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
Vo = D·Vin
बूस्ट
Vo = Vin/(1 − D)
प्रतिलोमी बक-बूस्ट
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
आदर्श शक्ति संतुलन
VinIin = VoIo
प्रेरक रिपल
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
औसत प्रेरक धारा
बक Io; बूस्ट और बक-बूस्ट Io/(1 − D)
निर्गत रिपल
बक ΔIL/(8fC); बूस्ट और बक-बूस्ट Io·D/(fC)
CCM सीमा
बक (1 − D)R/(2f); बूस्ट D(1 − D)²R/(2f); बक-बूस्ट (1 − D)²R/(2f)

विधि

  1. कन्वर्टर (बक, बूस्ट या बक-बूस्ट) पहचानिए और वोल्टता अनुपात से कर्तव्य चक्र D निकालिए।
  2. प्रेरक पर वोल्ट-सेकंड संतुलन का उपयोग कीजिए: एक आवर्तकाल में औसत प्रेरक वोल्टता शून्य होती है।
  3. स्विच चालू रहने पर प्रेरक वोल्टता ज्ञात कीजिए, फिर ΔIL = VL·D/(L·f)।
  4. 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

  1. आर्मेचर परिपथ खींचिए: आपूर्ति V, प्रतिरोध Ra और back-EMF E श्रेणीक्रम में।
  2. वोल्टता, धारा और back-EMF को जोड़ने के लिए V = E + Ia·Ra का उपयोग कीजिए।
  3. चाल के लिए E = k·ω और बल-आघूर्ण के लिए T = k·Ia का उपयोग कीजिए, जहाँ ω = 2π·n/60।
  4. 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
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

एक आदर्श बूस्ट कन्वर्टर 40 kHz पर L = 220 µH के साथ 48 V को 96 V में बदलता है। शिखर-से-शिखर प्रेरक रिपल धारा ΔIL ज्ञात कीजिए।

Vin​ = 48 VVo​ = 96 Vf = 40 kHzL = 220 µH
ΔIL = A
2.DC-DC कन्वर्टरकठिन
tiL​Imax​IL​DTT2T

एक आदर्श बूस्ट कन्वर्टर 50 kHz पर 5 Ω भार के लिए 48 V को 120 V में बदलता है। संतत चालन के लिए न्यूनतम प्रेरकत्व Lcrit ज्ञात कीजिए।

Vin​ = 48 VVo​ = 120 Vf = 50 kHzR = 5 Ω
Lcrit = µH
3.DC मोटरेंमध्यम
T (N·m)n (rpm)3 N·mn0​n = ?

एक DC मोटर (k = 0.75 N·m/A, Ra = 1 Ω) 48 V से चलती है और 3 N·m का भार बल-आघूर्ण चलाती है। rpm में इसकी चाल n ज्ञात कीजिए।

V = 48 Vk = 0.75 N·m/ARa = 1 ΩT = 3 N·m
n = rpm
4.DC मोटरेंकठिन
+−240 VD = ?Ra​ = 0.2 ΩM+−En = 300 rpmT = 30 N·m

एक DC चॉपर 240 V DC बस से एक मोटर (k = 1 V·s/rad, Ra = 0.2 Ω) को शक्ति देता है। औसत आर्मेचर वोल्टता D·240 V है। वह कर्तव्य चक्र D ज्ञात कीजिए जिससे मोटर 30 N·m के भार के साथ 300 rpm पर चले।

Vdc = 240 Vk = 1 V·s/radRa = 0.2 ΩT = 30 N·mn = 300 rpm
D = %
5.AC शक्ति और शक्ति गुणकमध्यम
240 VR + jXP = 840 W5 A

एक प्रेरकीय भार 240 V (rms) एकल-फ़ेज़ आपूर्ति से 5 A और 840 W लेता है। इसे प्रतिघात X के साथ श्रेणी में एक प्रतिरोध R के रूप में मॉडल करें। R ज्ञात कीजिए।

V = 240 VI = 5 AP = 840 W
R = Ω
6.AC शक्ति और शक्ति गुणककठिन
230 V50 Hzभार8 kW, 0.8C47 µFI

एक एकल-फ़ेज़ भार 230 V, 50 Hz आपूर्ति से 0.8 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 8 kW लेता है। भार के समांतर में एक 47 µF संधारित्र जोड़ा जाता है। आपूर्ति द्वारा देखा गया नया शक्ति गुणक cos φ ज्ञात कीजिए।

P = 8 kWpf1 = 0.8V = 230 Vf = 50 HzC = 47 µF
cos φ =
7.त्रि-फ़ेज़ शक्तिमध्यम
ABCVL​ = 690 VIL​ = ?M45 kW, η = 95%cos φ = 0.9

एक त्रि-फ़ेज़ प्रेरण मोटर पूर्ण भार पर 45 kW यांत्रिक निर्गत शक्ति देती है। इस भार पर इसकी दक्षता 95% और शक्ति गुणक 0.9 पश्चगामी है। आपूर्ति की लाइन-से-लाइन वोल्टता 690 V है। लाइन धारा IL ज्ञात कीजिए।

Pout = 45 kWη = 95%cos φ = 0.9VL = 690 V
IL = A
8.त्रि-फ़ेज़ शक्तिकठिन
P = 200 kWφ1​S1​Q2​QC​

एक संतुलित त्रि-फ़ेज़ भार 480 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 0.95 पश्चगामी तक बढ़ाना है। वास्तविक शक्ति समान रहती है। संधारित्र Δ में जुड़े हैं। हर संधारित्र की धारिता Cph µF में ज्ञात कीजिए।

P = 200 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3विलयन

1.DC-DC कन्वर्टर

उत्तर: ΔIL = 2.727 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 − 48/96 = 0.5

चालू-समय में प्रेरक वोल्टता

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

VL = 48 V

रिपल धारा

ΔIL = VL·D/(L·f) = 48·0.5/(220·10⁻⁶·40·10³) = 2.727 A

उत्तर

ΔIL = 2.727 A
2.DC-DC कन्वर्टर

उत्तर: Lcrit = 4.8 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 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 − 48/120 = 0.6

सीमा शर्त

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

Lcrit = D(1 − D)²·R/(2f)

क्रांतिक प्रेरकत्व

Lcrit = 0.6(1 − 0.6)²·5/(250·10³) = 4.8 µH

उत्तर

Lcrit = 4.8 µH
3.DC मोटरें

उत्तर: n = 560.2 rpm

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।

आर्मेचर धारा

Ia = T/k = 3/0.75 = 4 A

Back-EMF और चाल

E = 48 − 4·1 = 44 V
ω = E/k = 58.67 rad/s → n = 560.2 rpm

उत्तर

n = 560.2 rpm
4.DC मोटरें

उत्तर: D = 15.59 %

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।

आवश्यक आर्मेचर वोल्टता

Va = 1·31.42 + 30·0.2 = 37.42 V

कर्तव्य चक्र

D = 37.42/240 = 15.59 %

उत्तर

D = 15.59 %
5.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: R = 33.6 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 = 840/5² = 33.6 Ω

उत्तर

R = 33.6 Ω
6.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: cos φ = 0.8375

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 = 8·tan(arccos 0.8) = 6 kvar
QC = V²·2πf·C = 230²·2π·50·47·10⁻⁶ = 781.1 var = 0.7811 kvar
Q2 = 6 − 0.7811 = 5.219 kvar

नई आभासी शक्ति

S2 = √(8² + 5.219²) = 9.552 kVA

नया शक्ति गुणक

cos φ = P/S2 = 8/9.552 = 0.8375

उत्तर

cos φ = 0.8375
7.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: IL = 44.04 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 = 45/0.95 = 47.37 kW

लाइन धारा

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 47368/(√3·690·0.9) = 44.04 A

उत्तर

IL = 44.04 A
8.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: Cph = 424.6 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 = 200·tan(acos 0.75) = 200·0.8819 = 176.4 kvar
Q2 = 200·tan(acos 0.95) = 200·0.3287 = 65.74 kvar

संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति

QC = Q1 − Q2 = 110.6 kvar

प्रति फ़ेज़ धारिता

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

V = 480 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 36882/(377·480²) = 424.6 µF

उत्तर

Cph = 424.6 µF

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