درسنامه آموزشی عرضه تخصصی قطعات الکتریکی و الکترونیکی کلاس دهم الکترونیک
پودمان 4: توان و ضریب توان
واحد یادگیری 5: شایستگی کار با دستگاههای اندازهگیری برای تعیین توان و ضریب توان
آیا تا به حال پیبردهاید:
- توان و انرژی و صرفهجویی در مصرف آن از چه اهمیتی برخوردار است؟
- استفاده از انرژیهای نوین مانند انرژی خورشیدی در میزان مصرف و حفظ محیط زیست و منابع زیر زمینی چه نقشی دارد؟
- آیا در انتخاب یک دستگاه الکتریکی و الکترونیکی باید به برچسب انرژی توجه شود؟
- در مراکز صنعتی، ضریب توان و اصلاح آن چقدر اهمیت دارد؟
- از چه نرمافزارهای رایانهای و اندرویدی برای اندازهگیری توان و ضریب توان میتوان استفادهکرد؟
- چه دستگاههایی توان و ضریب توان را نشان میدهند و توانایی خواندن کاتالوگ این دستگاهها چقدر مهم است؟
با عبور جریان از یک مدار شامل مقاومت، انرژی الکتریکی باتری به نوع دیگر انرژی مانند گرما تبدیل میشود. یکی از مسائل عمده و پیچیده در عصر حاضر موضوع صرفهجویی در انرژی است که براساس توان مصرفی دستگاه تعیین میشود. در صورتی که با توان الکتریکی آشنایی داشته باشیم، به آسانی میتوانیم دستگاه مناسب را انتخاب و به حفظ محیطزیست کمک کنیم. دستگاههای پرمصرف و کمبازده موجب اتلاف توان و ازدیاد هزینه و آسیب به محیطزیست میشوند. از این رو دستگاههای الکتریکی را با برچسب انرژی دستهبندی میکنند. در این واحد یادگیری، توان، انواع توان (DC و AC)، ضریب توان و چگونگی اصلاح ضریب توان را شرح میدهیم، همچنین با استفاده از مولتیمتر، ضمن رعایت نکات ایمنی، با اندازهگیری جریان و ولتاژ، مقدار توان را محاسبه میکنیم. سپس با استفاده از نرمافزارهای مرتبط، به اندازهگیری توان و محاسبه ضریب قدرت میپردازیم. در مراحل انجام کار، توجه به مهارتهای غیرفنی مانند محاسبه، خلاقیت، مدیریت منابع، مدیریت کار و کیفیت، ارتباط مؤثر، کار تیمی، کاربرد فناوری و رعایت اخلاق حرفهای و سایر مواردی که با موضوع مرتبط بوده و از اهمیت خاصی برخوردار است، مطرح خواهد شد.
استاندارد عملکرد:
اندازهگیری توان و ضریب توان با مولتیمتر با تولرانس حداکثر 10 درصد و اجرای کار به صورت نرمافزاری
مواد، ابزار و تجهیزات مورد نیاز واحدیادگیری
ابزار عمومی برق یا الکترونیک، لوازمالتحریر، منبعتغذیه، مولتیمتر، اسیلوسکوپ، رایانه و نرمافزارهای مناسب
پژوهش (صفحه 157 کتاب درسی)
درباره برچسب انرژی تحقیق کنید. برچسب انواع دستگاههای الکتریکی موجود در منزل خود را شناسایی کنید و نتایج را به کلاس ارائه دهید.
انرژی الکتریکی مصرفی در یک مقاومت
هنگام عبور جریان از یک مقاومت، دمای آن افزایش مییابد. انرژی دریافتی از منبع در مقاومت به انرژی گرمایی تبدیل میشود. انرژی گرمایی به عوامل زیر بستگی دارد.
1- مقدار مقاومت الکتریکی $(R)$
2- مجذور شدت جریان عبوری از مقاومت $({I^2})$
3- مدت زمان عبور جریان از مقاومت $(t)$
انرژی الکتریکی مصرفی در مقاومت را با $W$ نشان میدهند. $W$ از رابطه $W = R.{I^2}.t$ بهدست میآید. اگر $R$ بر حسب اهم، $I$ برحسب آمپر و $t$ برحسب ثانیه باشد، یکای انرژی $(W)$ برحسب ژول $(J)$ است.
توان الکتریکی در جریان DC Electrical Power)-DC)
آهنگ تبدیل انرژی الکتریکی به نوع دیگر انرژی مانند انرژی گرمایی در مقاومت را توان الکتریکی گویند. آهنگ مصرف انرژی همان سرعت تبدیل انرژی است که به مقدار انرژی مصرف شده در مدت یک ثانیه گفته میشود. پس نتیجه میگیریم که:
$P = \frac{W}{t}$ نسبت انرژی الکتریکی مصرف شده به مدت زمان مصرف انرژی$ = $ توان الکتریکی
$ = \frac{W}{t} = \frac{{R{I^2}t}}{t} = R{I^2}$ توان الکتریکی
یکای توان ژول بر ثانیه $(\frac{J}{S})$ یا وات است. در مقادیر بالاتر، از کیلووات و مگاوات استفاده میشود. در شکل الف 1-5 ژنراتور با وات کم و در شکل ب 1-5 نیروگاه با توان تولیدی بالا را مشاهده میکنید.
فکر کنید (صفحه 158 کتاب درسی)
بهطور متوسط میزان انرژی تولیدشده توسط بدن انسان به ازای هر کیلوگرم، چند وات است؟
پژوهش (صفحه 158 کتاب درسی)
در مورد خورشید و انرژی تولیدی توسط آن و موارد مطرح شده در زیر پژوهش کنید و نتایج پژوهش را به کلاس ارائه دهید. (شکل 2-5)
1- عمر خورشید چند میلیارد سال است؟
2- دمای سطح و مرکز خورشید چقدر است؟
3- چه فعل و انفعالاتی در مرکز خورشید انجام میگیرد که انرژی آن به نور و گرما تبدیل میشود؟
4- خورشید در هر ثانیه چند تن مواد را به انرژی تبدیل میکند؟
5- این میزان انرژی تولید شده توسط خورشید در هر ثانیه چند وات است؟
6- این سوخت تا چند میلیارد سال دیگر ادامه دارد؟
7- میزان انرژی که هر منطقه مستقیماً تحت تأثیر تابش نور خورشید دریافت میکند چند وات به ازای هر مترمربع است؟
رابطههای توان
نمودار 1-5 چگونگی به دست آوردن دو رابطه دیگر توان الکتریکی را نشان میدهد. توان الکتریکی را با واحد دیگری به نام «اسب بخار» (Horse Power = hp) نیز بیان میکنند. این واحد در سیستمهای انگلیسی و آمریکایی به صورت زیر تعریف شده است.
$1hp = 736w$ (یک اسب بخار در سیستم انگلیسی)
$1hp = 746w$ (یک اسب بخار در سیستم آمریکایی)
مقدار توان و انرژی مصرفی یک موتور الکتریکی مانند شکل 3-5 با قدرت 2 اسببخار (انگلیسی) که در شبکه 220 ولتی به مدت 20 دقیقه کار میکند را حساب کنید.
حل:
$P = 2hp = 2 \times 736 = 1472W$
ثانیه $ \Rightarrow t = 20 \times 60 = 1200$دقیقه$t = 20$
ژول $W = P \times t = 1472 \times 1200 = 1766400$
پژوهش (صفحه 158 کتاب درسی)
درباره برچسب انرژی و درجهبندیهای آن تحقیق کنید و نتیجه را به کلاس ارائه دهید.
مثال 2:
روی لامپی مانند شکل 4-5 نوشته شدهاست. 6 ولت 3 وات، اگر لامپ با مقادیر نامی خود کار کند، جریان مصرفی و مقاومت لامپ را بهدست آورید.
حل: در فرمول توان عددگذاری میکنیم و جریان را بهدست میآوریم.
$P = V \times I \Rightarrow I = \frac{P}{V}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,I = ....... = ..../....A$
$I = \frac{3}{6} = 0/5A$
$P = \frac{{{V^2}}}{R} \Rightarrow R = \frac{{{V^2}}}{P} = .... = ...\Omega $
$R = \frac{{{6^2}}}{2} \Rightarrow R = 12\Omega $
الگوی پرسش (صفحه 159 کتاب درسی)
آیا میتوانیم دو لامپ با توان مختلف و ولتاژ کار مساوی را با هم سری کنیم و ولتاژی دوبرابر ولتاژ نامی هر لامپ به مدار بدهیم؟
آیا عبور جریان بیش از اندازه سبب سوختن قطعات الکترونیکی برد شکل 5-5 شدهاست؟ همیشه باید به حداکثر جریان مجاز عبوری از قطعات توجه کنید.
پژوهش (صفحه 159 کتاب درسی)
پژوهشهای زیر را انجام دهید و به کلاس ارائه کنید.
1- الف) حداکثر ولتاژی که لامپ مثال 2 میتواند تحمل کند چند ولت است؟
ب) در صورتی که به این لامپ ولتاژ بیشتر یا کمتر اعمال شود چه اتفاقی برای لامپ میافتد؟ نتیجه تحقیق را به کلاس ارائه دهید.
2- اگر یک لامپ 12 وات، 6 ولت و یک لامپ 6 وات، 6 ولت را مطابق شکل 6-5 با هم سری کنیم:
الف) هر لامپ چه مقاومتی دارد؟
ب) اگر کلید را وصل کنیم چه اتفاقی میافتد؟ با محاسبه استدلال کنید و نتیجه تحقیق را به کلاس ارائه دهید.
3- درباره موارد زیر که با سلولهای خورشیدی (SolarCells) مانند شکل 7-5 مرتبط است، پژوهش کنید و نتایج را به کلاس ارائه نمایید. ساختمان سلولهای خورشیدی فناوریهای ساخت انواع آن آیا میتوان انرژی مصرفی مورد نیاز منزل خود را توسط سلولهای خورشیدی تأمین کرد؟
بارش فکری (صفحه 160 کتاب درسی)
در ارتباط با موارد زیر که مربوط به کولر گازی است، با سایر هنرجویان بحث کنید و نظرات هر یک را روی تابلوی کلاس بنویسید، سپس مطالب را جمعبندی کنید.
1- آیا گاز داخل کولرگازی قدیمی و جدید برای محیطزیست مضر است؟
2- در کولر گازی مدرن از چه روشی برای کاهش مصرف انرژی استفاده میکنند؟
3- چه رابطهای بین ابعاد اتاق و قدرت کولرگازی وجود دارد؟
4- آیا برای مناطق مختلف آب و هوایی (مناطق گرمسیر، معتدل و سردسیر) انواع متفاوتی از کولر وجود دارد؟ رعایت انتخاب یک دستگاه مناسب به کدام شایستگی غیرفنی اشاره دارد؟
پژوهش (صفحه 160 کتاب درسی)
با توجه به رابطه توان $P = R.{I^2}$ اگر $R$ برابر صفر شود، توان تلفاتی صفر میشود. این پدیده در ابر رساناها (Superconductor) بهوجود میآید. در ارتباط با موارد زیر که مربوط به ابر رساناها میباشد، تحقیق کنید و نتیجه را به کلاس ارائه دهید.
- تاریخچه کار روی تولید مواد با خاصیت ابررسانایی
- چه عناصری و در چه شرایطی به ابررسانا تبدیل میشوند؟
- ابررساناها چه خواصی دارند؟
- ابررساناها در صنعت برق و انرژی چه تحولی میتوانند ایجاد کنند؟
- سایر موارد کاربرد ابررساناچیست؟
- یک آهنربا با استفاده از خاصیت ابررسانا در شکل 8-5 نشانداده شده است از این خاصیت در صنعت چه استفادهای میشود؟ نتیجه پژوهش را به کلاس ارائه کنید.
مراحل اجرای کار
2- ارتفاع میز و صندلی بهگونهای باشد که بالای نمایشگر تقریباً در راستای چشمان شما قرارگیرد.
3- همواره نمایشگر و صفحه کلید کاملاً روبهروی شما قرار گیرد.
4- به ازای هر 45 دقیقه کار با رایانه، بدن شما نیاز به 5 دقیقه نرمش دارد.
فکر کنید (صفحه 161 کتاب درسی)
5- شکل 9-5 چه پیامهایی برای شما دارد؟ به آن فکر کنید و همواره به آنها عمل کنید.
6- نرمافزار ادیسون را راهاندازی کنید.
7- مدار شکل الف- 10-5 را با استفاده از نرمافزار ببندید. در شکل ب- 10-5 نقشه فنی مدار رسم شده است.
8- مقدار مقاومت الکتریکی و توانمصرفی را با استفاده از مقادیر اندازهگیری شده محاسبه کنید.
$R = ..............\Omega $
$P = ..............W$
9- آیا میتوانید با داشتن مقدار جریان عبوری از یک مقاومت و ولتاژ دو سر آن، توان مصرفشده در مقاومت را به دست آورید؟ این تجربه را در مورد مدار شکل 10-5 اجرا کنید و بطور کامل توضیح دهید.
10- مدار شکل 11-5 را ببندید.
11- کلید مدار را وصلکنید و توان مقاومت 2200 اهمی را با استفاده از مقادیر اندازهگیری شده به دست آورید.
${V_{R1}} = ...............V$
$I = ...............mA$
${P_{R1}} = V \times I = ............... = ...............mW$
12- آیا میتوانید توان مصرفی مقاومتهای دیگر را به دست آورید؟ تجربه کنید و نتایج را بنویسید.
${P_{R2}} = V \times I = ............... = ...............mW$
${P_{R3}} = V \times I = ............... = ...............mW$
13- مدار شکل 12-5 را ببندید. مقدار ولتاژ و توان لامپ را مطابق شکل 13-5 تنظیمکنید، کلید مدار را وصلکنید.
14- با استفاده از مقادیر اندازهگیری شده توسط آمپرمتر و ولتمتر توان الکتریکی لامپ را به دست آورید.
${P_{Lamp}} = ............. = .............mW$
15- اگر توان مجاز مصرفی لامپ را با استفاده از تنظیمهای موجود در قسمت مشخصات آن کاهش دهیم یا ولتاژ نامی لامپ را افزایش دهیم، چه اتفاقی میافتد؟ مدار شکل 14-5 این وضعیت را نشان میدهد. در این مدار ولتاژ نامی لامپ را از 4/5 ولت به 7/5 ولت افزایش دادهایم.
16- چرا با افزایش ولتاژ کار لامپ در مدار شکل 14-5 نور لامپ کمتر شده است؟ توضیح دهید.
17- در مدار شکل 15-5 توان لامپ را افزایش دادهایم. در این مدار توان لامپ 10 وات است. چرا جریان مصرفی صفر شده و فیوز سوخته است؟ در شکل الف- 15-5 مدار عملی و در شکل ب- 15-5 نقشه فنی مدار را مشاهده میکنید.
18- در شکل الف- 16-5 مشخصات لامپ و در شکل ب- 16-5 مشخصات فیوز مدار را مشاهده میکنید با توجه به این مشخصات آیا لامپ میسوزد؟ شرح دهید.
19- با استفاده از رابطه $I = \frac{P}{V}$ جریان مدار را محاسبه کنید و سپس مشخصات فیوز را به مقدار مناسب تغییر دهید و پس از تعمیر فیوز با استفاده از گزینه Repair، کلید را روشن کنید. باید طبق شکل 17-5 لامپ روشن شود و جریان عبوری از مدار حدود 2/2 آمپر باشد.
20- توان لامپ را با استفاده از فرمول به دست آورید.
$P = v.i = (.........).(.........) = .........W$
مراحل اجرای کار
سؤال ایمنی (صفحه 164 کتاب درسی)
1- برای اتصال نقاط مختلف بِرِدبُرد به یکدیگر، از سیم مخصوص آن استفاده کنید. اگر از سیم نامناسب و ضخیم استفاده شود، چه اشکالی به وجود میآید؟ شرح دهید.
2- مدار شکل 19-5 را روی بِرِدبُرد ببندید.
3- منبع تغذیه را روی 10 ولت تنظیم کنید.
4- فرض کنید کلید مدار بسته است. جریان عبوری از مدار را با استفاده از قانون اهم محاسبهکنید. $I = \frac{V}{R} = .......mA$
5- توان تلفشده در مقاومت را محاسبه کنید.
$P = v.i = (........).(........)$
$P = .............mA$
6- کلید مدار را ببندید.
سؤال ایمنی (صفحه 164 کتاب درسی)
هنگام اندازهگیری ولتاژ و جریان باید به حوزه کار (رنج - RANGE) دستگاه دقتکنید و آمپرمتر را به صورت سری در مدار قرار دهید، در صورتی که حوزهٔ کار ولتمتر یا آمپرمتر کمتر از حد مورد اندازهگیری باشد، یا در اندازهگیری جریان زیاد، از ترمینال و سیم مخصوص استفاده نشود، چه اتفاقی رخ میدهد؟ چرا به دستگاه شکل 20-5 آسیب وارد شده است؟ احتماًلات ممکن را بررسی کنید.
7- آمپرمتر را مطابق شکل 21-5 به مدار وصل کنید و جریان مدار را اندازه بگیرید. $I = ...........mA$
8- ولتاژ دو سر مقاومت را اندازه بگیرید.
ولت $V = .............$
9- توان تلف شده در مقاومت را محاسبه کنید.
$P = v.i = (.........).(.........) = .........mW$
10- توان به دست آمده را با توان محاسبه شده در مرحله 4 مقایسه کنید. در صورت اختلاف، علت را توضیح دهید.
11- مقدار مقاومت را تغییر داده و مقاومت 100 اهم را در مدار قرار دهید. (شکل 22-5)
12- جریان عبوری از مدار و ولتاژ دو سر مقاومت را اندازه بگیرید.
$V = ...........V$ ، $I = ...........mA$
13- توان تلف شده در مقاومت را محاسبه کنید.
$P = v.i = (.........).(.........) = .........mW$
14- مقاومت را با دست لمس کنید. آیا توان تلف شده را به صورت گرما احساس میکنید؟ شرح دهید.
الگوی پرسش (صفحه 165 کتاب درسی)
1- توان را تعریف کنید و واحد آن را بنویسید.
2- واحد توان نسبت ژول بر ثانیه $(\frac{J}{S})$ یا وات است. صحیح / غلط
3- فرمولهای توان تلف شده در مقاومت را کامل کنید.
$P = (.......) \times (I) = (.....) \times {(.....)^2} = \frac{{}}{R}$
4- در رابطه $P = \frac{{{V^2}}}{R}$ اگر مقاومت مدار ثابت باشد و مقدار ولتاژ را دو برابر کنیم، توان چند برابر میشود؟
1) 2
2) 4
3) $\frac{1}{4}$
4) $\frac{1}{2}$
5- در رابطه $P = \frac{{{V^2}}}{R}$ اگر مقاومت مدار نصف شود و مقدار ولتاژ را چهار برابر کنیم، توان چند برابر میشود؟
1) 4
2) 8
3) 16
4) 32
6- اگر مقاومت کربنی دارای توان ماکزیمم مجاز 2 وات و مقدار مقاومت 100 اهم باشد، حداکثر جریانی که بدون آسیب میتوان از مقاومت عبور داد را محاسبه کنید.
7- روی حباب یک لامپ رشتهای مانند شکل 23-5 دو عدد یکی بر حسب ولت و دیگری بر حسب وات نوشته شده است، (12 ولت، 6 وات). اگر لامپ با مقادیر اسمی (نامی) خود کار کند.
الف) جریان عبوری از لامپ را محاسبه کنید.
ب) مقدار مقاومت لامپ را محاسبه کنید.
8- توان چند نمونه وسائل الکتریکی منزل خود را از روی پلاک اطلاعات آن یا از طریق پرسش از اشخاص مطلع یا کاتالوگ دستگاه پیدا کنید و یادداشت نمایید.
9- یک موتور الکتریکی دارای قدرت $\frac{4}{5}hp$ است. در سیستم انگلیسی و آمریکایی توان این موتور چند وات است؟
10- جعبه یک لامپ کممصرف $LED$ را در اختیار بگیرید و مشخصات زیر را که روی آن نوشته شده است یادداشت کنید.
الف) توان مصرفی
ب) ولتاژ ورودی
پ) جریان ورودی
ت) فرکانس کار
ث) محدوده دمای کارکرد
ج) طول عمر به ساعت
11- قطعات روی برد مانند شکل 24-5 دچار آسیب شده است. عوامل الکتریکی که ممکن است علت ایجاد این آسیب باشد را نام ببرید و درباره آن توضیح دهید.
مدارهای جریان متناوب
الف) مدارهای اهمی خالص:
مدارهایی مانند شکل 25-5 را که شامل مولد و مقاومت اهمی است، مدارهایی با مصرفکننده «اهمی خالص» گویند. در این نوع مدارها هیچ گونه اختلاف فازی بین ولتاژ و جریان وجود ندارد و تغییرات شکل موج ولتاژ و جریان با زمان مشابه است به عبارت دیگر هر دو شکل موج با هم در یک نقطه به حداقل، حداکثر و صفر میرسند.
ب) توان در مدار با مصرفکننده اهمی خالص:
همانطوری که میدانید توان از رابطه $P = V.I$ بهدست میآید. شکل موجهای ولتاژ، جریان و توان این مدارها را در شکل 26-5 مشاهده میکنید. این توان که به صورت حرارت در مقاومت تلف میشود، توانمصرفی یا توان مؤثر نام دارد و آن را با علامت $P$ یا ${P_e}$ نشان میدهند. واحد توان مؤثر وات است. در محاسبات مدارهای جریان متناوب لازم است مقادیر مؤثر ولتاژ و جریان در نظر گرفته شود تا توان برحسب وات به دست آید. رابطه توانمصرفی در این مدار برابر است با:
$P = \frac{{V{e^2}}}{R}$ یا $P = R.{I^2}e$ یا $P = Ve.Ie$
جستجو کنید (صفحه 167 کتاب درسی)
کلمه Synchronization یا همزمانی را بیابید. این مفهوم با شکل موج جریان، ولتاژ در مدار با مصرفکننده اهمی شکل 26-5 چه ارتباطی میتواند داشته باشد؟ تشریح کنید.
توان مؤثر (توان حقیقی) از منبع به مصرفکننده (بار) منتقل میشود. این توان کار مفید انجام میدهد. به عبارتی دیگر انرژی گرفته شده از منبع را به شکل مطلوب انرژی که ممکن است مکانیکی یا گرمایی باشد، تبدیل میکند. لذا میتوان گفت که این توان در طول یک دوره تناوب یکطرفه (یک سویه) و از سمت منبع به بار منتقل میشود. همچنین انرژی حاصل از این توان معمولاً از حالت الکتریکی خارج شده و به نوع دیگر انرژی مانند نور، صدا، حرکت یا حرارت تبدیل میشود. در شکل 27-5 بخاری برقی، لامپ و بلندگو را مشاهده می کنید. که در آنها انرژی الکتریکی به انرژی حرارتی، نورانی و صوت تبدیل میشود.
اگر ولتاژی با مقدار ماکزیمم (بیشینه) 12 ولت مانند شکل 28-5 را به یک مقاومت اهمی اتصال دهیم، در این حالت جریان بیشینهای برابر با 3 آمپر مطابق شکل 5-29 از مدار عبور میکند. توانمصرفی مقاومت را حساب کنید.
حل:
وات $P = {V_{e.}}{I_e} = \frac{{{V_m}}}{{\sqrt 2 }} \times \frac{{{I_m}}}{{\sqrt 2 }} = \frac{{12}}{{\sqrt 2 }} \times \frac{3}{{\sqrt 2 }} = \frac{{36}}{2} = 18$
ب) مدارهای خازنی خالص:
مدارهایی مانند شکل 30-5 که در آنها فقط از خازن استفاده شود را مدارهای «خازنی خالص» میگویند. در این مدار به خاطر وجود خاصیت خازنی، بین ولتاژ و جریان مدار 90 درجه اختلاف فاز به وجود میآید. این اختلاف فاز به گونهای است که در لحظاتی که جریان یا ولتاژ صفر است مقدارتوان به صفر میرسد. در زمانهایی که ولتاژ یا جریان منفی است توان نیز منفی میشود. توان منفی یا مثبت بهاین معنی است که در بازه زمانی معین الکتریکی در خود ذخیره میکند و در زمانی دیگر به مولد بازمیگرداند. به عبارت دیگر خازن، توانی را مصرف خازن مقداری انرژی از مولد میگیرد و بهصورت میدان نمیکند. شکل 31-5 منحنیهای ولتاژ، جریان و توان را در مدار خازنی خالص نشان میدهد.
الگوی پرسش (صفحه 168 کتاب درسی)
1- در مدار خازنی خالص بین ولتاژ و جریان مدار ........................ درجه اختلاف فاز وجود دارد و جریان نسبت به ولتاژ ........................ فاز دارد.
2- عملکرد خازن در مدار جریان متناوب به این صورت است که از مولد انرژی میگیرد ...................
1) مصرف میکند
2) به حرارت تبدیل میکند
3) در خود ذخیره میکند
4) در خود ذخیره سپس به مدار بر میگرداند
پ) مدارهای سلفی خالص:
مدارهایی مانند شکل 32-5 که فقط از سیمپیچ (سلف) تشکیل شدهاند را مدار سلفی خالص گویند. سلف باعث میشود تا جریان به اندازه 90 درجه از ولتاژ عقب (پس فاز) بیفتد. در شکل 33-5 منحنی ولتاژ، جریان و توان را در مدار سلفی خالص مشاهده میکنید.
خاصیت سلفی (اندوکتانس) یک سیم پیچ را با حرف L نشان میدهند و آن را بر حسب هانری (H) میسنجند. سلف از نظر توان مشابه خازن است با این تفاوت که انرژی را به میدان مغناطیسی تبدیل میکند. در مدار سلفی مقدار انرژی دریافت شده و داده شده به مولد در هر سیکل برابر است به عبارت دیگر سلف در بازه زمانی معین، انرژی را از مولد میگیرد و سپس انرژی را به مولد پس میدهد. در واقع عملاً سلف در مدار متناوب توانی را مصرف نمیکند.
بحث کنید (صفحه 169 کتاب درسی)
وجود خازن و سیمپیچ چه نوع اختلالی در شبکه بهوجود میآورند؟ نتیجه را در کلاس ارائه دهید.
توان راکتیو (غیر موثر- دواته)
توانی که در طی یک سیکل در سلف یا خازن ذخیره میشود و مجدداً به مدار بر میگردد، توان غیر مؤثر (دواته یا راکتیو) نام دارد. این توان مرتباً بین منبع و سلف و خازن جابهجا شده و نقشی در تبدیل انرژی ندارد ولی در خط انتقال موجب تلفات میشود. ذخیره انرژی در سلف و خازن و برگشت انرژی به مولد، باعث گرم شدن سیمهای رابط شده و انرژی تولید شده توسط نیر وگاه را به هدر میدهد. لذا سیمهای رابط و هادیها باید طوری محاسبه شوند که بتوانند جریان کل را تحمل کنند. این جریان شامل جریانهای مربوط به توان مفید و غیرمفید است.
توان ظاهری
معمولاً بارهای عملی (واقعی) مجموعهای از مقاومت، سلف و خازن هستند، بنابراین د راین نوع عناصر هر دو نوع توان مفید و غیرمفید (راکتیو) وجود دارد. برآیند این دو نوع توان، توان ظاهری نام دارد که آن را با $Ps$ یا $S$ نشان میدهند. $Ps$ از حاصلضرب ولتاژ مؤثر در جریان مؤثر بهدست میآید. واحد توان ظاهری ولتآمپر $(V.A)$ است.
$Ps = {V_e} = {I_e}$
فکر کنید (صفحه 169 کتاب درسی)
آیا میتوان توان اکتیو (مؤثر) را به مسافری تشبیه نمود که در مبدأ سوار قطار شده و در مقصد پیاده میشود ولی توان راکتیو مسافریست که در انتهای مسیر پیاده نمیشود و دوباره با قطار به مبدأ بر میگردد؟
در مدار شکل 34-5، مقدار توان ظاهری را محاسبه کنید.
پاسخ: مدار معادل بار عملی (واقعی) است که شامل مقاومت، سلف و خازن است.
با معلوم بودن جریان مدار و عدد گذاری در رابطه زیر توان ظاهری به دست میآید.
${P_s} = {V_e}.{I_e} = 10 \times (6/874) = 68/74mvA$
بحث گروهی (صفحه 169 کتاب درسی)
در صورتی که مانند بند الف 7-5، مدار فقط مقاومتی باشد، توان ظاهری با توان مفید برابر میشود. چرا؟ موضوع را به بحث بگذارید و نتیجهگیری کنید.
ضریب توان (Power Factor)
نسبت توان مؤثر (توان واقعی ${P_e}$) به توان ظاهری $({P_s})$ را ضریب توان میگویند.
$ = \frac{{Pe}}{{Ps}}$نسبت توانواقعی به توانظاهری$ = \cos \varphi = $ضریب توان
مقدار این ضریب میتواند بین صفر و یک تغییر کند. ضریب توان را با کسینوس فی $(\cos \varphi )$ نشان میدهند. وجود توان راکتیو در مدار سبب میشود که توان واقعی از توان ظاهری کمتر شود. به این ترتیب ضریب توان مقداری کمتر از عدد یک را به خود میگیرد. برای دو سیستم انتقال با توان حقیقی یکسان، سیستمی که ضریب توان کوچکتر دارد، به علت دارا بودن توان راکتیو بالاتر، جریان گردشی بیشتری را در مدار ایجاد میکند، زیرا باید انرژی راکتیو (توان راکتیو) بیشتری را به منبع برگرداند. بنابراین جریان بیشتر سبب تلفات توان بیشتر میشود و راندمان مدار را کاهش میدهد. در حالی که سیستم با ضریب توان بزرگتر ($\cos \varphi $ نزدیک 1) تلفات کمتری در مدار ایجاد میکند.
از این رو ضریب توان به عنوان شاخص و معیاری است که بیان میکند چه سهمی از توان دریافت شده از منبع در امر تبدیل انرژی مفید حضور دارد و کار مفید انجام میدهد. لذا اصلاح ضریب قدرت $(\cos \varphi )$ در صنعت برق و انتقال انرژی اهمیت فوق العادهای دارد. اصلاح ضریب قدرت را به اختصار با نماد (Power Factor Correction) PFC نشان میدهند. از آنجاییکه هدف از اصلاح ضریب توان نزدیککردن این ضریب به عدد یک است و بار مدار همواره ثابت بوده و قابل تغییر توسط کاربر نیست، لذا برای اصلاح ضریب قدرت باید با توجه به بار موجود در شبکه از بار راکتیو مخالف آن استفاده شود.
برای مثال اگر بار مدار یک موتور الکتریکی باشد جریان موتور دارای خاصیت القایی است، باید برای اصلاح ضریب قدرت از اتصال خازن به مدار استفاده شود. شکل 35-5 موتور الکتریکی که به دلیل داشتن سیمپیچ دارای بار القایی است را نشان میدهد. اصلاح ضریب قدرت در طول خطوط انتقال انرژی و در پستهای تبدیل ولتاژ با استفاده از مدارهای الکترونیکی انجام میشود. فرایند اصلاح در مراکز مصرف به ویژه در واحدهای صنعتی نیز اجرا میشود، زیرا علاوه بر کاهش هزینههای مصرفی مربوط به انتقال انرژی (کابل)، تجهیزات مولد انرژی را نیز کاهش میدهد. در این مراکز از مجموعهای از خازنها (بانک خازنی) که به مدار کنترل خودکار الکترونیک اصلاح ضریب قدرت (رگولاتور خازنی) اتصال دارد، استفاده میکنند. در شکل 36-5 بانک خازنی و در شکل 37-5 دستگاه کنترل الکترونیکی ضریب قدرت را ملاحظه میکنید.
الگوی پرسش (صفحه 171 کتاب درسی)
1- در شکل 38-5 منحنی A مربوط به .................... و منحنی B مربوط به .................... در یک مدار سلفی خالص است.
2- ولتاژ در یک مدار سلفی خالص نسبت به جریان از نظر زاویه اختلاففاز چه شرایطی دارد؟
1) 90 درجه پس فاز
2) 90 درجه پیش فاز
3) هم فاز
4) صفر تا 90 درجه پیش فاز
3- توانی که بهوسیله منبع AC تولید و به مداری شامل سه عنصرمقاومت و سلف یا مقاومت و خازن متصل میشود توان ................... نام دارد.
1) ظاهری $({P_s})$
2) اکتیو $({P_e})$
3) راکتیو $({P_d})$
فکر کنید (صفحه 171 کتاب درسی)
در صورتی که در یک مدار بارهای القایی و خازنی داشته باشیم، آیا میتوانیم رفتار آنها را مشابه رفتار نیروها در کشش طناب در مسابقه طنابکشی مانند شکل 39-5 بدانیم که دو گروه دو نیروی مخالف به هم وارد میکنند؟
مثال 6:
در مدار شکل 40-5 مطلوب است محاسبه:
1) توان ظاهری
2) توان مؤثر
3) ضریب توان
${P_s} = {V_e}.{I_e} = 10 \times 2 = 20VA$
${P_e} = R.{I_e}^2 = 4 \times {2^2} = 16W$
$ = \frac{{{P_e}}}{{{P_s}}} = \frac{{16}}{{20}} = 0/8$ نسبت توانواقعی به توانظاهری $\cos \varphi = $
مثال 7:
در مدار شکل 41-5 مقدار R افزایش یافته ولی مشخصات سیمپیچ ثابت است. مطلوب است محاسبه:
1) توان ظاهری
2) توان مؤثر
3) ضریب توان
${P_s} = {V_e}.{I_e} = 10 \times 1/5 = 15VA$
${P_e} = R./{e^2} = 6 \times {(1/5)^2} = 13/5W$
$\frac{{{P_e}}}{{{P_s}}} = \frac{{13/5}}{{15}} = 0/9$نسبت توانواقعی به توانظاهری$\cos \varphi = $
مثال 8:
در مدار شکل 42-5 مقدار مقاومت ثابت و 4 اهم است ولی مشخصات سیمپیچ تغییر نموده است. مطلوب است محاسبه:
1) توان ظاهری
2) توان مؤثر
3) ضریب توان
${P_s} = {V_e}.{I_e}\,\,\,10 \times 2/2 = 22\,WA$
${P_e} = R.{I^2}4 \times {(2/2)^2} = 19/36W$
$ = \frac{{{P_e}}}{{{P_s}}} = \frac{{19/36}}{{22}} = 0/88$نسبت توانواقعی به توانظاهری$\cos \varphi = $
اکنون به مثالی از مدار خازنی توجه کنید.
مثال 9:
در مدار شکل 43-5 آمپرمتر جریان مدار را نشان میدهد. مطلوب است محاسبه:
1) توان ظاهری
2) توان مؤثر
3) ضریب توان
${P_s} = {V_e}.{I_e} = 5 \times 3/55 = 17/75mva$
${P_e} = R.{I_e}^2 = 1 \times {(3/55)^2} = 12/6mW$
$ = \frac{{{P_e}}}{{{P_s}}} = \frac{{12/6}}{{17/75}} = 0/7$نسبت توانواقعی به توانظاهری$\cos \varphi = $
مراحل انجام کار
1- نرمافزار مولتیسیم یا نرمافزار مشابه دیگر را فعال کنید.
2- مدار شکل 44-5 را ببندید.
3- فرکانس منبع را روی 1500 هرتز و مقدار 5 ولت مؤثر تنظیم کنید.
4- آمپرمتر AC را مطابق شکل 45-5 با مدار سری کنید. پس از بستن کلید، جریان مدار را اندازه بگیرید.
${I_e} = ............mA$
5- با ولتمتر AC مانند شکل 46-5 ولتاژ مؤثر دو سر مقاومت را اندازه بگیرید.
${V_{eR}} = .............V$
6- توان مؤثر مدار را محاسبه کنید.
${P_{eR}} = {V_{eR}} \times {I_e}$
$ = (..........) \times (..........) = ..........W$
7- با معلوم بودن ولتاژ مؤثر مدار و جریان مؤثر مدار، توان ظاهری را محاسبه کنید.
${P_s} = {V_e} \times {I_e}$
$ = (..........) \times (..........) = ..........VA$
8- ضریب قدرت را محاسبه کنید.
$\cos \varphi = \frac{{{p_e}}}{{{P_s}}} = $
9- واتمتر را مطابق شکل 47-5 به مدار وصل کنید و توان مؤثر مدار را اندازه بگیرید.
${P_{eR}} = ..............W$
10- آیا توان مؤثر که واتمتر نشا نمیدهد با توان مؤثر محاسبه شده در مرحله 6 یکسان است؟
11- مقاومت مدار را مطابق شکل 48-5 به 2200 اهم تغییر دهید.
12- آمپرمتر را مانند شکل 49-5 با مدار سری کنید و کلید مدار را ببندید و جریان مدار را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
${I_e} = ..............mA$
13- با اندازهگیری ولتاژ دو سر مقاومت توان مؤثر مدار را محاسبه کنید.
${P_e} = {V_{eR}} \times {I_e} = (...........) \times (...........) = ...........W$
14- توان ظاهری مدار را محاسبه کنید.
${P_s} = {V_e} \times {I_e} = (...........) \times (...........) = ...........VA$
15- ضریب قدرت را محاسبه کنید.
$\cos \varphi = \frac{{{p_e}}}{{{P_s}}} = $
16- آیا ضریب قدرت اصلاح شده است؟ شرح دهید.
17- با اتصال واتمتر مطابق شکل 50-5 به مدار و اندازهگیری توان مؤثر و با معلوم بودن توان ظاهری، ضریب قدرت ر ا مجدداً محاسبه کنید. نتیجه را با مرحله 15 مقایسه کنید.
$\cos \varphi = \frac{{{p_e}}}{{{P_s}}} = $
18- واتمتر را مطابق شکل 51-5 به مدار وصل کنید و به توان نشان داده شده توسط واتمتر توجه کنید و عدد آن را با عدد مرحله 14 مقایسه کنید و حاصل مقایسه را یادداشت کنید.
پژوهش (صفحه 175 کتاب درسی)
19- چگونگی اتصال وار متر انبری را برای اندازهگیری توان راکتیو تحقیق کنید و نتایج را به کلاس ارائه دهید.
20- شکل 52-5 پلاک موتوری را نشان میدهد. در مورد اطلاعات درج شده در پلاک موتور و موارد زیر تحقیق کنید و موارد تحقیق را به کلاس ارائه دهید.
الف) ولتاژ کار موتور
ب) جریان مصرفی موتور
پ) ضریب قدرت
ت) تعداد دور در دقیقه
ث) توان مؤثر
ج) آیا این موتور بدون خازن اصلاحکننده ضریبقدرت قابل استفاده است؟
مراحل انجام کار
1- مدار شکل 53-5 را روی بردبرد ببندید.
2- سیگنال ژنراتور را روی ولتاژ 5 ولت مؤثر و فرکانس 1500 هرتز تنظیم کنید.
3- کلید مدار را وصل کنید.
4- ولتاژ دو سر مقاومت را با اسیلوسکوپ اندازه گرفته و سپس مقدار مؤثر آن را محاسبه کنید.
${V_{eR}} = .................V$
5- جریان مدار را محاسبه کنید.
${I_e} = \frac{{{V_R}}}{R} = ..............mA$
6- توانظاهری مدار را محاسبه کنید.
${P_s} = {V_e} \times {I_e} = (..........) \times (..........) = ..........mvA$
7- توان مؤثر مدار را محاسبه کنید.
${P_e} = R \times {I^2}_e = (..........) \times (..........) = ..........mW$
8- ضریب قدرت مدار را محاسبه کنید.
$\cos \varphi = \frac{{{p_e}}}{{{P_s}}} = $
مراحل انجام کار
1- مدار شکل 54-5 را روی بردبرد ببندید.
2- سیگنال ژنراتور را روی 5 ولت مؤثر و فرکانس 1500 هرتز تنظیم کنید.
3- کلید مدار را وصل کنید.
4- ولتاژ دو سر مقاومت را با اسیلوسکوپ اندازه بگیرید و سپس مقدار مؤثر آن را محاسبه کنید.
ولت ${V_{eR}} = .............$
5- جریان مدار را محاسبه کنید.
${I_e} = \frac{{{V_R}}}{R} = (............) = ............mA$
6- توان ظاهری مدار را محاسبه کنید.
${P_s} = {V_e} \times {I_e} = (........) \times (........) = ........mvA$
7- توان مؤثر مدار را محاسبه کنید.
${P_e} = R \times {I^2}_e = (........) \times (........) = ........mW$
8- ضریب قدرت مدار را محاسبه کنید.
$ = \frac{{{P_e}}}{{{P_s}}} = ..............$ نسبت توانواقعی به توانظاهری $\cos \varphi = $
9- آیا ضریب قدرت اصلاح شده است؟ توضیح دهید.
الگوی آزمون نظری پایان واحد کار (صفحه 176 کتاب درسی)
1- یک میکرووات $(\mu w)$ برابر ${10^{ - X}}$ وات است، $x$ کدام گزینه است؟
1) 2
2) 3
3) 6
4) 9
2- در شکل 55-5 که کمیتها مربوط به مدار با خازن خالص است:
منحنی A مربوط به ...............، منحنی B مربوط به ............... و منحنی C مربوط به ............... است.
3- یک لامپ 220 ولت 100 وات را به ولتاژ 110 ولت وصل میکنیم.
الف) جریان عبوری از لامپ را محاسبه کنید.
ب) توان مصرفی لامپ را در این حالت حساب کنید.
پ) با نصف شدن ولتاژ کار لامپ، توان مصرفی نسبت به توان نامی آن چند برابر کم شده است؟
4- روی واتمتر شکل 56-5 دو ترمینال برای جریان قرار دارد که با بار به صورت ............. و دو ترمینال برای ولتاژ قرار دارد که با بار به صورت ....... قرار میگیرد.
5- در واتمتر شکل 56-5 کلید سلکتور آمپر روی عدد 10 آمپر و کلید سلکتور ولتاژ روی عدد 480 ولت قرار دارد، این واتمتر حداکثر چند وات را اندازه میگیرد؟
6- در مدار شکل 57-5 مطلوب است:
الف) توان مؤثر
ب) توان ظاهری
پ) ضریب قدرت
7- اگر توان ظاهری مداری 500VA و توان اکتیو آن 400W باشد، ضریب قدرت مدار چقدر است؟
1) 1/25
2) 0/8
3) 0/75
4) 0/6
8- اگر ضریب قدرت مداری برابر 0/8 و توان حقیقی مدار 1000W باشد توان ظاهری چند ولتآمپر (VA) است؟
9- منحنی شکل 58-5 تغییرات مقدار مقاومت اهمی خالص را در مقابل تغییرات .............. نشان میدهد؟
1) ولتاژ
2) جریان
3) فرکانس
4) توان
10- توان راکتیو (غیر مؤثر) چه اثر نامطلوبی در مدار و شبکه دارد؟ شرح دهید.
11- کدام گزینه واحد توان راکتیو (غیر مؤثر) را بیان میکند؟
1) وات
2) ولت. آمپر
3) وار
4) ژول
12- با توجه به مشخصات مدار شکل 59-5 توانظاهری، توان مؤثر و ضریب قدرت $(\operatorname{Cos} \varphi )$ را محاسبه کنید.
13- اطلاعات زیر را از پلاک موتور شکل 60-5 استخراج کنید.
1- قدرت برحسب اسب بخار
2- ولتاژ کار
3- مقدار جریان
4- تعداد دور در دقیقه
5- فرکانس کار
14- برای اصلاح ضریب قدرت $(\operatorname{Cos} \varphi )$ در یک مدار جریان متناوب $(AC)$ چه روشهایی وجود دارد؟ شرح دهید (بدون تغییر مشخصات منبع $AC$ مانند فرکانس).
الگوی آزمون عملی پایان واحد کار (صفحه 178 کتاب درسی)
1- نرمافزار مولتیسیم را فعال کنید.
2- مدار شکل 61-5 را ببندید.
3- جریان مؤثر مدار را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
${I_e} = ...............mA$
4- توان مؤثر مدار را محاسبه کنید.
${P_e} = ...............mW$
5- واتمتر نرمافزار را روی میز کار آورده و توان مؤثر مدار را اندازه بگیرید.
${P_e} = ...............mW$
6- پاسخ مرحله 5 را با مرحله 4 مقایسه کنید. آیا اختلافی وجود دارد؟ علت را توضیح دهید.
7- توان ظاهری مدار را محاسبه کنید.
${P_S} = {V_e} \times {I_e} = VA$
8- ضریب قدرت مدار را محاسبه کنید.
الگوی آزمون عملی در مدار واقعی پایان واحد کار (صفحه 178 کتاب درسی)
1- مدار شکل 62-5 را روی بردبرد ببندید.
2- کلید مدار را وصل کنید.
3- ولتاژ مؤثر دو سر مقاومت را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
${V_e} = .........V$
4- جریان مؤثر مدار را اندازه بگیرید و یادداشت کنید.
${I_e} = .........mA$
5- توان مؤثر مدار را محاسبه کنید.
${P_e} = .........mW$
6- توان ظاهری مدار را محاسبه کنید.
${P_S} = .........mVA$
7- ضریب قدرت مدار را محاسبه کنید.
$\cos \varphi = ..........$