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 75 kW mekanik çıkış gücü veriyor. Bu yükte verimi %91 ve güç faktörü 0,9 geri. Kaynağın fazlar arası gerilimi 415 V. Hat akımı I_L değerini bulun.

P_out = 75 kWη = 91%cos φ = 0,9V_L = 415 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 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 = 0,75pf₂ = 0,9V_L = 415 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

3.TransformatörlerOrta

Tek fazlı 150 kVA, 10000/400 V bir transformatör anma yükünde çalışıyor. İdeal kabul edin. Alçak gerilim sargısındaki akım I_LV değerini bulun.

S = 150 kVAV₁ = 10000 VV₂ = 400 V

I_LV = A

4.TransformatörlerZor

Tek fazlı 75 kVA bir transformatörün demir kaybı 225 W, anma yükündeki bakır kaybı 562,5 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %75 kadarını 0,95 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 = 0,75pf = 0,95

P_loss = W

5.AC güç ve güç faktörüOrta

Tek fazlı bir motor, 240 V bir kaynaktan 0,85 geri güç faktöründe 11 kW çekiyor. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.

P = 11 kWpf = 0,85V = 240 V

Q = kvar

6.AC güç ve güç faktörüZor

Tek fazlı bir yük 230 V, 50 Hz’lik bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 5 kW çekiyor. Yüke paralel olarak 150 µF’lık bir kondansatör bağlanıyor. Kaynağın gördüğü yeni güç faktörü cos φ değerini bulun.

P = 5 kWpf₁ = 0,65V = 230 Vf = 50 HzC = 150 µF

cos φ =

7.AC empedans ve fazörlerOrta

C = 2,2 µF olan seri bir RLC devresi 100 Hz’de rezonansa girmelidir. Gereken endüktans L değerini bulun.

f₀ = 100 HzC = 2,2 µF

L = mH

8.AC empedans ve fazörlerZor

Seri bir RLC devresi 12 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Kondansatör üzerindeki rms gerilim V_C değerini bulun.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 22 µF

V_C = V

9.DC motorlarOrta

Bir DC motor 48 V’luk kaynaktan 15 A çekiyor. Endüvi direnci 0,2 Ω, dönme (sürtünme, rüzgâr ve demir) kayıpları 54 W’tır. Verimini (η) bulun.

V = 48 VI_a = 15 AR_a = 0,2 ΩP_rot = 54 W

η = %

10.DC motorlarZor

Sabit 220 V’luk kaynağa bağlı bir DC motor (k = 0,8 V·s/rad, R_a = 2 Ω) 8 N·m’lik bir yükü sürüyor. Onu 750 rpm’e yavaşlatan seri direnci (R_s) bulun.

V = 220 Vk = 0,8 V·s/radR_a = 2 ΩT = 8 N·mn = 750 rpm

R_s = Ω

3Çözeltiler

1.Üç fazlı güç

Cevap: I_L = 127,4 A

Elektriksel giriş gücü

P_in = P_out/η = 75/0,91 = 82,42 kW

Hat akımı

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 82418/(√3·415·0,9) = 127,4 A

Cevap

I_L = 127,4 A

2.Üç fazlı güç

Cevap: C_ph = 244,9 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 0,75) = 100·0,8819 = 88,19 kvar

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

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

Q_C = Q₁ − Q₂ = 39,76 kvar

Faz başına kapasitans

Δ grupta her kondansatör iki hat arasına bağlıdır.

V = 415 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 13253/(314,2·415²) = 244,9 µF

Cevap

C_ph = 244,9 µF

3.Transformatörler

Cevap: I_LV = 375 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.

Anma akımı

İki sargı da aynı görünür gücü taşır.

I_LV = S/V = 150000/400 = 375 A

Cevap

I_LV = 375 A

4.Transformatörler

Cevap: P_loss = 541,4 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 = 0,5625·562,5 = 316,4 W

Toplam kayıplar

Demir kaybı her yükte aynıdır.

P_loss = 225 + 316,4 = 541,4 W

Cevap

P_loss = 541,4 W

Bu yükteki verim η = 99%.

5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: Q = 6,817 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(0,85) = 31,79°, tan φ = 0,6197

Reaktif güç

Q = P·tan φ = 11·0,6197 = 6,817 kvar

Cevap

Q = 6,817 kvar

6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: cos φ = 0,8306

Önce ve sonra reaktif güç

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

Q₁ = 5·tan(arccos 0,65) = 5,846 kvar

Q_C = V²·2πf·C = 230²·2π·50·150·10⁻⁶ = 2493 var = 2,493 kvar

Q₂ = 5,846 − 2,493 = 3,353 kvar

Yeni görünür güç

S₂ = √(5² + 3,353²) = 6,02 kVA

Yeni güç faktörü

cos φ = P/S₂ = 5/6,02 = 0,8306

Cevap

cos φ = 0,8306

7.AC empedans ve fazörler

Cevap: L = 1151 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·100 = 628,3 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(628,3²·2,2·10⁻⁶) = 1151 mH

Cevap

L = 1151 mH

8.AC empedans ve fazörler

Cevap: V_C = 1,172 V

Reaktanslar

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(40² + (142,6)²) = 148,1 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 12/148,1 = 0,08102 A

Kondansatör gerilimi

V_C = I·X_C = 0,08102·14,47 = 1,172 V

Cevap

V_C = 1,172 V

9.DC motorlar

Cevap: η = 86,25 %

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.

Güçler

P_in = 48·15 = 720 W

P_dev = 45·15 = 675 W

P_out = 675 − 54 = 621 W

Verim

η = 621/720·100 = 86,25 %

Cevap

η = 86,25 %

10.DC motorlar

Cevap: R_s = 13,72 Ω

Akım ve zıt EMK

I_a = 8/0,8 = 10 A

E = 0,8·78,54 = 62,83 V

Seri direnç

R_a + R_s = (220 − 62,83)/10 = 15,72 Ω

R_s = 13,72 Ω

Cevap

R_s = 13,72 Ω

Direnç 1372 W harcar; bir kıyıcı hızı çok daha az kayıpla denetler.

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems