = 2,88 N·m

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.

Durma akımı

I_a = V/R_a = 48/2 = 24 A

Durma torku

T_stall = 0,12·24 = 2,88 N·m

Cevap

T_stall = 2,88 N·m

10.DC motorlar

Cevap: P_max = 1513 W

Zıt EMK’nın fonksiyonu olarak güç

P(E) = E·(V − E)/R_a

dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V

En büyük güç

P_max = (V/2)²/R_a = V²/(4R_a) = 110²/(4·2) = 1513 W

Cevap

P_max = 1513 W

Bu noktada verim yalnızca % 50’dir; bu yüzden gerçek motorlar yarı hızın hayli üzerinde çalışır.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems