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 ΔIL = VL·D/(L·f)।
निर्गत रिपल के लिए संधारित्र में आने-जाने वाला आवेश ज्ञात कीजिए; CCM सीमा के लिए औसत प्रेरक धारा को ΔIL/2 के बराबर रखिए।
DC मोटरें
आर्मेचर परिपथ
V = E + IaRa
Back-EMF और बल-आघूर्ण
E = k·ω, T = k·Ia
चाल
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
अनिरोध चाल और रुद्ध बल-आघूर्ण
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
शक्तियाँ
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
प्रारंभ
Istart = V/(Ra + Rst)
चाल नियमन
SR = (n0 − nFL)/nFL
अधिकतम विकसित शक्ति
Pmax = V²/(4Ra)
चॉपर ड्राइव
Va = D·Vdc
विधि
आर्मेचर परिपथ खींचिए: आपूर्ति V, प्रतिरोध Ra और back-EMF E श्रेणीक्रम में।
वोल्टता, धारा और back-EMF को जोड़ने के लिए V = E + Ia·Ra का उपयोग कीजिए।
चाल के लिए E = k·ω और बल-आघूर्ण के लिए T = k·Ia का उपयोग कीजिए, जहाँ ω = 2π·n/60।
शक्ति और दक्षता के लिए V·Ia से शुरू कीजिए, ताम्र हानि Ia²·Ra 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
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)
त्रि-फ़ेज़ शक्ति
Y संयोजन
VL = √3·Vph, IL = Iph
Δ संयोजन
VL = Vph, IL = √3·Iph
कुल वास्तविक शक्ति
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
आभासी और प्रतिघाती शक्ति
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
सुधार संधारित्र
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
प्रत्येक संधारित्र पर वोल्टता
Δ: VL Y: VL/√3
मोटर निवेश
Pin = Pout/η
2अभ्यास प्रश्न
1.DC-DC कन्वर्टरमध्यम
एक आदर्श बूस्ट कन्वर्टर 500 kHz पर L = 47 µH के साथ 24 V को 80 V में बदलता है। शिखर-से-शिखर प्रेरक रिपल धारा ΔIL ज्ञात कीजिए।
Vin = 24 VVo = 80 Vf = 500 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.DC-DC कन्वर्टरकठिन
एक बक कन्वर्टर 40 kHz पर L = 330 µH के साथ 9 V को 3.6 V में बदलता है। वह न्यूनतम भार धारा Io,min ज्ञात कीजिए जिसके लिए यह संतत चालन में बना रहता है।
Vin = 9 VVo = 3.6 Vf = 40 kHzL = 330 µH
Io,min = A
3.DC मोटरेंमध्यम
एक DC मोटर (k = 0.6 V·s/rad, Ra = 1.2 Ω) 220 V से चलती है। पूर्ण भार पर यह 6 A लेती है। अनिरोध धारा नगण्य मानते हुए इसका चाल नियमन SR = (n₀ − nFL)/nFL प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।
V = 220 Vk = 0.6 V·s/radRa = 1.2 ΩIFL = 6 A
SR = %
4.DC मोटरेंकठिन
एक छोटी DC मोटर का आर्मेचर प्रतिरोध 2 Ω है और यह 120 V से चलती है। घूर्णन हानियाँ नगण्य मानते हुए, किसी भी चाल पर यह जो सबसे अधिक यांत्रिक शक्ति Pmax विकसित कर सकती है, ज्ञात कीजिए।
V = 120 VRa = 2 Ω
Pmax = W
5.AC शक्ति और शक्ति गुणकमध्यम
एक प्रेरकीय भार 120 V (rms) एकल-फ़ेज़ आपूर्ति से 13 A और 1404 W लेता है। इसे प्रतिघात X के साथ श्रेणी में एक प्रतिरोध R के रूप में मॉडल करें। X ज्ञात कीजिए।
V = 120 VI = 13 AP = 1404 W
X = Ω
6.AC शक्ति और शक्ति गुणककठिन
एक एकल-फ़ेज़ भार 400 V, 60 Hz आपूर्ति से 0.65 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 45 kW लेता है। समांतर में जुड़ा संधारित्र शक्ति गुणक को 0.9 तक बढ़ाता है। आवश्यक धारिता C ज्ञात कीजिए।
P = 45 kWpf1 = 0.65pf2 = 0.9V = 400 Vf = 60 Hz
C = µF
7.त्रि-फ़ेज़ शक्तिमध्यम
एक त्रि-फ़ेज़ प्रेरण मोटर पूर्ण भार पर 30 kW यांत्रिक निर्गत शक्ति देती है। इस भार पर इसकी दक्षता 94% और शक्ति गुणक 0.82 पश्चगामी है। आपूर्ति की लाइन-से-लाइन वोल्टता 690 V है। लाइन धारा IL ज्ञात कीजिए।
Pout = 30 kWη = 94%cos φ = 0.82VL = 690 V
IL = A
8.त्रि-फ़ेज़ शक्तिकठिन
एक संतुलित त्रि-फ़ेज़ भार 480 V (लाइन-से-लाइन), 50 Hz आपूर्ति से 0.8 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 50 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 Y में जुड़े हैं। हर संधारित्र की धारिता Cph µF में ज्ञात कीजिए।
P = 50 kWpf1 = 0.8pf2 = 0.9VL = 480 Vf = 50 Hz
Cph = µF
3विलयन
1.DC-DC कन्वर्टर
उत्तर: ΔIL = 0.7149 A
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 Vo = D·Vin, बूस्ट Vo = Vin/(1 − D), प्रतिलोमी बक-बूस्ट |Vo| = Vin·D/(1 − D)। आदर्श कन्वर्टर शक्ति को बनाए रखता है: Vin·Iin = Vo·Io। जब S चालू होता है तब प्रेरक धारा ΔIL = VL·D·T/L से बढ़ती है, जहाँ बक के लिए VL = Vin − Vo और बूस्ट तथा बक-बूस्ट के लिए Vin है। निर्गत रिपल बक के लिए ΔVo = ΔIL/(8fC) और बूस्ट तथा बक-बूस्ट के लिए Io·D/(fC) है। प्रेरक धारा शून्य को ठीक छूती है (CCM सीमा) जब औसत प्रेरक धारा ΔIL/2 के बराबर हो।
कर्तव्य चक्र
D = 1 − 24/80 = 0.7
चालू-समय में प्रेरक वोल्टता
जब S चालू होता है, प्रेरक सीधे Vin के पार होता है।
VL = 24 V
रिपल धारा
ΔIL = VL·D/(L·f) = 24·0.7/(47·10⁻⁶·500·10³) = 0.7149 A
उत्तर
ΔIL = 0.7149 A
2.DC-DC कन्वर्टर
उत्तर: Io,min = 0.08182 A
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 Vo = D·Vin, बूस्ट Vo = Vin/(1 − D), प्रतिलोमी बक-बूस्ट |Vo| = Vin·D/(1 − D)। आदर्श कन्वर्टर शक्ति को बनाए रखता है: Vin·Iin = Vo·Io। जब S चालू होता है तब प्रेरक धारा ΔIL = VL·D·T/L से बढ़ती है, जहाँ बक के लिए VL = Vin − Vo और बूस्ट तथा बक-बूस्ट के लिए Vin है। निर्गत रिपल बक के लिए ΔVo = ΔIL/(8fC) और बूस्ट तथा बक-बूस्ट के लिए Io·D/(fC) है। प्रेरक धारा शून्य को ठीक छूती है (CCM सीमा) जब औसत प्रेरक धारा ΔIL/2 के बराबर हो।
कर्तव्य चक्र
D = 3.6/9 = 0.4
रिपल धारा
ΔIL = 3.6·0.6/(330·10⁻⁶·40·10³) = 0.1636 A
सीमा भार धारा
Io,min = ΔIL/2 = 0.08182 A
उत्तर
Io,min = 0.08182 A
इस धारा से कम पर कन्वर्टर असंतत चालन में चला जाता है और Vo, D·Vin से ऊपर उठ जाता है।
3.DC मोटरें
उत्तर: SR = 3.383 %
DC मोटर: आर्मेचर प्रतिरोध Ra है जो back-EMF E के श्रेणीक्रम में है, इसलिए V = E + Ia·Ra। back-EMF चाल के साथ बढ़ता है, E = k·ω, और बल-आघूर्ण धारा के साथ, T = k·Ia, 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·Ia = T·ω है; निवेश शक्ति V·Ia है, और ताम्र हानि Ia²Ra तथा घूर्णन हानि इनका अंतर बनाती हैं। चाल बल-आघूर्ण के साथ सरल रेखा में घटती है, ω = V/k − Ra·T/k², अनिरोध चाल V/k से शून्य तक, जो रुद्ध बल-आघूर्ण k·V/Ra पर होती है। विराम अवस्था में E = 0 होता है, इसलिए प्रारंभिक धारा V/Ra बड़ी होती है, जब तक कोई प्रतिरोध उसे सीमित न करे।
अनिरोध और पूर्ण-भार चाल
n₀ = 60·220/(2π·0.6) = 3501 rpm
nFL = 60·(220 − 6·1.2)/(2π·0.6) = 3387 rpm
चाल नियमन
SR = (3501 − 3387)/3387·100 = 3.383 %
उत्तर
SR = 3.383 %
4.DC मोटरें
उत्तर: Pmax = 1800 W
DC मोटर: आर्मेचर प्रतिरोध Ra है जो back-EMF E के श्रेणीक्रम में है, इसलिए V = E + Ia·Ra। back-EMF चाल के साथ बढ़ता है, E = k·ω, और बल-आघूर्ण धारा के साथ, T = k·Ia, 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·Ia = T·ω है; निवेश शक्ति V·Ia है, और ताम्र हानि Ia²Ra तथा घूर्णन हानि इनका अंतर बनाती हैं। चाल बल-आघूर्ण के साथ सरल रेखा में घटती है, ω = V/k − Ra·T/k², अनिरोध चाल V/k से शून्य तक, जो रुद्ध बल-आघूर्ण k·V/Ra पर होती है। विराम अवस्था में E = 0 होता है, इसलिए प्रारंभिक धारा V/Ra बड़ी होती है, जब तक कोई प्रतिरोध उसे सीमित न करे।
back-EMF के फलन के रूप में शक्ति
P(E) = E·(V − E)/Ra
dP/dE = 0 → E = V/2 = 60 V
अधिकतम शक्ति
Pmax = (V/2)²/Ra = V²/(4Ra) = 120²/(4·2) = 1800 W
उत्तर
Pmax = 1800 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: X = 4.024 Ω
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।
सक्रिय शक्ति से प्रतिरोध
R = P/I² = 1404/13² = 8.308 Ω
प्रतिबाधा से प्रतिघात
|Z| = V/I = 120/13 = 9.231 Ω
X = √(|Z|² − R²) = √(9.231² − 8.308²) = 4.024 Ω
उत्तर
X = 4.024 Ω
6.AC शक्ति और शक्ति गुणक
उत्तर: C = 510.9 µF
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।
पहले और बाद की प्रतिघाती शक्ति
सक्रिय शक्ति P नहीं बदलती; केवल आपूर्ति से ली गई प्रतिघाती शक्ति बदलती है।
Q1 = P·tan φ1 = 45·tan(49.46°) = 52.61 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 45·tan(25.84°) = 21.79 kvar
QC = Q1 − Q2 = 30.82 kvar
धारिता
आपूर्ति के पार लगा संधारित्र Q = V²·ωC देता है।
C = QC/(2πf·V²) = 30816/(2π·60·400²) = 510.9 µF
उत्तर
C = 510.9 µF
7.त्रि-फ़ेज़ शक्ति
उत्तर: IL = 32.57 A
संतुलित त्रि-फ़ेज़ तंत्र: Y (स्टार) संयोजन में लाइन-से-लाइन वोल्टता फ़ेज़ वोल्टता की √3 गुना होती है, VL = √3·Vph, 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, IL = √3·Iph। कुल शक्ति एक फ़ेज़ की शक्ति की तीन गुना होती है: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ।
विद्युत निवेश शक्ति
Pin = Pout/η = 30/0.94 = 31.91 kW
लाइन धारा
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 31915/(√3·690·0.82) = 32.57 A
उत्तर
IL = 32.57 A
8.त्रि-फ़ेज़ शक्ति
उत्तर: Cph = 183.5 µF
संतुलित त्रि-फ़ेज़ तंत्र: Y (स्टार) संयोजन में लाइन-से-लाइन वोल्टता फ़ेज़ वोल्टता की √3 गुना होती है, VL = √3·Vph, 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, IL = √3·Iph। कुल शक्ति एक फ़ेज़ की शक्ति की तीन गुना होती है: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ। शक्ति गुणक सुधार: संधारित्र स्थानीय रूप से प्रतिघाती शक्ति देते हैं, QC = P·(tan φ1 − tan φ2)। तीनों संधारित्रों में से हर एक QC/3 = V²·ω·C देता है, जहाँ V उस संधारित्र पर वोल्टता है: Δ बैंक में VL, Y बैंक में VL/√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 0.8) = 50·0.75 = 37.5 kvar
Q2 = 50·tan(acos 0.9) = 50·0.4843 = 24.22 kvar
संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति
QC = Q1 − Q2 = 13.28 kvar
प्रति फ़ेज़ धारिता
Y बैंक में हर संधारित्र एक लाइन और स्टार बिंदु के बीच जुड़ा होता है।