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 बूस्ट कन्वर्टर 25 kHz पर L = 330 µH के साथ 36 V को 144 V में बदलता है। शिखर-से-शिखर प्रेरक रिपल धारा ΔI_L ज्ञात कीजिए।

Vin = 36 VVo = 144 Vf = 25 kHzL = 330 µH

ΔI_L = A

2.DC-DC कन्वर्टरकठिन

एक आदर्श प्रतिलोमी बक-बूस्ट कन्वर्टर 200 kHz पर 10 Ω भार के लिए 24 V को −56 V में बदलता है। संतत चालन के लिए न्यूनतम प्रेरकत्व L_crit ज्ञात कीजिए।

Vin = 24 VVo = −56 Vf = 200 kHzR = 10 Ω

L_crit = µH

3.DC मोटरेंमध्यम

एक DC मोटर (k = 0.75 V·s/rad, R_a = 0.4 Ω) 220 V से चलती है। पूर्ण भार पर यह 40 A लेती है। अनिरोध धारा नगण्य मानते हुए इसका चाल नियमन SR = (n₀ − n_FL)/n_FL प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

V = 220 Vk = 0.75 V·s/radR_a = 0.4 ΩI_FL = 40 A

SR = %

4.DC मोटरेंकठिन

एक DC मोटर (k = 0.6 V·s/rad, R_a = 1.2 Ω) स्थिर 120 V आपूर्ति पर 6 N·m का भार चलाती है। वह श्रेणी प्रतिरोध R_s ज्ञात कीजिए जो इसे 1500 rpm तक धीमा कर दे।

V = 120 Vk = 0.6 V·s/radR_a = 1.2 ΩT = 6 N·mn = 1500 rpm

R_s = Ω

5.AC शक्ति और शक्ति गुणकमध्यम

एक प्रेरकीय भार 240 V (rms) एकल-फ़ेज़ आपूर्ति से 3.5 A और 420 W लेता है। इसे प्रतिघात X के साथ श्रेणी में एक प्रतिरोध R के रूप में मॉडल करें। R ज्ञात कीजिए।

V = 240 VI = 3.5 AP = 420 W

R = Ω

6.AC शक्ति और शक्ति गुणककठिन

एक एकल-फ़ेज़ भार 230 V, 60 Hz आपूर्ति से 0.75 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 5 kW लेता है। समांतर में जुड़ा संधारित्र शक्ति गुणक को 0.95 तक बढ़ाता है। आवश्यक धारिता C ज्ञात कीजिए।

P = 5 kWpf₁ = 0.75pf₂ = 0.95V = 230 Vf = 60 Hz

C = µF

7.त्रि-फ़ेज़ शक्तिमध्यम

एक त्रि-फ़ेज़ प्रेरण मोटर पूर्ण भार पर 37 kW यांत्रिक निर्गत शक्ति देती है। इस भार पर इसकी दक्षता 92% और शक्ति गुणक 0.85 पश्चगामी है। आपूर्ति की लाइन-से-लाइन वोल्टता 400 V है। लाइन धारा I_L ज्ञात कीजिए।

P_out = 37 kWη = 92%cos φ = 0.85V_L = 400 V

I_L = A

8.त्रि-फ़ेज़ शक्तिकठिन

एक संतुलित त्रि-फ़ेज़ भार 690 V (लाइन-से-लाइन), 60 Hz आपूर्ति से 0.75 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 200 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 = 200 kWpf₁ = 0.75pf₂ = 0.9V_L = 690 Vf = 60 Hz

C_ph = µF

3विलयन

1.DC-DC कन्वर्टर

उत्तर: ΔI_L = 3.273 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 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 = 1 − 36/144 = 0.75

चालू-समय में प्रेरक वोल्टता

जब S चालू होता है, प्रेरक सीधे V_in के पार होता है।

V_L = 36 V

रिपल धारा

ΔI_L = V_L·D/(L·f) = 36·0.75/(330·10⁻⁶·25·10³) = 3.273 A

उत्तर

ΔI_L = 3.273 A

2.DC-DC कन्वर्टर

उत्तर: L_crit = 2.25 µH

कर्तव्य चक्र

D = 56/(24 + 56) = 0.7

सीमा शर्त

औसत प्रेरक धारा को रिपल धारा के आधे के बराबर रखिए और L के लिए हल कीजिए।

L_crit = (1 − D)²·R/(2f)

क्रांतिक प्रेरकत्व

L_crit = (1 − 0.7)²·10/(2200·10³) = 2.25 µH

उत्तर

L_crit = 2.25 µH

3.DC मोटरें

उत्तर: SR = 7.843 %

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।

अनिरोध और पूर्ण-भार चाल

n₀ = 60·220/(2π·0.75) = 2801 rpm

n_FL = 60·(220 − 40·0.4)/(2π·0.75) = 2597 rpm

चाल नियमन

SR = (2801 − 2597)/2597·100 = 7.843 %

उत्तर

SR = 7.843 %

4.DC मोटरें

उत्तर: R_s = 1.375 Ω

धारा और back-EMF

I_a = 6/0.6 = 10 A

E = 0.6·157.1 = 94.25 V

श्रेणी प्रतिरोध

R_a + R_s = (120 − 94.25)/10 = 2.575 Ω

R_s = 1.375 Ω

उत्तर

R_s = 1.375 Ω

प्रतिरोधक 137.5 W व्यर्थ करता है; चॉपर बहुत कम हानि के साथ चाल नियंत्रित करता है।

5.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: R = 34.29 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 = 420/3.5² = 34.29 Ω

उत्तर

R = 34.29 Ω

6.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: C = 138.7 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 = 5·tan(41.41°) = 4.41 kvar

Q₂ = P·tan φ₂ = 5·tan(18.19°) = 1.643 kvar

Q_C = Q₁ − Q₂ = 2.766 kvar

धारिता

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

C = Q_C/(2πf·V²) = 2766/(2π·60·230²) = 138.7 µF

उत्तर

C = 138.7 µF

7.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: I_L = 68.29 A

विद्युत निवेश शक्ति

P_in = P_out/η = 37/0.92 = 40.22 kW

लाइन धारा

I_L = P_in/(√3·V_L·cos φ) = 40217/(√3·400·0.85) = 68.29 A

उत्तर

I_L = 68.29 A

8.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: C_ph = 147.7 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 = 200·tan(acos 0.75) = 200·0.8819 = 176.4 kvar

Q₂ = 200·tan(acos 0.9) = 200·0.4843 = 96.86 kvar

संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति

Q_C = Q₁ − Q₂ = 79.52 kvar

प्रति फ़ेज़ धारिता

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

V = 690 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s

C_ph = (Q_C/3)/(ω·V²) = 26506/(377·690²) = 147.7 µF

उत्तर

C_ph = 147.7 µF

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