Q5 50M Compulsory solve Electromagnetic waves, transformers, power electronics, communication systems, transmission lines
(a) A uniform plane wave travels in vacuum along +y direction. The electric field of the wave at some instant is given as $\vec{E} = 4\hat{x} + 3\hat{z}$. Find the vector magnetic field $\vec{H}$. (Given, $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}$ H/m, $\varepsilon_0 = \frac{1}{36\pi} \times 10^{-9}$ F/m) (10 marks)
(b) The maximum efficiency of a 200 kVA, 3300/600 V, 50 Hz, single-phase transformer is 98% and occurs at 75% full load and unity power factor. If the leakage impedance is 10%, find the voltage regulation at full load and power factor 0.8 lagging. (10 marks)
(c) A diode circuit with an L-C load is shown in the figure, with the capacitor having an initial voltage $V_C(t=0) = 120$ V, capacitance $C = 12$ μF and inductance $L = 48$ μH. If switch S is closed at $t = 0$ s, then find the following: (i) Peak value of current $i$ (ii) Conduction time of the diode (10 marks)
(d) How can linear pre-emphasis and de-emphasis filters be employed to improve the performance of an FM system? Is the improvement in output SNR dependent on both the frequency responses of the pre-emphasis filter and the de-emphasis filter? (10 marks)
(e) A transmission line is 25 m long. It has characteristic impedance Z₀ = 40 Ω and operates at 2 MHz. The line is terminated with a load of Z_L = (50 + j30) Ω. If the wave velocity is u = 0.8c (with c = 3×10⁸ m/s) on the line, determine (i) the reflection coefficient and (ii) the input impedance. (10 marks)
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(a) एक एकसमान समतल तरंग निर्वात में +y दिशा में चल रही है। तरंग का विद्युत क्षेत्र किसी समय पर $\vec{E} = 4\hat{x} + 3\hat{z}$ द्वारा प्रदर्शित है। सदिश चुंबकीय क्षेत्र $\vec{H}$ निकालिए। (दिया है, $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}$ H/m, $\varepsilon_0 = \frac{1}{36\pi} \times 10^{-9}$ F/m) (10 अंक)
(b) एक 200 kVA, 3300/600 V, 50 Hz, एकल कला परिणामित्र की अधिकतम दक्षता 98% है एवं पूर्ण भार के 75% भार तथा इकाई शक्ति गुणांक पर प्राप्त होती है। यदि क्षरण प्रतिबाधा 10% हो, तो पूर्ण भार एवं 0.8 पश्चगामी शक्ति गुणांक पर वोल्टता नियमन ज्ञात कीजिए। (10 अंक)
(c) दर्शाए गए डायोड एवं L-C भार संयुक्त परिपथ में संधारित्र की प्रारंभिक वोल्टता $V_C(t=0) = 120$ V, धारिता का मान $C = 12$ μF एवं प्रेरकत्व का मान $L = 48$ μH है। यदि स्विच S को समय $t = 0$ s पर बंद किया जाए, तो निम्नलिखित ज्ञात कीजिए: (i) धारा $i$ का शिखर मान (ii) डायोड का चालन समय (10 अंक)
(d) रैखिक पूर्व-प्रबलन और विप्रबलन छक्कों (फिल्टरों) को एक FM तंत्र का प्रदर्शन उन्नत करने के लिए कैसे नियोजित किया जा सकता है? क्या निगत S/N अनुपात में उन्नयन पूर्व-प्रबलन छक्क और विप्रबलन छक्क दोनों की आवृत्ति प्रतिक्रियाओं पर निर्भर है? (10 अंक)
(e) एक प्रेषण लाइन 25 m लम्बी है। इसकी लाक्षणिक प्रतिबाधा Z₀ = 40 Ω है और यह 2 MHz पर कार्य करती है। लाइन एक भार Z_L = (50 + j30) Ω पर समाप्त होती है। यदि लाइन पर तरंग वेग u = 0.8c है (जहाँ c = 3×10⁸ m/s है), तो (i) परावर्तन गुणांक और (ii) निवेश प्रतिबाधा ज्ञात कीजिए। (10 अंक)
Answer approach & key points
Solve all five sub-parts systematically, allocating approximately 20% time to each part since marks are equal. Begin with clear statement of given data and required unknowns for each sub-part. Present derivations step-by-step with proper units, then substitute numerical values. For part (c), sketch the L-C circuit diagram showing diode, switch, inductor and capacitor with initial polarity. Conclude each part with boxed final answers and brief physical interpretation.
- Part (a): Apply Poynting vector relation; use η₀ = √(μ₀/ε₀) = 120π Ω; determine H = (1/η₀)(âₓ × E) with propagation in +y direction giving H = (3/120π)âₓ - (4/120π)â_z A/m
- Part (b): Calculate core loss and copper loss at maximum efficiency condition; use P_cu = x²P_cu,FL to find full-load copper loss; apply voltage regulation formula with leakage impedance to find % regulation ≈ 6.5%
- Part (c): Analyze underdamped RLC circuit; derive i(t) = (V_C/ω_dL)e^(-αt)sin(ω_d t); find peak current I_peak = V_C√(C/L) ≈ 60 A; conduction time = π/ω_d ≈ 48 μs until current returns to zero
- Part (d): Explain pre-emphasis boosts high frequencies before modulation matching FM noise triangle; de-emphasis attenuates highs after demodulation; SNR improvement depends only on de-emphasis filter matching noise spectrum, not pre-emphasis
- Part (e): Calculate reflection coefficient Γ = (Z_L - Z₀)/(Z_L + Z₀) = 0.35∠56.3°; find electrical length βl = 2πf/u = 0.418 rad; apply transmission line equation for input impedance Z_in = Z₀(Z_L + jZ₀tanβl)/(Z₀ + jZ_Ltanβl)
Q6 50M derive AM demodulation, FM signals, PWM inverters, induction motor characteristics
(a) (i) An AM signal s(t) = A_c[1 + k_a m(t)]cos(2πf_c t) is applied to the system shown in the figure. Show that the message signal m(t) can be obtained from the square-rooter output v₃(t): Assume that |k_a m(t)| < 1 for all t, the message signal m(t) is limited to the interval −ω ≤ f ≤ ω, and the carrier frequency f_c > 2ω. (10 marks)
(ii) A narrow band FM signal is approximately given as $$s(t) \approx A_c \cos(2\pi f_c t) - \beta A_c \sin(2\pi f_c t)\sin(2\pi f_m t)$$ Determine the envelope of this modulated signal. Also determine the ratio of the maximum to the minimum value of this envelope. Plot this ratio versus β, with β restricted to the interval 0 ≤ β ≤ 0·4. Also determine the average power of the narrow band FM signal, expressed as a percentage of the average power of the unmodulated carrier wave. (10 marks)
(b) (i) Explain why PWM inverters are preferred over square wave inverters. Further, draw the harmonic spectrum to highlight the differences in unipolar and bipolar PWM techniques. (10 marks)
(ii) A single-phase, full-bridge inverter has DC-link voltage $V_{DC} = 400$ V, and the fundamental frequency of 50 Hz. Find the r.m.s. value of the voltages of the fundamental and next two prominent harmonics for the following cases: (1) Square wave mode (2) Voltage cancellation mode with α = 20° (10 marks)
(c) A 50 hp, 440 V, 50 Hz, star-connected, three-phase induction motor has a starting torque of 75% and maximum torque of 250% of the full-load torque. Find the following: (i) Slip at which maximum torque occurs (ii) Slip at full-load torque (10 marks)
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(a) (i) एक AM संकेत s(t) = A_c[1 + k_a m(t)]cos(2πf_c t) चित्र में प्रदर्शित तंत्र पर अनुप्रयुक्त है। दिखाइए कि संदेश संकेत m(t) को वर्गमूलक निर्गत v₃(t) से प्राप्त किया जा सकता है: मान लीजिए कि t के सभी मानों के लिए |k_a m(t)| < 1 है, संदेश संकेत m(t) अन्तराल −ω ≤ f ≤ ω में सीमित है और वाहक आवृत्ति f_c > 2ω है। (10 अंक)
(ii) एक संकीर्ण बैंड FM संकेत लगभग निम्न द्वारा निर्धारित है: $$s(t) \approx A_c \cos(2\pi f_c t) - \beta A_c \sin(2\pi f_c t)\sin(2\pi f_m t)$$ इस मॉडुलित संकेत का आवरण (एनवेलप) ज्ञात कीजिए। इस आवरण के अधिकतम व न्यूनतम मान का अनुपात भी ज्ञात कीजिए। इस अनुपात का β के सापेक्ष आलेख कीजिए, जबकि β अंतराल 0 ≤ β ≤ 0·4 में सीमित है। साथ ही संकीर्ण बैंड FM संकेत की औसत शक्ति का मान, अमॉडुलित वाहक तरंग की औसत शक्ति के प्रतिशत के रूप में व्यक्त कीजिए। (10 अंक)
(b) (i) PWM प्रतिपथों (इन्वर्टरों) को वर्ग तरंग प्रतिपथों की अपेक्षा क्यों ज्यादा पसंद किया जाता है, व्याख्या कीजिए। एक-ध्रुवीय एवं द्वि-ध्रुवीय PWM तकनीकों में अंतर को उजागर करने के लिए सनादी स्पेक्ट्रम को आरेखित कीजिए। (10 अंक)
(ii) एक एकल कला वाला पूर्ण-ब्रिज प्रतिपथ की DC-लिंक वोल्टता $V_{DC} = 400$ V एवं मूल आवृत्ति 50 Hz है। मूल एवं आगे के दो प्रमुख सनादी की वोल्टता के r.m.s. मान को निम्नलिखित प्रकरणों में ज्ञात कीजिए: (1) वर्ग तरंग विधा (2) वोल्टता निरस्तीकरण विधा, जब α = 20° है (10 अंक)
(c) एक 50 hp, 440 V, 50 Hz, तारा-संयोजित, त्रिकला प्रेरण मोटर का आरंभिक बल-आघूर्ण, पूर्ण-भार बल-आघूर्ण का 75% और अधिकतम बल-आघूर्ण, पूर्ण-भार बल-आघूर्ण का 250% है। निम्नलिखित ज्ञात कीजिए: (i) सर्पण, जिस पर बल-आघूर्ण अधिकतम होता है (ii) पूर्ण-भार बल-आघूर्ण पर सर्पण (10 अंक)
Answer approach & key points
Begin with a brief introduction acknowledging the three distinct domains: AM/FM demodulation, PWM inverter analysis, and induction motor characteristics. Allocate approximately 25% time to part (a) covering AM envelope detection and FM envelope/power calculations; 25% to part (b) on PWM advantages and harmonic analysis with spectra; 25% to part (c) on torque-slip characteristics; reserve 25% for diagrams, numerical verification, and conclusion. For (a)(i), derive the square-rooter output step-by-step; for (a)(ii), use trigonometric identities for envelope extraction; for (b), contrast unipolar/bipolar PWM spectra; for (c), apply the torque-slip equation T ∝ s/(r₂² + (sx₂)²).
- (a)(i) Derivation showing v₃(t) = A_c√[1+k_a m(t)] through squaring, filtering, and square-root operations with proper justification of LPF cutoff selection (f_c > 2ω)
- (a)(ii) Envelope derivation using A(t) = A_c√[1 + β²sin²(2πf_m t)], ratio (1+β)/(1-β) for small β, correct plot of ratio vs β (0 to 0.4), and power calculation showing ≈(1+β²/4)×100%
- (b)(i) PWM advantages: reduced harmonic distortion, adjustable output voltage via modulation index, better THD; clear harmonic spectrum comparison showing unipolar eliminates even harmonics and carrier multiples while bipolar has harmonics at mf_c ± nf_o
- (b)(ii) Square wave: V₁ = 0.9V_DC = 360V, V₃ = 120V, V₅ = 72V; Voltage cancellation: V₁ = (4V_DC/π)cosα = 428.5V, correct harmonic elimination pattern with α = 20°
- (c) Using T_max/T_fl = 2.5 and T_st/T_fl = 0.75 with torque-slip relation: slip at T_max s_max = r₂/x₂ = 0.183, full-load slip s_fl = 0.037 (or 0.163 if using approximate method), showing both exact and approximate solutions
- Proper use of Thevenin equivalent or approximate equivalent circuit for induction motor torque calculations with clear assumption statements
Q7 50M solve Power electronics, synchronous machines and electromagnetics
(a) (i) Draw the neat and properly labelled output voltage waveform of a three-phase, phase-controlled rectifier having firing angle α. Also derive the relationship for average output voltage in terms of line voltage V_LL and firing angle α. (10 marks)
(ii) A three-phase full-wave controlled rectifier is being operated from a star-connected, 415 V, 50 Hz supply. This rectifier is feeding a constant current load of 15 kW. It is required to obtain an average output voltage of 80% of maximum possible output voltage. Find the firing angle, r.m.s. value of line current and input power factor. Assume devices are ideal. (10 marks)
(b) (i) Show that the maximum power that a synchronous generator can supply when connected to constant voltage, constant frequency busbars increases with the excitation. (10 marks)
(ii) An 11 kV, 3-phase, star-connected turbo-alternator delivers 250 A at unity power factor when running on constant voltage and frequency busbars. If the excitation is increased so that the delivered current rises to 300 A, find the power factor at which now machine works and percentage increase in the induced e.m.f., assuming a constant steam supply and unchanged efficiency. The armature resistance is 0·5 Ω per phase and the synchronous reactance is 10 Ω per phase. (10 marks)
(c) A medium has infinite conductivity for z ≤ 0, ε_r = 7 and μ_r = 18, and σ = 0 for z > 0. The electric field for z > 0 is given as $\vec{E} = 10\cos(3 \times 10^8 t - 15x)\hat{z}$, as shown below. Determine the surface charge density and surface current density at location (3, 4, 0) at t = 0·8 ns. Given, $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}$ H/m, $\varepsilon_0 = \frac{1}{36\pi} \times 10^{-9}$ F/m : (10 marks)
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(a) (i) एक त्रिकला, कला-नियंत्रित दिष्कारी, जिसका फायरन कोण α है, का स्वच्छ एवं यथायोग्य चिह्नित निर्गत बोल्टता तरंगरूप आरेखित कीजिए। लाइन बोल्टता V_LL और फायरन कोण α के सापेक्ष औसत निर्गत बोल्टता के लिए संबंध भी व्युत्पन्न कीजिए। (10 अंक)
(ii) एक त्रिकला पूर्ण-तरंग नियंत्रित दिष्कारी एक तारा-संयोजित, 415 V, 50 Hz प्रदाय द्वारा संचालित है। यह दिष्कारी एक 15 kW के स्थिर धारा भार को पोषित करता है। अधिकतम संभव निर्गत बोल्टता का 80% औसत निर्गत बोल्टता प्राप्त करना वांछित है। फायरन कोण, लाइन धारा का r.m.s. मान और निवेश शक्ति गुणांक का मान ज्ञात कीजिए। मान लीजिए कि उपकरण आदर्श हैं। (10 अंक)
(b) (i) दिखाइए कि अधिकतम शक्ति, जो स्थिर बोल्टता, स्थिर आवृत्ति बसबार पर संयोजित एक तुल्यकालिक जनित्र प्रदान कर सकता है, उतेजन के साथ बढ़ती है। (10 अंक)
(ii) एक 11 kV, 3-कला, तारा-संयोजित टर्बो-प्रत्यावर्तित्र जब स्थिर बोल्टता और आवृत्ति के बसबार पर क्रियाशील है, इकाई शक्ति गुणांक पर 250 A देता है। यदि उतेजन को बढ़ा दिया जाता है ताकि प्रदत धारा 300 A तक बढ़ जाए, तो शक्ति गुणांक, जिस पर अब यंत्र काम करता है, और प्रेरित e.m.f. में प्रतिशत वृद्धि को स्थिर भार प्रदाय व अपरिवर्तित दक्षता मानते हुए ज्ञात कीजिए। आर्मेचर प्रतिरोध 0·5 Ω प्रति कला तथा तुल्यकालिक प्रतिघात 10 Ω प्रति कला है। (10 अंक)
(c) z ≤ 0, ε_r = 7 और μ_r = 18 होने पर एक माध्यम की चालकता अनंत है और z > 0 के लिए σ = 0 है। z > 0 के लिए विद्युत क्षेत्र $\vec{E} = 10\cos(3 \times 10^8 t - 15x)\hat{z}$ है, जैसा कि नीचे प्रदर्शित है। स्थान (3, 4, 0) पर t = 0·8 ns पर सतह आवेश घनत्व और सतह धारा घनत्व ज्ञात कीजिए। दिया गया है, $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7}$ H/m, $\varepsilon_0 = \frac{1}{36\pi} \times 10^{-9}$ F/m : (10 अंक)
Answer approach & key points
Solve this multi-part numerical problem by allocating approximately 25% time to each of parts (a)(i), (a)(ii), (b)(ii), and (c), with part (b)(i) requiring brief theoretical proof. Begin with clear diagrams and derivations for the rectifier waveform, then proceed systematically through calculations for firing angles, power factors, and electromagnetic boundary conditions, concluding with physical interpretations of each result.
- For (a)(i): Correct three-phase bridge rectifier output waveform with 6-pulse ripple, proper labeling of firing angle α, conduction intervals, and phase voltages; derivation of V_avg = (3√3/π)V_LL cos(α) for continuous conduction
- For (a)(ii): Calculation of firing angle α = cos⁻¹(0.8) = 36.87°, RMS line current = 20.82 A, and input power factor = 0.8 lagging using proper relationships for constant current load
- For (b)(i): Proof that P_max = EV/X_s increases with excitation E, using power-angle characteristics and showing ∂P_max/∂E > 0 for constant V and X_s
- For (b)(ii): Calculation of new power factor = 0.833 lagging, percentage increase in induced EMF = 19.6%, using power balance with constant steam input and phasor diagrams
- For (c): Application of boundary conditions at z=0 for perfect conductor; surface charge density ρ_s = 83.14 nC/m² and surface current density J_s = -0.424 ŷ A/m at (3,4,0) using wave impedance and propagation constants
Q8 50M solve Electromagnetics, communication systems and power electronics
(a) In the figure given below, region 1 is the side of the plane y+z=1 containing the origin and in this region, μ_r₁ = 5. In region 2, μ_r₂ = 7. It is given that B⃗₁ = 3·0a⃗_x + 1·0a⃗_y (T). Determine B⃗₂ and H⃗₂. Given, μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m : (20 marks)
(b) The message signal m(t) has a bandwidth of 20 kHz, a power of 20 W and a maximum amplitude of 8. It is desired to transmit this message through a channel to the destination with 80 dB attenuation and additive white noise with power spectral density $S_n(f) = \frac{N_0}{2} = 0.5 \times 10^{-12}$ W/Hz and achieve an SNR at the modulator output of at least 50 dB. What is the required transmitter power and channel bandwidth, if the modulation scheme employed is as under?
(i) DSB-SC AM
(ii) SSB AM
(iii) Conventional DSB AM with modulation index 0·6 (20 marks)
(c) An ideal DC-DC converter as shown in the figure has an input voltage of $V_s = 20$ V, the duty ratio $D = 0.25$ and the switching frequency is 20 kHz. The inductance $L = 150 \mu H$ and capacitance $C = 240 \mu F$. The average diode current is 1.2 A. Determine the following :
(i) Peak-peak ripple current of the inductor
(ii) Peak current through the switch S (10 marks)
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(a) नीचे दिए गए चित्र में समतल y+z=1 के एक ओर क्षेत्र 1 है, जिसमें मूल है और इस क्षेत्र में μ_r₁ = 5 है। क्षेत्र 2 में, μ_r₂ = 7 है। यह दिया गया है कि B⃗₁ = 3·0a⃗_x + 1·0a⃗_y (T) है। B⃗₂ और H⃗₂ ज्ञात कीजिए। दिया गया है कि, μ₀ = 4π × 10⁻⁷ H/m : (20 अंक)
(b) संदेश संकेत m(t) की पटिका चौड़ाई 20 kHz, शक्ति 20 W और अधिकतम आयाम 8 है। इस संदेश को 80 dB क्षीणन और S_n(f) = N₀/2 = 0.5 × 10⁻¹² W/Hz शक्ति वर्णक्रम घनत्व के संयोजक श्वेत रव वाले एक चैनल से होकर गंतव्य तक प्रेषित करना वांछित है और मॉडुलक निर्गत पर कम-से-कम 50 dB SNR उपार्जित करना है। निम्नलिखित मॉडुलन योजना होने पर वांछित प्रेषित शक्ति और चैनल पटिका चौड़ाई क्या होगी?
(i) DSB-SC AM
(ii) SSB AM
(iii) 0·6 मॉडुलन सूचकांक के साथ प्रचलित DSB AM (20 अंक)
(c) चित्र में दर्शाए अनुसार एक आदर्श DC-DC परिवर्तक की निवेश वोल्टता $V_s = 20$ V, उपयोगिता अनुपात $D = 0.25$ और स्विचन आवृत्ति 20 kHz है। प्रेरक $L = 150 \mu H$ और संधारिता $C = 240 \mu F$ है। औसत डायोड धारा 1.2 A है। निम्नलिखित ज्ञात कीजिए :
(i) प्रेरक में शिखर से शिखर उभयांश धारा
(ii) स्विच S से गुजरती हुई शिखर धारा (10 अंक)
Answer approach & key points
Solve this multi-part numerical problem by allocating approximately 40% time to part (a) on boundary conditions in magnetostatics, 40% to part (b) on AM modulation systems comparison, and 20% to part (c) on DC-DC converter analysis. Begin each part with stated governing equations, show complete derivations with unit tracking, and conclude with physically verified numerical answers.
- Part (a): Apply magnetic boundary conditions - normal component of B and tangential component of H are continuous across the interface; correctly identify normal vector to plane y+z=1 and decompose B₁ into normal and tangential components
- Part (b)(i): For DSB-SC AM, use (SNR)₀ = (P_T/P_R)×(P_m/N₀W) with P_R = P_T×10⁻⁸ (80 dB attenuation) and bandwidth = 2W = 40 kHz
- Part (b)(ii): For SSB AM, use same SNR formula but with bandwidth = W = 20 kHz and note 3 dB SNR advantage or equivalent power saving
- Part (b)(iii): For conventional AM with m=0.6, account for power in carrier and sidebands using η = m²/(2+m²), total transmitted power includes carrier power
- Part (c)(i): Calculate inductor ripple current using Δi_L = V_s(1-D)DT_s/L = V_sD(1-D)/(Lf_s) for buck converter operation
- Part (c)(ii): Determine peak switch current as I_L,avg + Δi_L/2 using relationship between average diode current and load current