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 बक कन्वर्टर 200 kHz पर L = 47 µH के साथ 24 V को 18 V में बदलता है। शिखर-से-शिखर प्रेरक रिपल धारा ΔIL ज्ञात कीजिए।

Vin​ = 24 VVo​ = 18 Vf = 200 kHzL = 47 µH
ΔIL = A
2.DC-DC कन्वर्टरकठिन
+−36 VSLC = 100 µFR = 20 Ω−+−24 V

एक आदर्श बक-बूस्ट कन्वर्टर 500 kHz पर 20 Ω भार के लिए 36 V को −24 V में बदलता है। निर्गत संधारित्र 100 µF है। mV में शिखर-से-शिखर निर्गत वोल्टता रिपल ΔVo ज्ञात कीजिए।

Vin​ = 36 VVo​ = −24 Vf = 500 kHzC = 100 µFR = 20 Ω
ΔVo = mV
3.DC मोटरेंमध्यम
T (N·m)n (rpm)n0​ = ?

k = 0.8 V·s/rad वाली एक DC मोटर 240 V से चलती है। अनिरोध पर सभी हानियाँ नगण्य मानते हुए rpm में इसकी अनिरोध चाल n0 ज्ञात कीजिए।

V = 240 Vk = 0.8 V·s/rad
n0 = rpm
4.DC मोटरेंकठिन
+−220 VRst​ = ?Ra​ = 0.4 Ω10 AM+−E = 0n = 0T

एक 220 V DC मोटर का आर्मेचर प्रतिरोध 0.4 Ω है। वह श्रेणी प्रारंभिक प्रतिरोध Rst ज्ञात कीजिए जो प्रारंभिक धारा को 10 A तक सीमित करे।

V = 220 VRa = 0.4 ΩImax = 10 A
Rst = Ω
5.AC शक्ति और शक्ति गुणकमध्यम
230 V121 kW, 0.823 kW, 0.9I = ?

230 V एकल-फ़ेज़ आपूर्ति से दो भार समांतर में जुड़े हैं: 0.8 पश्चगामी शक्ति गुणक पर एक 21 kW भार और 0.9 पश्चगामी शक्ति गुणक पर एक 3 kW भार। आपूर्ति से ली गई कुल धारा I ज्ञात कीजिए।

V = 230 VP1 = 21 kW, pf1 = 0.8 पश्चगामीP2 = 3 kW, pf2 = 0.9 पश्चगामी
I = A
6.AC शक्ति और शक्ति गुणककठिन
24 V1000 HzRs​ = 50 ΩXs​ = j30 ΩZL​ = ?

एक 24 V (rms), 1000 Hz स्रोत की आंतरिक प्रतिबाधा Zs = 50 + j30 Ω है। भार प्रतिबाधा ZL स्वतंत्र रूप से चुनी जा सकती है। भार को दी जा सकने वाली अधिकतम सक्रिय शक्ति Pmax ज्ञात कीजिए।

Vs = 24 V (rms)f = 1000 HzZs = 50 + j30 Ω
Pmax = W
7.त्रि-फ़ेज़ शक्तिमध्यम
ABCVL​ = 400 VIL​ = ?M11 kW, η = 88%cos φ = 0.88

एक त्रि-फ़ेज़ प्रेरण मोटर पूर्ण भार पर 11 kW यांत्रिक निर्गत शक्ति देती है। इस भार पर इसकी दक्षता 88% और शक्ति गुणक 0.88 पश्चगामी है। आपूर्ति की लाइन-से-लाइन वोल्टता 400 V है। लाइन धारा IL ज्ञात कीजिए।

Pout = 11 kWη = 88%cos φ = 0.88VL = 400 V
IL = A
8.त्रि-फ़ेज़ शक्तिकठिन
P = 60 kWφ1​S1​Q2​QC​

एक संतुलित त्रि-फ़ेज़ भार 415 V (लाइन-से-लाइन), 60 Hz आपूर्ति से 0.75 पश्चगामी शक्ति गुणक पर 60 kW लेता है। भार के समांतर एक त्रि-फ़ेज़ संधारित्र बैंक को समग्र शक्ति गुणक 0.92 पश्चगामी तक बढ़ाना है। वास्तविक शक्ति समान रहती है। संधारित्र Δ में जुड़े हैं। हर संधारित्र की धारिता Cph µF में ज्ञात कीजिए।

P = 60 kWpf1 = 0.75pf2 = 0.92VL = 415 Vf = 60 Hz
Cph = µF

3विलयन

1.DC-DC कन्वर्टर

उत्तर: ΔIL = 0.4787 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 = 18/24 = 0.75

चालू-समय में प्रेरक वोल्टता

जब S चालू होता है, प्रेरक Vin और Vo के बीच होता है।

VL = 24 − 18 = 6 V

रिपल धारा

ΔIL = VL·D/(L·f) = 6·0.75/(47·10⁻⁶·200·10³) = 0.4787 A

उत्तर

ΔIL = 0.4787 A
2.DC-DC कन्वर्टर

उत्तर: ΔVo = 9.6 mV

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 = 24/(36 + 24) = 0.4

लोड धारा

Io = 24/20 = 1.2 A

निर्गत रिपल

ΔVo = 1.2·0.4/(500·10³·100·10⁻⁶) = 9.6 mV

उत्तर

ΔVo = 9.6 mV
3.DC मोटरें

उत्तर: n0 = 2865 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।

अनिरोध चाल

ω₀ = V/k = 240/0.8 = 300 rad/s
n0 = 60·300/(2π) = 2865 rpm

उत्तर

n0 = 2865 rpm
4.DC मोटरें

उत्तर: Rst = 21.6 Ω

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।

कुल प्रतिरोध

Ra + Rst = 220/10 = 22 Ω

प्रारंभिक प्रतिरोधक

Rst = 22 − 0.4 = 21.6 Ω

उत्तर

Rst = 21.6 Ω

जैसे-जैसे मोटर की चाल बढ़ती है और back-EMF बढ़ता है, प्रतिरोधक को चरण-दर-चरण हटाया जाता है।

5.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: I = 128.4 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 = 21·tan(arccos 0.8) = 15.75 kvar
Q2 = 3·tan(arccos 0.9) = 1.453 kvar

योग

P = 21 + 3 = 24 kW
Q = 15.75 + 1.453 = 17.2 kvar
S = √(24² + 17.2²) = 29.53 kVA

कुल धारा

I = S/V = 29529/230 = 128.4 A

उत्तर

I = 128.4 A
6.AC शक्ति और शक्ति गुणक

उत्तर: Pmax = 2.88 W

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।

संयुग्मी मिलान

भार प्रतिघात स्रोत प्रतिघात को निरस्त करता है, और भार प्रतिरोध स्रोत प्रतिरोध के बराबर है।

ZL = Zs* = 50 − j30 Ω

अधिकतम शक्ति

I = Vs/(2Rs) = 24/100 = 0.24 A
Pmax = I²·RL = Vs²/(4Rs) = 24²/(4·50) = 2.88 W

उत्तर

Pmax = 2.88 W
7.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: IL = 20.5 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 = 11/0.88 = 12.5 kW

लाइन धारा

IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 12500/(√3·400·0.88) = 20.5 A

उत्तर

IL = 20.5 A
8.त्रि-फ़ेज़ शक्ति

उत्तर: Cph = 140.4 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 = 60·tan(acos 0.75) = 60·0.8819 = 52.92 kvar
Q2 = 60·tan(acos 0.92) = 60·0.426 = 25.56 kvar

संधारित्रों से प्रतिघाती शक्ति

QC = Q1 − Q2 = 27.36 kvar

प्रति फ़ेज़ धारिता

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

V = 415 V, ω = 2π·60 = 377 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 9118/(377·415²) = 140.4 µF

उत्तर

Cph = 140.4 µF

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