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 = 10 VR₁ = 8 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 5 Ω

I_R2 = A

2.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन

R₂ से होकर धारा I_R2 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 12 VR₁ = 20 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 15 ΩR₅ = 12 ΩR₆ = 2 Ω

I_R2 = A

3.नोडल विश्लेषणमध्यम

नोडल विश्लेषण से तीर की दिशा में R₃ से होकर धारा I_R3 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 15 VI_s = 2.5 AR₁ = 12 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 20 Ω

I_R3 = A

4.नोडल विश्लेषणकठिन

A और B के बीच वोल्टता स्रोत Vₛ का + टर्मिनल A पर है, इसलिए यह V_A − V_B = Vₛ बनाता है। सुपरनोड के साथ नोडल विश्लेषण से नोड वोल्टता V_A (ग्राउंड के सापेक्ष) ज्ञात कीजिए।

V₁ = 15 VI_s = 6 AV_s = 12 VR₁ = 2 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 10 Ω

V_A = V

5.थेवेनिन और नॉर्टनमध्यम

टर्मिनल a–b से देखी गई थेवेनिन वोल्टता V_th ज्ञात कीजिए।

V₁ = 24 VR₁ = 3 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 3 Ω

V_th = V

6.थेवेनिन और नॉर्टनकठिन

नॉर्टन धारा I_N ज्ञात कीजिए: टर्मिनल शॉर्ट करने पर a से b की ओर बहने वाली धारा।

V₁ = 24 VI_s = 2 AR₁ = 30 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 5 Ω

I_N = A

7.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँमध्यम

स्रोत Vₛ, R₁ के माध्यम से संधारित्र को आवेशित करता है, और R₂, C के समांतर जुड़ा है। t = 0 पर स्विच बंद होते समय संधारित्र अनावेशित है। t = 200 ms पर संधारित्र वोल्टता v_C ज्ञात कीजिए।

V_s = 30 VR₁ = 4.7 kΩR₂ = 1 kΩC = 220 µFt = 200 ms

v_C = V

8.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँकठिन

स्विच लंबे समय से बंद है, इसलिए परिपथ स्थायी अवस्था में है। t = 0 पर स्विच खुलता है। t = 25 ms पर संधारित्र वोल्टता v_C ज्ञात कीजिए।

V_s = 12 VR₁ = 1 kΩR₂ = 3.3 kΩC = 10 µFt = 25 ms

v_C = V

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रमध्यम

एक श्रेणी RLC परिपथ 230 V (rms), 100 Hz आपूर्ति से जुड़ा है। आपूर्ति से ली गई सक्रिय शक्ति P ज्ञात कीजिए।

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 47 µF

P = W

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रकठिन

एक श्रेणी RLC परिपथ में R = 15 Ω, L = 5 mH और C = 0.047 µF है। अनुनाद पर इसका गुणता गुणक Q ज्ञात कीजिए।

R = 15 ΩL = 5 mHC = 0.047 µF

Q =

11.AC शक्ति और शक्ति गुणकमध्यम

400 V एकल-फ़ेज़ आपूर्ति से दो भार समांतर में जुड़े हैं: 0.8 पश्चगामी शक्ति गुणक पर एक 24 kW भार और 0.85 अग्रगामी शक्ति गुणक पर एक 7 kW भार। आपूर्ति से ली गई कुल धारा I ज्ञात कीजिए।

V = 400 VP₁ = 24 kW, pf₁ = 0.8 पश्चगामीP₂ = 7 kW, pf₂ = 0.85 अग्रगामी

I = A

12.AC शक्ति और शक्ति गुणककठिन

एक 100 kVA एकल-फ़ेज़ ट्रांसफ़ॉर्मर 0.8 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 39 kW का भार आपूर्ति करता है। ट्रांसफ़ॉर्मर के अपनी kVA रेटिंग तक पहुँचने से पहले प्रतिरोधी (एकांक शक्ति गुणक) भार के रूप में कितनी अतिरिक्त सक्रिय शक्ति ΔP जोड़ी जा सकती है?

S_max = 100 kVAP₁ = 39 kWpf₁ = 0.8

ΔP = kW

13.त्रि-फ़ेज़ शक्तिमध्यम

एक त्रि-फ़ेज़ प्रेरण मोटर पूर्ण भार पर 90 kW यांत्रिक निर्गत शक्ति देती है। इस भार पर इसकी दक्षता 94% और शक्ति गुणक 0.85 पश्चगामी है। आपूर्ति की लाइन-से-लाइन वोल्टता 690 V है। लाइन धारा I_L ज्ञात कीजिए।

P_out = 90 kWη = 94%cos φ = 0.85V_L = 690 V

I_L = A

14.त्रि-फ़ेज़ शक्तिकठिन

एक संतुलित त्रि-फ़ेज़ भार 400 V (लाइन-से-लाइन), 60 Hz आपूर्ति से 0.78 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 50 kW लेता है। भार के समांतर एक त्रि-फ़ेज़ संधारित्र बैंक को समग्र शक्ति गुणक 0.95 पश्चगामी तक बढ़ाना है। वास्तविक शक्ति समान रहती है। संधारित्र Y में जुड़े हैं। हर संधारित्र की धारिता C_ph µF में ज्ञात कीजिए।

P = 50 kWpf₁ = 0.78pf₂ = 0.95V_L = 400 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

15.ट्रांसफ़ॉर्मरमध्यम

फेरा अनुपात N₁:N₂ = 2:1 वाले एक आदर्श ट्रांसफ़ॉर्मर की प्राथमिक कुंडली पर 240 V लगाया गया है। द्वितीयक कुंडली के सिरों पर 6 Ω का प्रतिरोधक जुड़ा है। प्राथमिक धारा I₁ ज्ञात कीजिए।

N₁:N₂ = 2:1V₁ = 240 VR_L = 6 Ω

I₁ = A

16.ट्रांसफ़ॉर्मरकठिन

एक एकल-फ़ेज़ 200 kVA ट्रांसफ़ॉर्मर की क्रोड हानि 1000 W और निर्धारित भार पर ताम्र हानि 2000 W है। यह 0.8 पश्चगामी शक्ति गुणक पर अपने निर्धारित kVA का 75% देता है। इस भार पर कुल हानियाँ P_loss वाट में ज्ञात कीजिए।

S = 200 kVAP_core = 1000 WP_cu,fl = 2000 Wx = 0.75pf = 0.8

P_loss = W

3विलयन

1.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R2 = 0.6931 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 = 2 + 5 = 7 Ω

R₂ ∥ 7 = 3·7/(3+7) = 2.1 Ω

R_eq = R₁ + 2.1 = 8 + 2.1 = 10.1 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 = 10/10.1 = 0.9901 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 = 10 − 0.9901·8 = 2.079 V

I_R2 = V_A/R₂ = 2.079/3 = 0.6931 A

उत्तर

I_R2 = 0.6931 A

2.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R2 = 0.3078 A

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

R₅ + R₆ = 12 + 2 = 14 Ω

R₄ ∥ 14 = 7.241 Ω

R₃ + 7.241 = 9.241 Ω

R₂ ∥ 9.241 = 3.638 Ω

R_eq = R₁ + 3.638 = 20 + 3.638 = 23.64 Ω

स्रोत से धारा

I_R1 = V₁/R_eq = 12/23.64 = 0.5077 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 = 12 − 0.5077·20 = 1.847 V

I_R2 = V_A/R₂ = 1.847/6 = 0.3078 A

उत्तर

I_R2 = 0.3078 A

3.नोडल विश्लेषण

उत्तर: I_R3 = −1.642 A

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 तय करें

ग्राउंड नीचे वाला तार है। ज्ञात नोड वोल्टताएँ सीधे स्रोतों से मिलती हैं (V₁ = 15 V)। अज्ञात: V_A, V_B।

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 − 15)/12 + (V_A − V_B)/2 = 0

0.7083·V_A − 0.5·V_B = 1.25

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)/2 = 2.5

−0.5·V_A + 0.55·V_B = 2.5

हल करें

Δ = (0.7083)(0.55) − (−0.5)(−0.5) = 0.1396

V_A = Δ₁/Δ = 1.938/0.1396 = 13.88 V

V_B = Δ₂/Δ = 2.396/0.1396 = 17.16 V

उत्तर

I_R3 = (V_A − V_B)/R₃ = (13.88 − 17.16)/2 = −1.642 A

4.नोडल विश्लेषण

उत्तर: V_A = 13.36 V

सुपरनोड बनाएँ

A और B के बीच का वोल्टता स्रोत एक अज्ञात धारा वहन करता है, इसलिए KCL को A या B पर अलग-अलग नहीं लिखा जा सकता। A, B और स्रोत को एक सुपरनोड में घेरें: उसमें प्रवेश करने वाली धारा उससे निकलने वाली धारा के बराबर है।

V_B = V_A − 12

(V_A − V₁)/R₁ + V_A/R₂ + V_B/R₃ = I_s

हल करें

(V_A − 15)/2 + V_A/2 + (V_A − 12)/10 = 6

V_A·(1/2 + 1/2 + 1/10) = 6 + 15/2 + 12/10 = 14.7

V_A = 14.7/1.1 = 13.36 V

V_B = 1.364 V

उत्तर

V_A = 13.36 V

5.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: V_th = 9.6 V

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 = 3·2/(3+2) = 1.2 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 1.2 + 3 = 4.2 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) = 24·2/(3+2) = 9.6 V

6.थेवेनिन और नॉर्टन

उत्तर: I_N = 2.369 A

सभी स्रोत बंद करके R_th ज्ञात करें

R₁ ∥ R₂ = 30·5/(30+5) = 4.286 Ω

R_th = (R₁ ∥ R₂) + R₃ = 4.286 + 5 = 9.286 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) = 3.429 + 2·4.286 = 12 V

V_th = V_B = V_A + I_s·R₃ = 12 + 2·5 = 22 V

नॉर्टन समतुल्य

नॉर्टन स्रोत वही परिपथ है जिसे R_th के समांतर एक धारा स्रोत के रूप में देखा जाता है। इसकी धारा a–b पर शॉर्ट-सर्किट धारा है।

I_N = V_th/R_th = 22/9.286 = 2.369 A

7.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: v_C = 3.516 V

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।

संधारित्र द्वारा देखा गया थेवेनिन तुल्य

R_th के लिए स्रोत को शॉर्ट करें; संधारित्र को हटाकर (खुला करके) वह वोल्टता ज्ञात करें जिस पर वह स्थिर होगा।

R_th = R₁ ∥ R₂ = 4.7·1/(4.7 + 1) = 0.8246 kΩ

v_C(∞) = 30·1/(4.7 + 1) = 5.263 V

समय स्थिरांक

τ = R_th·C = 0.8246·220 = 181.4 ms

आवेशन वक्र

v_C(t) = 5.263·(1 − e^−200/181.4) = 3.516 V

उत्तर

v_C = 3.516 V

8.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: v_C = 4.317 V

प्रारंभिक संधारित्र वोल्टता

स्थायी अवस्था में संधारित्र खुला परिपथ है, इसलिए R₁ और R₂ एक वोल्टता विभाजक बनाते हैं। स्विच खुलने पर संधारित्र वोल्टता छलाँग नहीं लगा सकती।

v_C(0) = 12·3.3/(1 + 3.3) = 9.209 V

स्विच खुलने के बाद समय स्थिरांक

τ = R₂·C = 3.3·10 = 33 ms

निरावेशन

v_C(t) = 9.209·e^−25/33 = 4.317 V

उत्तर

v_C = 4.317 V

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: P = 387.6 W

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 = 94.25 Ω, X_C = 33.86 Ω

प्रतिबाधा

|Z| = √(100² + (60.39)²) = 116.8 Ω

सक्रिय शक्ति

प्रेरक और संधारित्र केवल ऊर्जा संचित करते और लौटाते हैं; सारी सक्रिय शक्ति प्रतिरोधक अवशोषित करता है।

I = 230/116.8 = 1.969 A

P = I²·R = 1.969²·100 = 387.6 W

उत्तर

P = 387.6 W

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: Q = 21.74

अनुनादी आवृत्ति

f₀ = 1/(2π·√(0.005·0.047·10⁻⁶)) = 10382 Hz

गुणता गुणक

Q अनुनाद पर प्रतिघात की तुलना प्रतिरोध से करता है: Q = ω₀L/R।

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0.005/(0.047·10⁻⁶)) = 21.74

उत्तर

Q = 21.74

11.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: I = 84.69 A

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 = 24·tan(arccos 0.8) = 18 kvar

Q₂ = −7·tan(arccos 0.85) = −4.338 kvar

योग

P = 24 + 7 = 31 kW

Q = 18 + (−4.338) = 13.66 kvar

S = √(31² + 13.66²) = 33.88 kVA

कुल धारा

I = S/V = 33877/400 = 84.69 A

उत्तर

I = 84.69 A

12.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: ΔP = 56.63 kW

मौजूदा भार की प्रतिघाती शक्ति

Q₁ = 39·tan(arccos 0.8) = 29.25 kvar

अधिकतम कुल सक्रिय शक्ति

पूरी रेटिंग पर S = S_max, और प्रतिरोधी भार से Q नहीं बदलता।

P = √(S_max² − Q₁²) = √(100² − 29.25²) = 95.63 kW

अतिरिक्त सक्रिय शक्ति

ΔP = 95.63 − 39 = 56.63 kW

उत्तर

ΔP = 56.63 kW

13.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: I_L = 94.25 A

विद्युत निवेश शक्ति

P_in = P_out/η = 90/0.94 = 95.74 kW

लाइन धारा

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 95745/(√3·690·0.85) = 94.25 A

उत्तर

I_L = 94.25 A

14.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: C_ph = 392.6 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 = 50·tan(acos 0.78) = 50·0.8023 = 40.11 kvar

Q₂ = 50·tan(acos 0.95) = 50·0.3287 = 16.43 kvar

संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति

Q_C = Q₁ − Q₂ = 23.68 kvar

प्रति फ़ेज़ धारिता

Y बैंक में हर संधारित्र एक लाइन और स्टार बिंदु के बीच जुड़ा होता है।

V = 400/√3 = 230.9 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 7893/(377·230.9²) = 392.6 µF

उत्तर

C_ph = 392.6 µF

15.ट्रांसफ़ॉर्मर

उत्तर: I₁ = 10 A

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।

द्वितीयक वोल्टता और धारा

V₂ = 240/2 = 120 V

I₂ = 120/6 = 20 A

प्राथमिक धारा

आदर्श ट्रांसफ़ॉर्मर में कोई हानि नहीं होती: V₁·I₁ = V₂·I₂।

I₁ = I₂/2 = 10 A

उत्तर

I₁ = 10 A

जाँच: प्राथमिक से दिखने वाला भार a²·R_L = 24 Ω है, और 240/24 से वही धारा मिलती है।

16.ट्रांसफ़ॉर्मर

उत्तर: P_loss = 2125 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 = 0.5625·2000 = 1125 W

कुल हानियाँ

क्रोड हानि किसी भी भार पर समान रहती है।

P_loss = 1000 + 1125 = 2125 W

उत्तर

P_loss = 2125 W

इस भार पर दक्षता η = 98.26% 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

R₂ से होकर धारा

उत्तर

नोड तय करें

नोड A पर KCL

नोड B पर KCL

हल करें

उत्तर

सुपरनोड बनाएँ

हल करें

उत्तर

सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें

Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

सभी स्रोत बंद करके Rth ज्ञात करें

Vth, खुले परिपथ की वोल्टता ज्ञात करें

नॉर्टन समतुल्य

संधारित्र द्वारा देखा गया थेवेनिन तुल्य

समय स्थिरांक

आवेशन वक्र

उत्तर

प्रारंभिक संधारित्र वोल्टता

स्विच खुलने के बाद समय स्थिरांक

निरावेशन

उत्तर

प्रतिघात

प्रतिबाधा

सक्रिय शक्ति

उत्तर

अनुनादी आवृत्ति

गुणता गुणक

उत्तर

हर भार की प्रतिघाती शक्ति

योग

कुल धारा

उत्तर

मौजूदा भार की प्रतिघाती शक्ति

अधिकतम कुल सक्रिय शक्ति

अतिरिक्त सक्रिय शक्ति

उत्तर

विद्युत निवेश शक्ति

लाइन धारा

उत्तर

पहले और बाद की प्रतिघाती शक्ति

संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति

प्रति फ़ेज़ धारिता

उत्तर

द्वितीयक वोल्टता और धारा

प्राथमिक धारा

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