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 %94 ve güç faktörü 0,88 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 480 V. Hat akımı I_L değerini bulun.

P_out = 15 kWη = 94%cos φ = 0,88V_L = 480 V

I_L = A

2.Üç fazlı güçZor

Dengeli üç fazlı bir yük, 415 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,75 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. Kondansatör grubunun sağlaması gereken toplam reaktif güç Q_C değerini kvar cinsinden bulun.

P = 120 kWpf₁ = 0,75pf₂ = 0,98V_L = 415 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

3.TransformatörlerOrta

Sarım oranı N₁:N₂ = 2:1 olan ideal bir transformatörün primer sargısına 460 V uygulanıyor. Sekonder sargının uçlarına 20 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer akım I₁ değerini bulun.

N₁:N₂ = 2:1V₁ = 460 VR_L = 20 Ω

I₁ = A

4.TransformatörlerZor

Tek fazlı 150 kVA bir transformatörün demir kaybı 900 W’tır. Anma yükünde ve 0,95 geri güç faktöründe verimi %97’dir. Tam yükteki bakır kaybı P_cu,fl değerini watt cinsinden bulun.

S = 150 kVAP_core = 900 Wpf = 0,95η = 97%

P_cu,fl = W

5.AC güç ve güç faktörüOrta

Tek fazlı bir motor, 400 V bir kaynaktan 0,9 geri güç faktöründe 8 kW çekiyor. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.

P = 8 kWpf = 0,9V = 400 V

Q = kvar

6.AC güç ve güç faktörüZor

100 V (rms), 1000 Hz’lik bir kaynağın iç empedansı Z_s = 20 + j30 Ω’dur. Yük empedansı Z_L serbestçe seçilebilir. En büyük güç için yük, bir kondansatöre seri bağlı bir dirençten oluşturuluyor. Kapasite C değerini bulun.

V_s = 100 V (rms)f = 1000 HzZ_s = 20 + j30 Ω

C = µF

7.AC empedans ve fazörlerOrta

Seri bir RLC devresi 100 V (rms), 60 Hz bir kaynağa bağlı. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 10 µF

φ = °

8.AC empedans ve fazörlerZor

Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 50 Hz bir kaynağa bağlı. Devrenin rezonans frekansı f₀ değerini bulun.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 10 µF

f₀ = Hz

9.DC motorlarOrta

Bir DC motor (k = 0,4 V·s/rad, R_a = 1 Ω) 120 V ile çalışıyor. Tam yükte 15 A çekiyor. Yüksüz akımı ihmal ederek hız regülasyonunu (SR) = (n₀ − n_FL)/n_FL yüzde olarak bulun.

V = 120 Vk = 0,4 V·s/radR_a = 1 ΩI_FL = 15 A

SR = %

10.DC motorlarZor

k = 0,6 V·s/rad ve R_a = 1 Ω olan bir DC motor, 400 rpm’de 3,6 N·m’lik bir yükü sürmelidir. Gereken endüvi gerilimini (V) bulun.

k = 0,6 V·s/radR_a = 1 ΩT = 3,6 N·mn = 400 rpm

V = V

3Çözeltiler

1.Üç fazlı güç

Cevap: I_L = 21,81 A

Elektriksel giriş gücü

P_in = P_out/η = 15/0,94 = 15,96 kW

Hat akımı

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 15957/(√3·480·0,88) = 21,81 A

Cevap

I_L = 21,81 A

2.Üç fazlı güç

Cevap: Q_C = 81,46 kvar

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 0,75) = 120·0,8819 = 105,8 kvar

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

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

Q_C = Q₁ − Q₂ = 81,46 kvar

Cevap

Q_C = 81,46 kvar

3.Transformatörler

Cevap: I₁ = 5,75 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 = 460/2 = 230 V

I₂ = 230/20 = 11,5 A

Primer akım

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

I₁ = I₂/2 = 5,75 A

Cevap

I₁ = 5,75 A

Kontrol: primerden görülen yük a²·R_L = 80 Ω’dur ve 460/80 aynı akımı verir.

4.Transformatörler

Cevap: P_cu,fl = 3507 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.

Çıkış ve giriş gücü

P_out = 150·0,95 = 142,5 kW

P_in = 142500/0,97 = 146907 W

Toplam ve bakır kayıpları

P_loss = 146907 − 142500 = 4407 W

P_cu,fl = 4407 − 900 = 3507 W

Cevap

P_cu,fl = 3507 W

5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: Q = 3,875 kvar

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.

Açı

φ = arccos(0,9) = 25,84°, tan φ = 0,4843

Reaktif güç

Q = P·tan φ = 8·0,4843 = 3,875 kvar

Cevap

Q = 3,875 kvar

6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: C = 5,305 µF

Eşlenik uyum

Yük reaktansı kaynak reaktansını götürür ve yük direnci kaynak direncine eşittir.

Z_L = Z_s* = 20 − j30 Ω

Kapasitans

X_C = 30 Ω → C = 1/(2π·1000·30) = 5,305 µF

Cevap

C = 5,305 µF

7.AC empedans ve fazörler

Cevap: φ = −83,36 °

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·60 = 377 rad/s

X_L = ωL = 377·0,02 = 7,54 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·10·10⁻⁶) = 265,3 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(30² + (−257,7)²) = 259,5 Ω

Faz açısı

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−257,7/30) = −83,36°

Cevap

φ = −83,36°

8.AC empedans ve fazörler

Cevap: f₀ = 100,7 Hz

Rezonans

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

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,25·10·10⁻⁶)) = 100,7 Hz

Cevap

f₀ = 100,7 Hz

9.DC motorlar

Cevap: SR = 14,29 %

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.

Yüksüz ve tam yük hızı

n₀ = 60·120/(2π·0,4) = 2865 rpm

n_FL = 60·(120 − 15·1)/(2π·0,4) = 2507 rpm

Hız regülasyonu

SR = (2865 − 2507)/2507·100 = 14,29 %

Cevap

SR = 14,29 %

10.DC motorlar

Cevap: V = 31,13 V

Zıt EMK

E = 0,6·41,89 = 25,13 V

Endüvi akımı

I_a = 3,6/0,6 = 6 A

Endüvi gerilimi

V = 25,13 + 6·1 = 31,13 V

Cevap

V = 31,13 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems