शक्ति इलेक्ट्रॉनिक्स और ड्राइव: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 8 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

DC-DC कन्वर्टर

बक: V_o = D·V_in
बूस्ट: V_o = V_in/(1 − D)
प्रतिलोमी बक-बूस्ट: |V_o| = V_in·D/(1 − D)
आदर्श शक्ति संतुलन: V_inI_in = V_oI_o
प्रेरक रिपल: ΔI_L = V_L,on·D/(L·f); buck V_in − V_o, boost and buck-boost V_in
औसत प्रेरक धारा: बक I_o; बूस्ट और बक-बूस्ट I_o/(1 − D)
निर्गत रिपल: बक ΔI_L/(8fC); बूस्ट और बक-बूस्ट I_o·D/(fC)
CCM सीमा: बक (1 − D)R/(2f); बूस्ट D(1 − D)²R/(2f); बक-बूस्ट (1 − D)²R/(2f)

विधि

कन्वर्टर (बक, बूस्ट या बक-बूस्ट) पहचानिए और वोल्टता अनुपात से कर्तव्य चक्र D निकालिए।
प्रेरक पर वोल्ट-सेकंड संतुलन का उपयोग कीजिए: एक आवर्तकाल में औसत प्रेरक वोल्टता शून्य होती है।
स्विच चालू रहने पर प्रेरक वोल्टता ज्ञात कीजिए, फिर ΔI_L = V_L·D/(L·f)।
निर्गत रिपल के लिए संधारित्र में आने-जाने वाला आवेश ज्ञात कीजिए; CCM सीमा के लिए औसत प्रेरक धारा को ΔI_L/2 के बराबर रखिए।

DC मोटरें

आर्मेचर परिपथ: V = E + I_aR_a
Back-EMF और बल-आघूर्ण: E = k·ω, T = k·I_a
चाल: ω = 2π·n/60, ω = (V − I_aR_a)/k
अनिरोध चाल और रुद्ध बल-आघूर्ण: ω₀ = V/k, T_stall = k·V/R_a
शक्तियाँ: P_in = V·I_a, P_dev = E·I_a = T·ω, P_out = P_dev − P_rot
प्रारंभ: I_start = V/(R_a + R_st)
चाल नियमन: SR = (n₀ − n_FL)/n_FL
अधिकतम विकसित शक्ति: P_max = V²/(4R_a)
चॉपर ड्राइव: V_a = D·V_dc

विधि

आर्मेचर परिपथ खींचिए: आपूर्ति V, प्रतिरोध R_a और back-EMF E श्रेणीक्रम में।
वोल्टता, धारा और back-EMF को जोड़ने के लिए V = E + I_a·R_a का उपयोग कीजिए।
चाल के लिए E = k·ω और बल-आघूर्ण के लिए T = k·I_a का उपयोग कीजिए, जहाँ ω = 2π·n/60।
शक्ति और दक्षता के लिए V·I_a से शुरू कीजिए, ताम्र हानि I_a²·R_a घटाइए और फिर घूर्णन हानियाँ।

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

2अभ्यास प्रश्न

1.DC-DC कन्वर्टरमध्यम

एक आदर्श बक कन्वर्टर 100 kHz स्विचन आवृत्ति पर 36 V को 10.8 V में बदलता है। वह प्रेरकत्व L ज्ञात कीजिए जो शिखर-से-शिखर प्रेरक रिपल धारा को 0.6 A पर रखे।

Vin = 36 VVo = 10.8 Vf = 100 kHzΔI_L = 0.6 A

L = µH

2.DC-DC कन्वर्टरकठिन

एक आदर्श बक-बूस्ट कन्वर्टर 40 kHz पर 12 Ω भार के लिए 15 V को −10 V में बदलता है। निर्गत संधारित्र 220 µF है। mV में शिखर-से-शिखर निर्गत वोल्टता रिपल ΔV_o ज्ञात कीजिए।

Vin = 15 VVo = −10 Vf = 40 kHzC = 220 µFR = 12 Ω

ΔV_o = mV

3.DC मोटरेंमध्यम

k = 0.75 N·m/A और R_a = 1.5 Ω वाली एक DC मोटर 110 V से जुड़ी है। इसका रुद्ध बल-आघूर्ण T_stall, यानी शून्य चाल पर बल-आघूर्ण, ज्ञात कीजिए।

V = 110 Vk = 0.75 N·m/AR_a = 1.5 Ω

T_stall = N·m

4.DC मोटरेंकठिन

एक छोटी DC मोटर का आर्मेचर प्रतिरोध 1 Ω है और यह 110 V से चलती है। घूर्णन हानियाँ नगण्य मानते हुए, किसी भी चाल पर यह जो सबसे अधिक यांत्रिक शक्ति P_max विकसित कर सकती है, ज्ञात कीजिए।

V = 110 VR_a = 1 Ω

P_max = W

5.AC शक्ति और शक्ति गुणकमध्यम

प्रतिबाधा Z = 6 + j8 Ω वाला एक भार 120 V (rms) एकल-फ़ेज़ आपूर्ति से जुड़ा है। इसके द्वारा अवशोषित प्रतिघाती शक्ति Q ज्ञात कीजिए।

V = 120 VZ = 6 + j8 Ω

Q = var

6.AC शक्ति और शक्ति गुणककठिन

एक एकल-फ़ेज़ भार 400 V, 50 Hz आपूर्ति से 0.6 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 50 kW लेता है। समांतर में जुड़ा संधारित्र शक्ति गुणक को 0.98 तक बढ़ाता है। आवश्यक धारिता C ज्ञात कीजिए।

P = 50 kWpf₁ = 0.6pf₂ = 0.98V = 400 Vf = 50 Hz

C = µF

7.त्रि-फ़ेज़ शक्तिमध्यम

प्रति फ़ेज़ 16 + j12 Ω प्रतिबाधा वाला एक संतुलित Y-संयोजित भार 480 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 = 480 VZ = 16 + j12 Ω प्रति फ़ेज़

P = kW

8.त्रि-फ़ेज़ शक्तिकठिन

एक संतुलित त्रि-फ़ेज़ भार 480 V (लाइन-से-लाइन), 50 Hz आपूर्ति से 0.75 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 बैंक द्वारा दी जाने वाली कुल प्रतिघाती शक्ति Q_C kvar में ज्ञात कीजिए।

P = 50 kWpf₁ = 0.75pf₂ = 0.95V_L = 480 Vf = 50 Hz

Q_C = kvar

3विलयन

1.DC-DC कन्वर्टर

उत्तर: L = 126 µH

DC-DC कन्वर्टर: एक स्विच S हर आवर्तकाल T = 1/f के भिन्न D भाग में चालू रहता है। स्थायी अवस्था में प्रेरक की औसत वोल्टता शून्य होती है (वोल्ट-सेकंड संतुलन), जिससे संतत चालन में आदर्श रूपांतरण अनुपात मिलते हैं: बक V_o = D·V_in, बूस्ट V_o = V_in/(1 − D), प्रतिलोमी बक-बूस्ट |V_o| = V_in·D/(1 − D)। आदर्श कन्वर्टर शक्ति को बनाए रखता है: V_in·I_in = V_o·I_o। जब S चालू होता है तब प्रेरक धारा ΔI_L = V_L·D·T/L से बढ़ती है, जहाँ बक के लिए V_L = V_in − V_o और बूस्ट तथा बक-बूस्ट के लिए V_in है। निर्गत रिपल बक के लिए ΔV_o = ΔI_L/(8fC) और बूस्ट तथा बक-बूस्ट के लिए I_o·D/(fC) है। प्रेरक धारा शून्य को ठीक छूती है (CCM सीमा) जब औसत प्रेरक धारा ΔI_L/2 के बराबर हो।

कर्तव्य चक्र

D = 10.8/36 = 0.3

प्रेरकत्व

L = 25.2·0.3/(0.6·100·10³) = 126 µH

उत्तर

L = 126 µH

2.DC-DC कन्वर्टर

उत्तर: ΔV_o = 37.88 mV

कर्तव्य चक्र

D = 10/(15 + 10) = 0.4

लोड धारा

I_o = 10/12 = 0.8333 A

निर्गत रिपल

ΔV_o = 0.8333·0.4/(40·10³·220·10⁻⁶) = 37.88 mV

उत्तर

ΔV_o = 37.88 mV

3.DC मोटरें

उत्तर: T_stall = 55 N·m

DC मोटर: आर्मेचर प्रतिरोध R_a है जो back-EMF E के श्रेणीक्रम में है, इसलिए V = E + I_a·R_a। back-EMF चाल के साथ बढ़ता है, E = k·ω, और बल-आघूर्ण धारा के साथ, T = k·I_a, दोनों में एक ही मोटर स्थिरांक k (SI इकाइयों में V·s/rad = N·m/A) होता है। चाल को ω = 2π·n/60 से बदलिए। विकसित शक्ति E·I_a = T·ω है; निवेश शक्ति V·I_a है, और ताम्र हानि I_a²R_a तथा घूर्णन हानि इनका अंतर बनाती हैं। चाल बल-आघूर्ण के साथ सरल रेखा में घटती है, ω = V/k − R_a·T/k², अनिरोध चाल V/k से शून्य तक, जो रुद्ध बल-आघूर्ण k·V/R_a पर होती है। विराम अवस्था में E = 0 होता है, इसलिए प्रारंभिक धारा V/R_a बड़ी होती है, जब तक कोई प्रतिरोध उसे सीमित न करे।

रुद्ध धारा

I_a = V/R_a = 110/1.5 = 73.33 A

रुद्ध बल-आघूर्ण

T_stall = 0.75·73.33 = 55 N·m

उत्तर

T_stall = 55 N·m

4.DC मोटरें

उत्तर: P_max = 3025 W

back-EMF के फलन के रूप में शक्ति

P(E) = E·(V − E)/R_a

dP/dE = 0 → E = V/2 = 55 V

अधिकतम शक्ति

P_max = (V/2)²/R_a = V²/(4R_a) = 110²/(4·1) = 3025 W

उत्तर

P_max = 3025 W

इस बिंदु पर दक्षता केवल 50 % है, इसलिए वास्तविक मोटरें आधी चाल से काफ़ी ऊपर चलती हैं।

5.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: Q = 1152 var

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।

धारा

|Z| = √(6² + 8²) = 10 Ω

I = V/|Z| = 120/10 = 12 A

प्रतिघाती शक्ति

Q = I²·X = 12²·8 = 1152 var

उत्तर

Q = 1152 var

6.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: C = 1124 µF

पहले और बाद की प्रतिघाती शक्ति

सक्रिय शक्ति P नहीं बदलती; केवल आपूर्ति से ली गई प्रतिघाती शक्ति बदलती है।

Q₁ = P·tan φ₁ = 50·tan(53.13°) = 66.67 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 50·tan(11.48°) = 10.15 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 56.51 kvar

धारिता

आपूर्ति के पार लगा संधारित्र Q = V²·ωC देता है।

C = Q_C/(2πf·V²) = 56514/(2π·50·400²) = 1124 µF

उत्तर

C = 1124 µF

7.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: P = 9.216 kW

फ़ेज़ वोल्टता

V_ph = 480/√3 = 277.1 V

फ़ेज़ धारा

|Z| = √(16² + 12²) = 20 Ω

I_ph = 277.1/20 = 13.86 A

कुल वास्तविक शक्ति

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

P = 3·I_ph²·R = 3·13.86²·16 = 9.216 kW

उत्तर

P = 9.216 kW

जाँच: cos φ = R/|Z| = 0.8, और √3·V_L·I_L·cos φ से वही शक्ति मिलती है।

8.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: Q_C = 27.66 kvar

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 0.75) = 50·0.8819 = 44.1 kvar

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

संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति

Q_C = Q₁ − Q₂ = 27.66 kvar

उत्तर

Q_C = 27.66 kvar

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