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 400 V olan bir kaynaktan 30 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,9 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.

V_L = 400 VI_L = 30 Acos φ = 0,9

P = kW

2.Üç fazlı güçZor

Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 60 Hz bir kaynaktan 0,78 geri güç faktöründe 100 kW çekiyor. Yüke paralel bağlanan üç fazlı bir kondansatör grubu toplam güç faktörünü 0,9 geriye yükseltmelidir. Aktif güç aynı kalır. Kondansatörler Δ bağlıdır. Her kondansatörün kapasitansı C_ph değerini µF cinsinden bulun.

P = 100 kWpf₁ = 0,78pf₂ = 0,9V_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 562,5 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %25 kadarını 0,9 geri güç faktöründe besliyor. Bu yükteki toplam kayıplar P_loss değerini watt cinsinden bulun.

S = 75 kVAP_core = 225 WP_cu,fl = 562,5 Wx = 0,25pf = 0,9

P_loss = W

5.AC güç ve güç faktörüOrta

Tek fazlı bir motor, 230 V bir kaynaktan 0,7 geri güç faktöründe 5 kW çekiyor. Hat akımı I değerini bulun.

P = 5 kWpf = 0,7V = 230 V

I = A

6.AC güç ve güç faktörüZor

Tek fazlı bir yük, 400 V, 50 Hz bir kaynaktan 0,75 geri güç faktöründe 40 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,9 değerine yükseltiyor. Yeni hat akımı I_new değerini bulun.

P = 40 kWpf₁ = 0,75pf₂ = 0,9V = 400 Vf = 50 Hz

I_new = A

7.AC empedans ve fazörlerOrta

Seri bir RLC devresi 12 V (rms), 60 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 100 µF

I = A

8.AC empedans ve fazörlerZor

Seri bir RLC devresi, frekansı devrenin rezonans frekansına ayarlanmış 5 V (rms)’lik bir kaynakla sürülüyor. Bobin üzerindeki rms gerilim V_L değerini bulun.

V = 5 V (rms)R = 15 ΩL = 50 mHC = 1 µF

V_L = V

9.DC motorlarOrta

k = 0,3 N·m/A ve R_a = 0,5 Ω olan bir DC motor 110 V’a bağlanıyor. Sıfır hızdaki tork olan durma torkunu (T_stall) bulun.

V = 110 Vk = 0,3 N·m/AR_a = 0,5 Ω

T_stall = N·m

10.DC motorlarZor

48 V’ta çalışan (R_a = 0,25 Ω) ayrı uyarmalı bir DC motor, 10 A endüvi akımıyla 1500 rpm’de dönüyor. Yük değişiyor ve alan değişmeden akım 5 A oluyor. Yeni hızı (n₂) bulun.

V = 48 VR_a = 0,25 Ωn₁ = 1500 rpmI_a1 = 10 AI_a2 = 5 A

n₂ = rpm

3Çözeltiler

1.Üç fazlı güç

Cevap: P = 18,71 kW

Görünür güç

S = √3·V_L·I_L = √3·400·30 = 20,78 kVA

Aktif güç

P = S·cos φ = 20,78·0,9 = 18,71 kW

Cevap

P = 18,71 kW

2.Üç fazlı güç

Cevap: C_ph = 122 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 = 100·tan(acos 0,78) = 100·0,8023 = 80,23 kvar

Q₂ = 100·tan(acos 0,9) = 100·0,4843 = 48,43 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

Q_C = Q₁ − Q₂ = 31,8 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) = 10599/(377·480²) = 122 µF

Cevap

C_ph = 122 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: P_loss = 260,2 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 = 0,0625·562,5 = 35,16 W

Toplam kayıplar

Demir kaybı her yükte aynıdır.

P_loss = 225 + 35,16 = 260,2 W

Cevap

P_loss = 260,2 W

Bu yükteki verim η = 98,48%.

5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: I = 31,06 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.

Hat akımı

Gücün yalnızca aktif kısmı iş yapar, bu yüzden güç faktörüne bölün.

I = P/(V·cos φ) = 5000/(230·0,7) = 31,06 A

Cevap

I = 31,06 A

6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: I_new = 111,1 A

Önce ve sonra reaktif güç

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

Q₁ = P·tan φ₁ = 40·tan(41,41°) = 35,28 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 40·tan(25,84°) = 19,37 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 15,9 kvar

Yeni hat akımı

I_new = P/(V·cos φ₂) = 40000/(400·0,9) = 111,1 A

Cevap

I_new = 111,1 A

7.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 0,4959 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·60 = 377 rad/s

X_L = ωL = 377·0,02 = 7,54 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·100·10⁻⁶) = 26,53 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(15² + (−18,99)²) = 24,2 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 12/24,2 = 0,4959 A

Cevap

I = 0,4959 A

8.AC empedans ve fazörler

Cevap: V_L = 74,54 V

Rezonans

Rezonansta reaktanslar birbirini götürür, bu yüzden empedans yalnızca R’dir.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·1·10⁻⁶) = 4472 rad/s

I = V/R = 5/15 = 0,3333 A

Bobin üzerindeki gerilim

X_L = ω₀L = 4472·0,05 = 223,6 Ω

V_L = I·X_L = 0,3333·223,6 = 74,54 V

Cevap

V_L = 74,54 V

Bu, kaynak geriliminin Q = 14,91 katıdır.

9.DC motorlar

Cevap: T_stall = 66 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 = 110/0,5 = 220 A

Durma torku

T_stall = 0,3·220 = 66 N·m

Cevap

T_stall = 66 N·m

10.DC motorlar

Cevap: n₂ = 1541 rpm

Öncesi ve sonrasındaki zıt EMK

E₁ = 48 − 10·0,25 = 45,5 V

E₂ = 48 − 5·0,25 = 46,75 V

Yeni hız

n₂ = 1500·46,75/45,5 = 1541 rpm

Cevap

n₂ = 1541 rpm

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems