ऊर्जा रूपांतरण और हर मशीन के दो नियम
हर विद्युत मशीन दो जानी-पहचानी बातों पर चलती है:
- चलता चुंबक (या चलती कुंडली) कुंडली में वोल्टता पैदा करता है। यह विद्युत चुंबकीय प्रेरण है। जनित्र इसी से चलता है।
- चुंबकीय क्षेत्र में धारा पर बल लगता है। मोटर इसी से चलती है।
स्टेटर वह भाग है जो स्थिर रहता है। रोटर वह भाग है जो घूमता है। दोनों के बीच बहुत कम दूरी रहती है ताकि चुंबकीय क्षेत्र आसानी से गुज़रे। जनित्र और मोटर बहुत मिलते-जुलते हैं; एक ही मशीन अक्सर दोनों काम कर सकती है।
सिंक्रोनस मशीनें
सिंक्रोनस मशीन में रोटर चुंबक होता है (स्थायी चुंबक या DC से चलने वाला विद्युत चुंबक)। वह सप्लाई के घूमते चुंबकीय क्षेत्र की चाल के ठीक बराबर घूमता है। इस चाल को सिंक्रोनस चाल कहते हैं:
Ns = 120 × f / P (rpm), जहाँ f आवृत्ति (हर्ट्ज़) और P ध्रुवों की संख्या है।
जनित्र (अल्टरनेटर) में टरबाइन या इंजन चुंबक घुमाता है और स्टेटर कुंडलियाँ AC देती हैं, आवृत्ति f = P × N / 120। बिजलीघर और जहाज़ के जनित्र सिंक्रोनस मशीनें हैं। मोटर के रूप में यह भार कुछ भी हो, एक ही चाल पर चलती है, इसलिए घड़ियों और बड़े, स्थिर ड्राइवों में काम आती है। यह अपने आप शुरू नहीं होती; पहले चाल तक पहुँचाने के लिए सहायता चाहिए।
इंडक्शन मशीनें
इंडक्शन मोटर दुनिया में सबसे ज़्यादा इस्तेमाल होने वाली मोटर है। स्टेटर की कुंडलियों में तीन-फ़ेज़ AC आती है। ये कुंडलियाँ एक-एक करके जलकर घूमता चुंबकीय क्षेत्र बनाती हैं। क्षेत्र रोटर की छड़ों को काटता है और उनमें धारा प्रेरित करता है। उस धारा पर क्षेत्र में बल लगता है, इसलिए रोटर क्षेत्र की ही दिशा में घूमता है।
रोटर क्षेत्र को कभी पकड़ नहीं सकता। अगर पकड़ ले तो छड़ें कटेंगी नहीं और बल नहीं लगेगा। इसलिए रोटर सिंक्रोनस चाल से धीमा चलता है। यह अंतर स्लिप है:
s = (Ns − N) / Ns (अक्सर प्रतिशत में; पूरे भार पर 2 से 6 %)।
लोकप्रिय क्यों: ब्रश नहीं, DC सप्लाई नहीं, मज़बूत, सस्ती और अपने आप शुरू होती है। घर के पंखे और पंप सिंगल-फ़ेज़ इंडक्शन मोटर से चलते हैं; कारख़ाने की मशीनें और जहाज़ के पंप तीन-फ़ेज़ से।
DC मशीनें
DC मशीन में स्टेटर स्थिर चुंबकीय क्षेत्र बनाता है (फ़ील्ड चुंबक या फ़ील्ड कुंडली) और रोटर आर्मेचर कहलाता है। कम्यूटेटर (विभाजित छल्ला) और ब्रश (कार्बन के टुकड़े) आर्मेचर में धारा पहुँचाते हैं। हर आधे चक्कर पर कम्यूटेटर कुंडली की धारा उलट देता है, इसलिए बल हमेशा एक ही ओर धकेलता है और आर्मेचर घूमता रहता है।
- DC मोटर: वोल्टता बढ़ाने पर चाल बढ़ती है। इसे नियंत्रित करना आसान है, इसलिए क्रेन, रेल, लिफ़्ट और खिलौनों में काम आती है।
- DC जनित्र: कम्यूटेटर कुंडली की प्रत्यावर्ती वोल्टता को DC निर्गत में बदल देता है।
कमी: ब्रश घिसते हैं और चिंगारी देते हैं, इसलिए देखभाल चाहिए।
ट्रांसफ़ॉर्मर
ट्रांसफ़ॉर्मर बिना किसी चलते भाग के AC वोल्टता बदलता है। इसमें एक परतदार लोहे के क्रोड पर दो कुंडलियाँ होती हैं: प्राथमिक (निवेश) और द्वितीयक (निर्गत)। प्राथमिक की बदलती धारा क्रोड में बदलता चुंबकीय क्षेत्र बनाती है, जो द्वितीयक में वोल्टता प्रेरित करता है।
Vs / Vp = Ns / Np। द्वितीयक में ज़्यादा फेरे: वोल्टता ज़्यादा (उच्चायी, step-up)। कम फेरे: वोल्टता कम (अपचायी, step-down)। अच्छा ट्रांसफ़ॉर्मर बहुत कम बर्बादी करता है, इसलिए निवेश शक्ति लगभग निर्गत शक्ति के बराबर होती है: Vp × Ip ≈ Vs × Is। वोल्टता बढ़ती है तो धारा घटती है।
उपयोग: बिजलीघर लंबी दूरी के लिए वोल्टता बढ़ाते हैं, क्योंकि कम धारा से तारों में कम हानि होती है। सबस्टेशन और जहाज़ इसे कारख़ानों और कमरों के लिए घटाते हैं। ट्रांसफ़ॉर्मर सिर्फ़ AC पर चलता है, स्थिर DC पर नहीं। बड़े ट्रांसफ़ॉर्मर को ठंडा रखना पड़ता है; वे तेल में रखे होते हैं।
आपातकालीन बिजली सप्लाई
अस्पताल, जहाज़, लिफ़्ट और कारख़ाने को मुख्य सप्लाई जाने पर भी बत्ती और शक्ति चाहिए। आपातकालीन (स्टैंडबाय) सप्लाई में दो परतें होती हैं:
- बैटरी बैंक और UPS (अबाधित बिजली सप्लाई): बैटरी और इन्वर्टर, जो DC को वापस AC बना देता है। यह सेकंड के अंश में चालू हो जाता है, पर भार को सिर्फ़ मिनटों या घंटों चला सकता है।
- इंजन-जनित्र: डीज़ल इंजन सिंक्रोनस जनित्र चलाता है। इसे चालू होने में कुछ सेकंड लगते हैं, फिर ईंधन रहने तक कई घंटे चल सकता है।
स्वचालित चेंजओवर स्विच मेन्स जाना पहचानता है, इंजन चालू करता है और तैयार होने पर जनित्र को भार से जोड़ता है। यह जनित्र की बिजली को मृत मेन्स में वापस जाने से भी रोकता है। आपातकालीन बैटरियाँ नियमित चार्ज और परखी जानी चाहिए। जनित्र को हर हफ़्ते या महीने परीक्षण के लिए चलाएँ।
करके देखें: अनुपात खुद देखें
3D ट्रांसफ़ॉर्मर में प्राथमिक में 15 फेरे और 230 V हैं। द्वितीयक में 30 फेरे हों तो निर्गत वोल्टता का अंदाज़ा लगाएँ, फिर स्लाइडर चलाकर जाँचें। अब द्वितीयक 5 फेरे करें: यह उच्चायी है या अपचायी? इंडक्शन मोटर में स्लाइडर चलाएँ और देखें कि रोटर क्षेत्र से पीछे छूटता है। घर पर अपने फ़ोन चार्जर को देखें: उस पर निवेश (230 V AC) और निर्गत (जैसे 5 V DC) लिखा होता है। अंदर का ट्रांसफ़ॉर्मर कम वोल्टता देता है।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- सिंक्रोनस चाल Ns = 120 × f / P (rpm)
- जनित्र की आवृत्ति f = P × N / 120 (Hz)
- स्लिप s = (Ns − N) / Ns; रोटर की चाल N = Ns × (1 − s)
- ट्रांसफ़ॉर्मर: Vs / Vp = Ns / Np
- आदर्श ट्रांसफ़ॉर्मर की शक्ति: Vp × Ip = Vs × Is
- बैटरी चलने का समय ≈ (बैटरी वोल्टता × एम्पियर-घंटे) / भार शक्ति (वाट में)
हल किए गए उदाहरण
1. 50 Hz सप्लाई पर 4-ध्रुव मोटर की सिंक्रोनस चाल निकालें।
Ns = 120 × 50 / 4 = 1500 rpm।
2. 6-ध्रुव जनित्र को 1000 rpm पर घुमाया गया। आवृत्ति कितनी होगी?
f = P N / 120 = 6 × 1000 / 120 = 50 Hz।
3. 4-ध्रुव, 50 Hz इंडक्शन मोटर 1440 rpm पर चलती है। स्लिप निकालें।
Ns = 1500 rpm। s = (1500 − 1440) / 1500 = 60 / 1500 = 0.04, यानी स्लिप = 4 %।
4. ट्रांसफ़ॉर्मर में प्राथमिक के 1000 फेरे और द्वितीयक के 100 फेरे हैं। प्राथमिक पर 230 V है। द्वितीयक वोल्टता?
Vs = Vp × Ns / Np = 230 × 100 / 1000 = 23 V (अपचायी)।
5. एक ट्रांसफ़ॉर्मर 11000 V को 440 V में घटाता है। द्वितीयक में 100 फेरे हैं। प्राथमिक में कितने फेरे?
Np = Ns × Vp / Vs = 100 × 11000 / 440 = 2500 फेरे।
6. आदर्श ट्रांसफ़ॉर्मर 110 V पर 8 A देता है। प्राथमिक वोल्टता 440 V है। प्राथमिक धारा निकालें।
Vp Ip = Vs Is, इसलिए Ip = 110 × 8 / 440 = 2 A।
7. 12 V, 100 Ah की बैटरी आदर्श इन्वर्टर से 500 W का आपातकालीन भार चलाती है। लगभग कितनी देर?
ऊर्जा = 12 × 100 = 1200 Wh। समय = 1200 / 500 = 2.4 घंटे (असली बैटरी कम देती है, इसलिए परखें)।
आम गलतियाँ
- यह मानना कि इंडक्शन मोटर सिंक्रोनस चाल पर चलती है। वह हमेशा थोड़ी धीमी चलती है, क्योंकि स्लिप के बिना रोटर में धारा प्रेरित नहीं होती।
- ट्रांसफ़ॉर्मर को DC बैटरी पर लगाना। बदलती धारा से ही बदलता क्षेत्र बनता है, इसलिए DC में निर्गत नहीं मिलता (और प्राथमिक जल सकती है)।
- उच्चायी और अपचायी में गड़बड़ी। द्वितीयक के फेरे देखें: प्राथमिक से ज़्यादा तो उच्चायी, कम तो अपचायी।
- यह भूल जाना कि धारा उलटी चलती है: उच्चायी ट्रांसफ़ॉर्मर वोल्टता बढ़ाता है पर धारा घटाता है।