आधारभूत विद्युत इंजीनियरिंग: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 16 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

श्रेणी में प्रतिरोध: R_eq = R₁ + R₂ + …
समांतर में प्रतिरोध: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
दो समांतर में: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
ओम का नियम: V = I·R
शक्ति: P = V·I = I²R = V²/R

विधि

नेटवर्क के उस सिरे से शुरू करें जो टर्मिनलों से सबसे दूर है।
श्रेणी में प्रतिरोधकों को जोड़कर मिलाएँ, और समांतर में प्रतिरोधकों को 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … से।
हर चरण के बाद परिपथ दोबारा बनाएँ।
तब तक दोहराएँ जब तक टर्मिनलों के बीच एक ही प्रतिरोधक न बचे।

नोडल विश्लेषण

किरचॉफ का धारा नियम: ΣI_in = ΣI_out
शाखा धारा: I = (V_a − V_b)/R
संदर्भ नोड: V_ground = 0

विधि

एक संदर्भ नोड (भू) चुनें और बाकी नोड वोल्टताओं को नाम दें।
हर अज्ञात नोड पर किरखॉफ़ का धारा नियम लिखें: हर शाखा से निकलने वाली धाराएँ प्रवेश करने वाली धाराओं के बराबर होती हैं।
हर शाखा धारा को (V_a − V_b)/R के रूप में व्यक्त करें।
समीकरण निकाय हल करें, फिर आवश्यक कोई भी धारा ज्ञात करें।

थेवेनिन और नॉर्टन

थेवेनिन वोल्टता: V_th = V_{open circuit}
थेवेनिन प्रतिरोध: R_th: सभी स्रोत बंद, a–b से देखा गया
नॉर्टन धारा: I_N = V_th/R_th
लोड धारा: I_L = V_th/(R_th + R_L)
अधिकतम शक्ति स्थानांतरण: R_L = R_th, P_max = V_th²/(4R_th)

विधि

भार हटाएँ और दोनों टर्मिनलों को a और b से चिह्नित करें।
a और b के बीच खुला-परिपथ वोल्टता ज्ञात करें: यही V_th है।
सभी स्वतंत्र स्रोत बंद करें और a–b से दिखने वाला प्रतिरोध ज्ञात करें: यही R_th है।
लोड को समतुल्य परिपथ पर वापस लगाएँ: V_th, R_th के साथ श्रेणी में।
नॉर्टन समतुल्य के लिए रूपांतरित करें: I_N = V_th/R_th, और R_N = R_th समांतर में।

RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

समय स्थिरांक: τ = RC | τ = L/R
अनुक्रिया: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
DC पर संधारित्र: खुला परिपथ; v_C अचानक नहीं बदल सकता
DC पर प्रेरक: शॉर्ट सर्किट; i_L अचानक नहीं बदल सकता
स्थिर अवस्था: t ≈ 5τ

विधि

स्विचिंग के ठीक बाद प्रारंभिक मान ज्ञात करें: संधारित्र की वोल्टता और प्रेरक की धारा अचानक नहीं बदल सकती।
स्विचिंग के बहुत बाद अंतिम मान ज्ञात करें: संधारित्र खुले परिपथ जैसा, प्रेरक लघु परिपथ जैसा व्यवहार करता है।
समय स्थिरांक ज्ञात करें: τ = RC या τ = L/R, संधारित्र या प्रेरक द्वारा देखे गए प्रतिरोध का उपयोग करके।
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ का उपयोग करें।

AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

प्रतिबाधाएँ: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
कोणीय आवृत्ति: ω = 2πf
परिमाण और कोण: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
फेज़र रूप में ओम का नियम: V = I·Z

विधि

आवृत्ति बदलें: ω = 2πf।
हर प्रतिघात ज्ञात करें: X_L = ωL और X_C = 1/(ωC)।
प्रतिबाधाओं को प्रतिरोधकों की तरह जोड़ें, Z = R + jX के साथ।
परिमाण |Z| = √(R² + X²) और कोण φ = atan(X/R) ज्ञात करें, फिर फ़ेज़र के साथ ओम का नियम लगाएँ।

AC शक्ति और शक्ति गुणक

सक्रिय शक्ति: P = V·I·cos φ
प्रतिघाती शक्ति: Q = V·I·sin φ
आभासी शक्ति: S = V·I = √(P² + Q²)
शक्ति गुणांक: pf = cos φ = P/S
सुधार संधारित्र: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(ωV²)

त्रि-फ़ेज़ शक्ति

Y संयोजन: V_L = √3·V_ph, I_L = I_ph
Δ संयोजन: V_L = V_ph, I_L = √3·I_ph
कुल वास्तविक शक्ति: P = √3·V_L·I_L·cos φ = 3·I_ph²·R
आभासी और प्रतिघाती शक्ति: S = √3·V_L·I_L, Q = P·tan φ
सुधार संधारित्र: Q_C = P(tan φ₁ − tan φ₂), C = Q_C/(3ωV²)
प्रत्येक संधारित्र पर वोल्टता: Δ: V_L Y: V_L/√3
मोटर निवेश: P_in = P_out/η

ट्रांसफ़ॉर्मर

फेरों का अनुपात: a = N₁/N₂ = V₁/V₂
धारा अनुपात: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a
निर्धारित धारा: I = S/V
स्थानांतरित प्रतिबाधा: Z₁′ = a²·Z_L
आंशिक भार पर ताम्र हानि: P_cu = x²·P_cu,fl
दक्षता: η = x·S·pf/(x·S·pf + P_core + x²·P_cu,fl)
अधिकतम दक्षता: x = √(P_core/P_cu,fl)

2अभ्यास प्रश्न

1.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम

R₂ से होकर धारा I_R2 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 15 VR₁ = 5 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 10 Ω

I_R2 = A

2.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन

स्रोत द्वारा दी गई धारा I_R1 ज्ञात कीजिए, जो R₁ से होकर बहती है।

V₁ = 15 VR₁ = 30 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 30 ΩR₄ = 4 ΩR₅ = 12 ΩR₆ = 10 Ω

I_R1 = A

3.नोडल विश्लेषणमध्यम

नोडल विश्लेषण से धारा स्रोत I_s द्वारा दी गई शक्ति P_Is ज्ञात कीजिए।

V₁ = 10 VI_s = 2.5 AR₁ = 10 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 20 Ω

P_Is = W

4.नोडल विश्लेषणकठिन

नोडल विश्लेषण से तीर की दिशा में R₂ से होकर धारा I_R2 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 5 VI_s = 1 AV₂ = 9 VR₁ = 5 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 25 ΩR₅ = 4 Ω

I_R2 = A

5.थेवेनिन और नॉर्टनमध्यम

a–b के बीच भार R_L = 20 Ω जुड़ा है। बाकी परिपथ को उसके थेवेनिन समतुल्य से बदलें और भार धारा I_L ज्ञात कीजिए।

V₁ = 10 VR₁ = 2 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 3 ΩR_L = 20 Ω

I_L = A

6.थेवेनिन और नॉर्टनकठिन

a–b के बीच भार R_L = 10 Ω जुड़ा है। थेवेनिन समतुल्य से भार को दी गई शक्ति P_L ज्ञात कीजिए।

V₁ = 5 VI_s = 2.5 AR₁ = 3 ΩR₂ = 25 ΩR₃ = 2 ΩR_L = 10 Ω

P_L = W

7.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँमध्यम

t = 0 पर स्विच बंद होने से पहले प्रेरक में कोई धारा नहीं है। स्विच बंद होने के कितनी देर बाद धारा अपने अंतिम मान के 75% तक पहुँचती है? t ज्ञात कीजिए।

V_s = 5 VR = 22 ΩL = 10 mH

t = ms

8.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँकठिन

R₂ के आर-पार लगा स्विच लंबे समय से खुला है, इसलिए प्रेरक धारा स्थिर है। t = 0 पर स्विच बंद होता है और R₂ को शॉर्ट कर देता है। t = 5 ms पर प्रेरक धारा i ज्ञात कीजिए।

V_s = 10 VR₁ = 47 ΩR₂ = 20 ΩL = 100 mHt = 5 ms

i = A

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रमध्यम

एक प्रतिरोधक और एक प्रेरक 120 V (rms), 60 Hz आपूर्ति के आर-पार समांतर में जुड़े हैं। प्रतिबाधा का परिमाण |Z| ज्ञात कीजिए।

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 50 mH

|Z| = Ω

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रकठिन

एक श्रेणी RLC परिपथ 100 V (rms), 200 Hz आपूर्ति से जुड़ा है। संधारित्र पर rms वोल्टता V_C ज्ञात कीजिए।

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 47 µF

V_C = V

11.AC शक्ति और शक्ति गुणकमध्यम

400 V एकल-फ़ेज़ आपूर्ति से दो भार समांतर में जुड़े हैं: 0.85 पश्चगामी शक्ति गुणक पर एक 21 kW भार और 0.9 पश्चगामी शक्ति गुणक पर एक 2 kW भार। आपूर्ति द्वारा देखा गया कुल शक्ति गुणक cos φ ज्ञात कीजिए।

V = 400 VP₁ = 21 kW, pf₁ = 0.85 पश्चगामीP₂ = 2 kW, pf₂ = 0.9 पश्चगामी

cos φ =

12.AC शक्ति और शक्ति गुणककठिन

एक 12 V (rms), 60 Hz स्रोत की आंतरिक प्रतिबाधा Z_s = 20 + j10 Ω है। भार प्रतिबाधा Z_L स्वतंत्र रूप से चुनी जा सकती है। अधिकतम शक्ति के लिए भार एक संधारित्र के साथ श्रेणी में एक प्रतिरोधक से बना है। धारिता C ज्ञात कीजिए।

V_s = 12 V (rms)f = 60 HzZ_s = 20 + j10 Ω

C = µF

13.त्रि-फ़ेज़ शक्तिमध्यम

प्रति फ़ेज़ 7 + j24 Ω प्रतिबाधा वाला एक संतुलित Y-संयोजित भार 208 V लाइन-से-लाइन वोल्टता वाली संतुलित त्रि-फ़ेज़ आपूर्ति से जुड़ा है। भार द्वारा अवशोषित कुल वास्तविक शक्ति P kW में ज्ञात कीजिए।

V_L = 208 VZ = 7 + j24 Ω प्रति फ़ेज़

P = kW

14.त्रि-फ़ेज़ शक्तिकठिन

एक संतुलित त्रि-फ़ेज़ भार 690 V (लाइन-से-लाइन), 50 Hz आपूर्ति से 0.78 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 250 kW लेता है। भार के समांतर एक त्रि-फ़ेज़ संधारित्र बैंक को समग्र शक्ति गुणक 0.9 पश्चगामी तक बढ़ाना है। वास्तविक शक्ति समान रहती है। संधारित्र Δ में जुड़े हैं। हर संधारित्र की धारिता C_ph µF में ज्ञात कीजिए।

P = 250 kWpf₁ = 0.78pf₂ = 0.9V_L = 690 Vf = 50 Hz

C_ph = µF

15.ट्रांसफ़ॉर्मरमध्यम

80 Ω निर्गत प्रतिरोध वाला एक प्रवर्धक एक आदर्श ट्रांसफ़ॉर्मर के माध्यम से 5 Ω के लाउडस्पीकर को चलाता है। अधिकतम शक्ति अंतरण के लिए लाउडस्पीकर प्रवर्धक से 80 Ω जैसा दिखना चाहिए। फेरा अनुपात a = N₁/N₂ ज्ञात कीजिए।

R_s = 80 ΩR_L = 5 Ω

a =

16.ट्रांसफ़ॉर्मरकठिन

एक एकल-फ़ेज़ 150 kVA ट्रांसफ़ॉर्मर की क्रोड हानि 750 W और निर्धारित भार पर ताम्र हानि 3000 W है। यह 0.9 पश्चगामी शक्ति गुणक पर अपने निर्धारित kVA का 75% देता है। इस भार पर कुल हानियाँ P_loss वाट में ज्ञात कीजिए।

S = 150 kVAP_core = 750 WP_cu,fl = 3000 Wx = 0.75pf = 0.9

P_loss = W

3विलयन

1.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R2 = 0.4909 A

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक: श्रेणी में हर प्रतिरोधक से समान धारा बहती है और R = R₁ + R₂ + …। समांतर में हर प्रतिरोधक पर समान वोल्टता होती है और 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …। सीढ़ी नेटवर्क को एक-एक युग्म घटाया जाता है जब तक एक समतुल्य प्रतिरोध न बचे।

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

स्रोत से सबसे दूर वाले सिरे से शुरू करें और उसकी ओर लौटें। समान धारा वाले प्रतिरोधक श्रेणी में हैं; समान दो नोड के बीच वाले प्रतिरोधक समांतर में हैं।

R₃ + R₄ = 8 + 10 = 18 Ω

R₂ ∥ 18 = 20·18/(20+18) = 9.474 Ω

R_eq = R₁ + 9.474 = 5 + 9.474 = 14.47 Ω

स्रोत से धारा

स्रोत केवल R_eq देखता है, इसलिए ओम का नियम उसकी दी धारा देता है। यह धारा R₁ से होकर बहती है।

I_R1 = V₁/R_eq = 15/14.47 = 1.036 A

R₂ से होकर धारा

नोड A पर वोल्टता पाने के लिए R₁ पर पात घटाएँ, जो R₂ पर वोल्टता है।

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 15 − 1.036·5 = 9.818 V

I_R2 = V_A/R₂ = 9.818/20 = 0.4909 A

उत्तर

I_R2 = 0.4909 A

2.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R1 = 0.3717 A

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

R₅ + R₆ = 12 + 10 = 22 Ω

R₄ ∥ 22 = 3.385 Ω

R₃ + 3.385 = 33.38 Ω

R₂ ∥ 33.38 = 10.35 Ω

R_eq = R₁ + 10.35 = 30 + 10.35 = 40.35 Ω

स्रोत से धारा

I_R1 = V₁/R_eq = 15/40.35 = 0.3717 A

उत्तर

I_R1 = 0.3717 A

3.नोडल विश्लेषण

उत्तर: P_Is = 42 W

नोडल विश्लेषण: एक संदर्भ नोड चुनें, अज्ञात नोड वोल्टताओं को नाम दें, ओम के नियम (I = ΔV/R) से हर अज्ञात नोड पर किरचॉफ़ धारा नियम लिखें, और समीकरण हल करें।

नोड A पर KCL

प्रतिरोधकों से होकर A से निकलने वाली धाराएँ स्रोतों द्वारा A में भेजी गई धारा के बराबर हैं।

V_A/R₂ + (V_A − V₁)/R₁ + (V_A − V_B)/R₃ = 0

V_A/8 + (V_A − 10)/10 + (V_A − V_B)/3 = 0

0.5583·V_A − 0.3333·V_B = 1

नोड B पर KCL

प्रतिरोधकों से होकर B से निकलने वाली धाराएँ स्रोतों द्वारा B में भेजी गई धारा के बराबर हैं।

V_B/R₄ + (V_B − V_A)/R₃ = I_s

V_B/20 + (V_B − V_A)/3 = 2.5

−0.3333·V_A + 0.3833·V_B = 2.5

हल करें

Δ = (0.5583)(0.3833) − (−0.3333)(−0.3333) = 0.1029

V_A = Δ₁/Δ = 1.217/0.1029 = 11.82 V

V_B = Δ₂/Δ = 1.729/0.1029 = 16.8 V

धारा स्रोत द्वारा दी गई शक्ति

स्रोत Iₛ को ग्राउंड (0 V) से V_B तक ऊपर नोड B में धकेलता है। जिस स्रोत की धारा उसके + सिरे से निकलती है वह P = V·I देता है।

P_Is = V_B·I_s = 16.8·2.5 = 42 W

उत्तर

P_Is = 42 W

4.नोडल विश्लेषण

उत्तर: I_R2 = 0.2455 A

नोड तय करें

ग्राउंड नीचे वाला तार है। ज्ञात नोड वोल्टताएँ सीधे स्रोतों से मिलती हैं (V₁ = 5 V, V₂ = 9 V)। अज्ञात: V_A, V_B।

नोड A पर KCL

V_A/R₃ + (V_A − V₁)/R₁ + (V_A − V_B)/R₂ = 0

V_A/8 + (V_A − 5)/5 + (V_A − V_B)/15 = 0

0.3917·V_A − 0.06667·V_B = 1

नोड B पर KCL

V_B/R₅ + (V_B − V_A)/R₂ + (V_B − V₂)/R₄ = I_s

V_B/4 + (V_B − V_A)/15 + (V_B − 9)/25 = (−1)

−0.06667·V_A + 0.3567·V_B = −0.64

हल करें

Δ = (0.3917)(0.3567) − (−0.06667)(−0.06667) = 0.1352

V_A = Δ₁/Δ = 0.314/0.1352 = 2.322 V

V_B = Δ₂/Δ = −0.184/0.1352 = −1.36 V

उत्तर

I_R2 = (V_A − V_B)/R₂ = (2.322 − −1.36)/15 = 0.2455 A

5.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: I_L = 0.274 A

थेवेनिन प्रमेय: कोई भी रैखिक दो-टर्मिनल नेटवर्क प्रतिरोध R_th के साथ श्रेणी में एक वोल्टता स्रोत V_th जैसा व्यवहार करता है। नॉर्टन प्रमेय उसी नेटवर्क को R_th के समांतर धारा स्रोत I_N = V_th/R_th के रूप में देता है।

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

वोल्टता स्रोतों को शॉर्ट और धारा स्रोतों को खुले परिपथ से बदलें, फिर a–b से परिपथ में देखें।

R₁ ∥ R₂ = 2·4/(2+4) = 1.333 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 1.333 + 3 = 4.333 Ω

V_th, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

a–b खुला होने पर R₃ में धारा नहीं बहती, इसलिए उस पर कोई पात नहीं और V_b = V_A। R₁ और R₂ वोल्टता विभाजक बनाते हैं।

V_th = V₁·R₂/(R₁+R₂) = 10·4/(2+4) = 6.667 V

भार को थेवेनिन समतुल्य से जोड़ें

थेवेनिन स्रोत और श्रेणी R_th, a–b पर बिल्कुल मूल परिपथ की तरह व्यवहार करते हैं, इसलिए भार एक सरल श्रेणी लूप देखता है।

I_L = V_th/(R_th + R_L) = 6.667/(4.333 + 20) = 0.274 A

6.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: P_L = 2.428 W

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

R₁ ∥ R₂ = 3·25/(3+25) = 2.679 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 2.679 + 2 = 4.679 Ω

V_th, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

a–b खुला होने पर Iₛ का एकमात्र मार्ग R₃ से होकर नोड A तक है। V₁ और Iₛ के अध्यारोपण से V_A ज्ञात करें, फिर R₃ पर पात जोड़ें।

V_A = V₁·R₂/(R₁+R₂) + I_s·(R₁∥R₂) = 4.464 + (−2.5)·2.679 = −2.232 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = −2.232 + (−2.5)·2 = −7.232 V

भार को थेवेनिन समतुल्य से जोड़ें

I_L = V_th/(R_th + R_L) = −7.232/(4.679 + 10) = −0.4927 A

P_L = I_L²·R_L = −0.4927²·10 = 2.428 W

7.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: t = 0.6301 ms

प्रथम-कोटि क्षणिक अवस्थाएँ: एक संधारित्र या एक प्रेरक वाले परिपथ में हर वोल्टता और धारा अपने प्रारंभिक मान से अंतिम मान तक घातांकी रूप से बदलती है: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, जहाँ τ = RC या τ = L/R। लगभग 5τ के बाद परिपथ स्थिर हो जाता है।

समय स्थिरांक और अंतिम धारा

स्विच बंद होने के बहुत बाद प्रेरक शॉर्ट सर्किट जैसा व्यवहार करता है, इसलिए अंतिम धारा केवल R से तय होती है।

τ = L/R = 10 mH / 22 Ω = 0.4545 ms

i(∞) = V_s/R = 5/22 = 0.2273 A

समय के लिए हल करें

0.75 = 1 − e^−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.75)

t = −0.4545·ln(0.25) = 0.6301 ms

उत्तर

t = 0.6301 ms

8.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: i = 0.2067 A

प्रारंभिक मान, अंतिम मान, समय स्थिरांक

t = 0 से पहले दोनों प्रतिरोधक लूप में हैं; बाद में बंद स्विच R₂ को बायपास करता है।

i(0) = 10/(47 + 20) = 0.1493 A

i(∞) = 10/47 = 0.2128 A

τ = L/R = 100/47 = 2.128 ms

i(t) = 0.2128 + (0.1493 − 0.2128)·e^−t/τ

दिए गए समय पर धारा

i(5) = 0.2128 + (−0.06351)·e^−5/2.128 = 0.2067 A

उत्तर

i = 0.2067 A

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: |Z| = 8.834 Ω

फ़ेज़र के साथ AC परिपथ: प्रतिरोधक, प्रेरक और संधारित्र की प्रतिबाधाएँ R, jωL और 1/(jωC) हैं, जहाँ ω = 2πf। श्रेणी में प्रतिबाधाएँ प्रतिरोधों की तरह, पर सम्मिश्र संख्याओं के रूप में जुड़ती हैं। rms धारा और वोल्टता |Z| के साथ ओम के नियम का पालन करती हैं।

प्रतिघात

X_L = ωL = 2π·60·0.05 = 18.85 Ω

शाखा धाराएँ

दोनों शाखाएँ सीधे आपूर्ति के आर-पार जुड़ी हैं, इसलिए हर एक पूरी वोल्टता V देखती है।

I_R = V/R = 120/10 = 12 A

I_X = V/X_L = 120/18.85 = 6.366 A

कुल धारा

प्रतिरोधक धारा V के साथ समान कला में है और प्रतिघाती धारा 90° कला से बाहर है, इसलिए वे समकोण त्रिभुज की भुजाओं की तरह जुड़ती हैं।

I = √(I_R² + I_X²) = √(12² + 6.366²) = 13.58 A

प्रतिबाधा

|Z| = V/I = 120/13.58 = 8.834 Ω

उत्तर

|Z| = 8.834 Ω

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: V_C = 30.88 V

प्रतिघात

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0.05 = 62.83 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16.93 Ω

प्रतिबाधा

श्रेणी में प्रतिबाधाएँ सम्मिश्र संख्याओं की तरह जुड़ती हैं: Z = R + j(X_L − X_C)।

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(30² + (45.9)²) = 54.83 Ω

धारा

श्रेणी परिपथ के हर अवयव से समान धारा बहती है।

I = V/|Z| = 100/54.83 = 1.824 A

संधारित्र पर वोल्टता

V_C = I·X_C = 1.824·16.93 = 30.88 V

उत्तर

V_C = 30.88 V

11.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: cos φ = 0.8545

AC शक्ति: आभासी शक्ति S = V·I (VA) सक्रिय शक्ति P = S·cos φ (W), जो उपयोगी कार्य करती है, और प्रतिघाती शक्ति Q = S·sin φ (var), जो स्रोत और भार के बीच आगे-पीछे होती है, में बँटती है। शक्ति गुणक cos φ है। समांतर संधारित्र प्रतिघाती शक्ति स्थानीय रूप से देता है, इसलिए समान सक्रिय शक्ति के लिए लाइन धारा घटती है।

हर भार की प्रतिघाती शक्ति

पश्चगामी भार प्रतिघाती शक्ति लेता है (Q > 0); अग्रगामी भार उसे देता है (Q < 0)।

Q₁ = 21·tan(arccos 0.85) = 13.01 kvar

Q₂ = 2·tan(arccos 0.9) = 0.9686 kvar

योग

P = 21 + 2 = 23 kW

Q = 13.01 + 0.9686 = 13.98 kvar

S = √(23² + 13.98²) = 26.92 kVA

कुल शक्ति गुणक

cos φ = P/S = 23/26.92 = 0.8545 पश्चगामी

उत्तर

cos φ = 0.8545

12.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: C = 265.3 µF

संयुग्मी मिलान

भार प्रतिघात स्रोत प्रतिघात को निरस्त करता है, और भार प्रतिरोध स्रोत प्रतिरोध के बराबर है।

Z_L = Z_s* = 20 − j10 Ω

धारिता

X_C = 10 Ω → C = 1/(2π·60·10) = 265.3 µF

उत्तर

C = 265.3 µF

13.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: P = 0.4846 kW

फ़ेज़ वोल्टता

V_ph = 208/√3 = 120.1 V

फ़ेज़ धारा

|Z| = √(7² + 24²) = 25 Ω

I_ph = 120.1/25 = 4.804 A

कुल वास्तविक शक्ति

हर प्रतिबाधा का केवल प्रतिरोधी भाग वास्तविक शक्ति अवशोषित करता है।

P = 3·I_ph²·R = 3·4.804²·7 = 0.4846 kW

उत्तर

P = 0.4846 kW

जाँच: cos φ = R/|Z| = 0.28, और √3·V_L·I_L·cos φ से वही शक्ति मिलती है।

14.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: C_ph = 177.2 µF

संतुलित त्रि-फ़ेज़ तंत्र: Y (स्टार) संयोजन में लाइन-से-लाइन वोल्टता फ़ेज़ वोल्टता की √3 गुना होती है, V_L = √3·V_ph, और लाइन धारा फ़ेज़ धारा के बराबर होती है। Δ (डेल्टा) संयोजन में लाइन-से-लाइन वोल्टता फ़ेज़ वोल्टता के बराबर होती है और लाइन धारा फ़ेज़ धारा की √3 गुना होती है, I_L = √3·I_ph। कुल शक्ति एक फ़ेज़ की शक्ति की तीन गुना होती है: P = 3·V_ph·I_ph·cos φ = √3·V_L·I_L·cos φ। शक्ति गुणक सुधार: संधारित्र स्थानीय रूप से प्रतिघाती शक्ति देते हैं, Q_C = P·(tan φ₁ − tan φ₂)। तीनों संधारित्रों में से हर एक Q_C/3 = V²·ω·C देता है, जहाँ V उस संधारित्र पर वोल्टता है: Δ बैंक में V_L, Y बैंक में V_L/√3।

पहले और बाद की प्रतिघाती शक्ति

वास्तविक शक्ति अपरिवर्तित है, इसलिए हर शक्ति गुणक प्रतिघाती शक्ति तय करता है: Q = P·tan φ।

Q₁ = 250·tan(acos 0.78) = 250·0.8023 = 200.6 kvar

Q₂ = 250·tan(acos 0.9) = 250·0.4843 = 121.1 kvar

संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति

Q_C = Q₁ − Q₂ = 79.49 kvar

प्रति फ़ेज़ धारिता

Δ बैंक में हर संधारित्र दो लाइनों के बीच जुड़ा होता है।

V = 690 V, ω = 2π·50 = 314.2 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 26497/(314.2·690²) = 177.2 µF

उत्तर

C_ph = 177.2 µF

15.ट्रांसफ़ॉर्मर

उत्तर: a = 4

आदर्श ट्रांसफ़ॉर्मर: वोल्टताएँ फेरों के अनुपात में और धाराएँ उसके व्युत्क्रम अनुपात में होती हैं: V₁/V₂ = N₁/N₂ = a और I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a, इसलिए निवेश शक्ति निर्गत शक्ति के बराबर होती है, V₁·I₁ = V₂·I₂। द्वितीयक पर लगी भार प्रतिबाधा Z प्राथमिक से a²·Z जैसी दिखती है।

स्थानांतरित भार का मिलान करें

a²·5 = 80

a = √(80/5) = √16 = 4

उत्तर

a = 4

16.ट्रांसफ़ॉर्मर

उत्तर: P_loss = 2438 W

ट्रांसफ़ॉर्मर हानियाँ: क्रोड हानि (शैथिल्य और भँवर धाराएँ) वोल्टता पर निर्भर करती है और किसी भी भार पर समान रहती है। कुंडलियों में ताम्र हानि धारा के वर्ग के साथ बदलती है, इसलिए निर्धारित भार के x अंश पर यह x²·P_cu,fl होती है। दक्षता η = P_out/(P_out + P_core + P_cu), जहाँ P_out = x·S·pf। दक्षता उस भार पर सबसे अधिक होती है जहाँ ताम्र हानि क्रोड हानि के बराबर होती है।

इस भार पर ताम्र हानि

P_cu = x²·P_cu,fl = 0.5625·3000 = 1688 W

कुल हानियाँ

क्रोड हानि किसी भी भार पर समान रहती है।

P_loss = 750 + 1688 = 2438 W

उत्तर

P_loss = 2438 W

इस भार पर दक्षता η = 97.65% है।

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आधारभूत विद्युत इंजीनियरिंग: क्रैम पैक

1सूत्र और विधियाँ

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

विधि

नोडल विश्लेषण

विधि

थेवेनिन और नॉर्टन

विधि

RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

विधि

AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

विधि

AC शक्ति और शक्ति गुणक

त्रि-फ़ेज़ शक्ति

ट्रांसफ़ॉर्मर

2अभ्यास प्रश्न

3विलयन

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

स्रोत से धारा

R₂ से होकर धारा

उत्तर

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

स्रोत से धारा

उत्तर

नोड A पर KCL

नोड B पर KCL

हल करें

धारा स्रोत द्वारा दी गई शक्ति

उत्तर

नोड तय करें

नोड A पर KCL

नोड B पर KCL

हल करें

उत्तर

सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें

Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

भार को थेवेनिन समतुल्य से जोड़ें

सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें

Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

भार को थेवेनिन समतुल्य से जोड़ें

समय स्थिरांक और अंतिम धारा

समय के लिए हल करें

उत्तर

प्रारंभिक मान, अंतिम मान, समय स्थिरांक

दिए गए समय पर धारा

उत्तर

प्रतिघात

शाखा धाराएँ

कुल धारा

प्रतिबाधा

उत्तर

प्रतिघात

प्रतिबाधा

धारा

संधारित्र पर वोल्टता

उत्तर

हर भार की प्रतिघाती शक्ति

योग

कुल शक्ति गुणक

उत्तर

संयुग्मी मिलान

धारिता

उत्तर

फ़ेज़ वोल्टता

फ़ेज़ धारा

कुल वास्तविक शक्ति

उत्तर

पहले और बाद की प्रतिघाती शक्ति

संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति

प्रति फ़ेज़ धारिता

उत्तर

स्थानांतरित भार का मिलान करें

उत्तर

इस भार पर ताम्र हानि

कुल हानियाँ

उत्तर

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

V_th, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

V_th, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें