Güç Sistemleri ve Elektrik Makineleri: hızlı tekrar paketi

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

Yeni sorularDerse dön

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

1Formüller ve yöntemler

Üç fazlı güç

Y bağlantı
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ bağlantı
VL = Vph, IL = √3·Iph
Toplam aktif güç
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Görünür ve reaktif güç
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kompanzasyon kondansatörleri
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Her kondansatör üzerindeki gerilim
Δ: VL Y: VL/√3
Motor giriş gücü
Pin = Pout/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·ZL
Kısmi yükte bakır kaybı
Pcu = x²·Pcu,fl
Verim
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
En yüksek verim
x = √(Pcore/Pcu,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
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

AC empedans ve fazörler

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

Yöntem

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

DC motorlar

Endüvi devresi
V = E + IaRa
Zıt EMK ve tork
E = k·ω, T = k·Ia
Sürat
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Yüksüz hız ve durma torku
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Güçler
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Yol alma
Istart = V/(Ra + Rst)
Hız regülasyonu
SR = (n0 − nFL)/nFL
Geliştirilen en büyük güç
Pmax = V²/(4Ra)
Kıyıcılı sürücü
Va = D·Vdc

Yöntem

  1. Endüvi devresini çizin: V kaynağı, Ra direnci ve zıt EMK E seri bağlıdır.
  2. Gerilim, akım ve zıt EMK’yı ilişkilendirmek için V = E + Ia·Ra kullanın.
  3. Hız için E = k·ω, tork için T = k·Ia kullanın; ω = 2π·n/60.
  4. Güç ve verim için V·Ia’dan başlayın, bakır kaybı Ia²·Ra’yı, sonra dönme kayıplarını çıkarın.

2Alıştırma soruları

1.Üç fazlı güçOrta
ABCVL​ = 690 VIL​ = 150 Acos φ = 0,7geri

Dengeli üç fazlı bir yük, fazlar arası gerilimi 690 V olan bir kaynaktan 150 A hat akımı çekiyor. Güç faktörü 0,7 geri. Yükün çektiği toplam aktif güç P değerini kW cinsinden bulun.

VL = 690 VIL = 150 Acos φ = 0,7
P = kW
2.Üç fazlı güçZor
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Dengeli üç fazlı bir yük, 480 V (fazlar arası), 50 Hz bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 80 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 QC değerini kvar cinsinden bulun.

P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 50 Hz
QC = kvar
3.TransformatörlerOrta
RL​ = 6 Ω2012400 VV2​I1​ = ?I2​

Sarım oranı N₁:N₂ = 20:1 olan ideal bir transformatörün primer sargısına 2400 V uygulanıyor. Sekonder sargının uçlarına 6 Ω’luk bir direnç bağlanmıştır. Primer akım I1 değerini bulun.

N1:N2 = 20:1V1 = 2400 VRL = 6 Ω
I1 = A
4.TransformatörlerZor
pf 0,85250 kVA, 25% yük

Tek fazlı 250 kVA bir transformatörün demir kaybı 1000 W, anma yükündeki bakır kaybı 2500 W’tır. Transformatör anma kVA değerinin %25 kadarını 0,85 geri güç faktöründe besliyor. Bu yükteki toplam kayıplar Ploss değerini watt cinsinden bulun.

S = 250 kVAPcore = 1000 WPcu,fl = 2500 Wx = 0,25pf = 0,85
Ploss = W
5.AC güç ve güç faktörüOrta
P = 22 kWQ = ?Sφ

Tek fazlı bir motor, 400 V bir kaynaktan 0,85 geri güç faktöründe 22 kW çekiyor. Çektiği reaktif güç Q değerini bulun.

P = 22 kWpf = 0,85V = 400 V
Q = kvar
6.AC güç ve güç faktörüZor
P = 25 kWQ1​S1​φ1​QC​

Tek fazlı bir yük, 240 V, 60 Hz bir kaynaktan 0,65 geri güç faktöründe 25 kW çekiyor. Paralel bağlanan bir kondansatör güç faktörünü 0,95 değerine yükseltiyor. Yeni hat akımı Inew değerini bulun.

P = 25 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,95V = 240 Vf = 60 Hz
Inew = A
7.AC empedans ve fazörlerOrta
230 V500 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 47 µF

Seri bir RLC devresi 230 V (rms), 500 Hz bir kaynağa bağlı. Empedansın faz açısı φ değerini derece cinsinden bulun (akım gerilimden geride olduğunda pozitif).

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 47 µF
φ = °
8.AC empedans ve fazörlerZor
24 V50 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 10 µFI

Seri bir RLC devresi 24 V (rms), 50 Hz bir kaynağa bağlı. Rms akım I değerini bulun.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 150 mHC = 10 µF
I = A
9.DC motorlarOrta
+−VRa​M+−En = 1500 rpmT = ?

Bir DC motor 1500 rpm’de 3 kW mekanik güç veriyor. Mil torkunu (T) bulun.

P = 3 kWn = 1500 rpm
T = N·m
10.DC motorlarZor
T (N·m)n (rpm)0,48 N·m400 rpm

k = 0,12 V·s/rad ve Ra = 1 Ω olan bir DC motor, 400 rpm’de 0,48 N·m’lik bir yükü sürmelidir. Gereken endüvi gerilimini (V) bulun.

k = 0,12 V·s/radRa = 1 ΩT = 0,48 N·mn = 400 rpm
V = V

3Çözeltiler

1.Üç fazlı güç

Cevap: P = 125,5 kW

Dengeli üç fazlı sistemler: Y (yıldız) bağlantıda fazlar arası gerilim faz geriliminin √3 katıdır, VL = √3·Vph, ve hat akımı faz akımına eşittir. Δ (üçgen) bağlantıda fazlar arası gerilim faz gerilimine eşittir ve hat akımı faz akımının √3 katıdır, IL = √3·Iph. Toplam güç bir fazın gücünün üç katıdır: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Görünür güç

S = √3·VL·IL = √3·690·150 = 179,3 kVA

Aktif güç

P = S·cos φ = 179,3·0,7 = 125,5 kW

Cevap

P = 125,5 kW
2.Üç fazlı güç

Cevap: QC = 77,29 kvar

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

Önce ve sonra reaktif güç

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

Q1 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,98) = 80·0,2031 = 16,24 kvar

Kondansatörlerin sağladığı reaktif güç

QC = Q1 − Q2 = 77,29 kvar

Cevap

QC = 77,29 kvar
3.Transformatörler

Cevap: I1 = 1 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 = 2400/20 = 120 V
I2 = 120/6 = 20 A

Primer akım

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

I1 = I2/20 = 1 A

Cevap

I1 = 1 A

Kontrol: primerden görülen yük a²·RL = 2400 Ω’dur ve 2400/2400 aynı akımı verir.

4.Transformatörler

Cevap: Ploss = 1156 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·Pcu,fl olur. Verim η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), burada Pout = x·S·pf. Verim, bakır kaybının demir kaybına eşit olduğu yükte en yüksektir.

Bu yükteki bakır kaybı

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,0625·2500 = 156,3 W

Toplam kayıplar

Demir kaybı her yükte aynıdır.

Ploss = 1000 + 156,3 = 1156 W

Cevap

Ploss = 1156 W

Bu yükteki verim η = 97,87%.

5.AC güç ve güç faktörü

Cevap: Q = 13,63 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 = 22·0,6197 = 13,63 kvar

Cevap

Q = 13,63 kvar
6.AC güç ve güç faktörü

Cevap: Inew = 109,6 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.

Önce ve sonra reaktif güç

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

Q1 = P·tan φ1 = 25·tan(49,46°) = 29,23 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 25·tan(18,19°) = 8,217 kvar
QC = Q1 − Q2 = 21,01 kvar

Yeni hat akımı

Inew = P/(V·cos φ2) = 25000/(240·0,95) = 109,6 A

Cevap

Inew = 109,6 A
7.AC empedans ve fazörler

Cevap: φ = 84,43 °

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,1 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (307,4)²) = 308,8 Ω

Faz açısı

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(307,4/30) = 84,43°

Cevap

φ = 84,43°
8.AC empedans ve fazörler

Cevap: I = 0,08488 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
XL = ωL = 314,2·0,15 = 47,12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Empedans

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−271,2)²) = 282,7 Ω

Akım

Seri devrenin her elemanından aynı akım geçer.

I = V/|Z| = 24/282,7 = 0,08488 A

Cevap

I = 0,08488 A
9.DC motorlar

Cevap: T = 19,1 N·m

DC motor: endüvi, zıt EMK E ile seri bir Ra direncidir; dolayısıyla V = E + Ia·Ra. Zıt EMK hızla birlikte artar, E = k·ω; tork ise akımla artar, T = k·Ia. 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·Ia = T·ω’dır; giriş gücü V·Ia’dir ve aradaki farkı Ia²Ra bakır kaybı ile dönme kayıpları oluşturur. Hız, torkla doğrusal olarak düşer: ω = V/k − Ra·T/k²; yüksüz hız V/k’dan başlayıp k·V/Ra durma torkunda sıfıra iner. Duruşta E = 0’dır; bu yüzden bir direnç sınırlamadıkça yol alma akımı V/Ra büyüktür.

rad/s cinsinden hız

ω = 2π·1500/60 = 157,1 rad/s

Tork

T = P/ω = 3000/157,1 = 19,1 N·m

Cevap

T = 19,1 N·m
10.DC motorlar

Cevap: V = 9,027 V

DC motor: endüvi, zıt EMK E ile seri bir Ra direncidir; dolayısıyla V = E + Ia·Ra. Zıt EMK hızla birlikte artar, E = k·ω; tork ise akımla artar, T = k·Ia. 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·Ia = T·ω’dır; giriş gücü V·Ia’dir ve aradaki farkı Ia²Ra bakır kaybı ile dönme kayıpları oluşturur. Hız, torkla doğrusal olarak düşer: ω = V/k − Ra·T/k²; yüksüz hız V/k’dan başlayıp k·V/Ra durma torkunda sıfıra iner. Duruşta E = 0’dır; bu yüzden bir direnç sınırlamadıkça yol alma akımı V/Ra büyüktür.

Zıt EMK

E = 0,12·41,89 = 5,027 V

Endüvi akımı

Ia = 0,48/0,12 = 4 A

Endüvi gerilimi

V = 5,027 + 4·1 = 9,027 V

Cevap

V = 9,027 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-systems