डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन

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डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन भी स्लिप-रिंग जनरेटर बिजली की मोटर ्स या बिजली पैदा करने वाला हैं, जहां क्षेत्र चुंबक वाइंडिंग और आर्मेचर (इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग) वाइंडिंग दोनों अलग-अलग मशीन के बाहर उपकरण से जुड़े होते हैं।

फील्ड कॉइल को समायोज्य आवृत्ति एसी पावर खिलाकर, चुंबकीय क्षेत्र को घुमाने के लिए बनाया जा सकता है, जिससे मोटर या जनरेटर की गति में भिन्नता हो सकती है। यह उपयोगी है, उदाहरण के लिए, पवन टर्बाइनों में प्रयुक्त जनरेटर के लिए।[1] DFIG-आधारित पवन टर्बाइन, उनके लचीलेपन और सक्रिय शक्ति और प्रतिक्रियाशील शक्ति को नियंत्रित करने की क्षमता के कारण, लगभग सबसे दिलचस्प पवन टरबाइन तकनीक हैं।[2][3]


परिचय

पवन टरबाइन के लिए डबल-फेड जनरेटर।

डबल फीड विद्युत जनरेटर वैकल्पिक विद्युत जनरेटर के समान हैं, लेकिन इसमें अतिरिक्त विशेषताएं हैं जो उन्हें अपनी प्राकृतिक तुल्यकालिक गति से थोड़ा ऊपर या नीचे गति से चलाने की अनुमति देती हैं। यह बड़ी चर गति वाली पवन टर्बाइनों के लिए उपयोगी है, क्योंकि हवा की गति अचानक बदल सकती है। जब हवा का एक झोंका पवन टरबाइन से टकराता है, तो ब्लेड गति बढ़ाने की कोशिश करते हैं, लेकिन एक तुल्यकालिक जनरेटर पावर ग्रिड की गति से लॉक हो जाता है और गति नहीं कर सकता। इसलिए हब, गियरबॉक्स और जनरेटर में बड़ी ताकतें विकसित होती हैं क्योंकि पावर ग्रिड पीछे धकेलता है। यह पहनने और तंत्र को नुकसान पहुंचाता है। अगर हवा के झोंके से प्रभावित होने पर टरबाइन को तुरंत गति देने की अनुमति दी जाती है, तो हवा के झोंके से बिजली के साथ तनाव कम होता है जो अभी भी उपयोगी बिजली में परिवर्तित हो रहा है।

पवन टरबाइन की गति को अलग-अलग करने की अनुमति देने के लिए एक दृष्टिकोण यह है कि जनरेटर जो भी आवृत्ति उत्पन्न करता है, उसे डीसी में परिवर्तित करें, और फिर इन्वर्टर का उपयोग करके वांछित आउटपुट आवृत्ति पर एसी में परिवर्तित करें। यह छोटे घरों और फार्म पवन टर्बाइनों के लिए सामान्य है। लेकिन मेगावाट-स्केल पवन टर्बाइनों के लिए आवश्यक पलटनेवाला बड़े और महंगे होते हैं।

डबल फीड जनरेटर इस समस्या का एक और समाधान है। डीसी के साथ खिलाए जाने वाले सामान्य घुमावदार क्षेत्र के बजाय, और एक आर्मेचर (इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग) वाइंडिंग जहां उत्पन्न बिजली निकलती है, दो तीन-चरण वाइंडिंग हैं, एक स्थिर और एक घूर्णन, दोनों जनरेटर के बाहर उपकरण से अलग से जुड़े हुए हैं। इस प्रकार, इस प्रकार की मशीनों के लिए डबल फेड शब्द का उपयोग किया जाता है।

एक वाइंडिंग सीधे आउटपुट से जुड़ा होता है, और वांछित ग्रिड फ्रीक्वेंसी पर 3-फेज एसी बिजली पैदा करता है। अन्य वाइंडिंग (पारंपरिक रूप से क्षेत्र कहा जाता है, लेकिन यहां दोनों वाइंडिंग आउटपुट हो सकते हैं) चर आवृत्ति पर 3-चरण एसी शक्ति से जुड़ा है। टरबाइन की गति में परिवर्तन की भरपाई के लिए इस इनपुट शक्ति को आवृत्ति और चरण में समायोजित किया जाता है।[4] आवृत्ति और चरण को समायोजित करने के लिए एसी से डीसी से एसी कनवर्टर की आवश्यकता होती है। यह आमतौर पर बहुत बड़े IGBT सेमीकंडक्टर्स से निर्मित होता है। कनवर्टर द्विदिश है, और किसी भी दिशा में शक्ति पारित कर सकता है। इस वाइंडिंग के साथ-साथ आउटपुट वाइंडिंग से भी बिजली प्रवाहित हो सकती है।[5]


इतिहास

क्रमशः रोटर और स्टेटर पर मल्टीफ़ेज़ वाइंडिंग सेट के साथ घाव रोटर मोटर में इसकी उत्पत्ति के साथ, जिसका आविष्कार निकोला टेस्ला द्वारा 1888 में किया गया था,[6] डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन का रोटर वाइंडिंग सेट शुरू करने के लिए मल्टीफ़ेज़ स्लिप रिंग के माध्यम से प्रतिरोधों के चयन से जुड़ा होता है। हालाँकि, प्रतिरोधों में पर्ची की शक्ति खो गई थी। इस प्रकार पर्ची शक्ति को पुनर्प्राप्त करके परिवर्तनीय गति संचालन में दक्षता बढ़ाने के साधन विकसित किए गए। क्रैमर (या क्रैमर) ड्राइव में रोटर एक एसी और डीसी मशीन सेट से जुड़ा था जो स्लिप रिंग मशीन के शाफ्ट से जुड़ी एक डीसी मशीन को फीड करता था।[7] इस प्रकार स्लिप पावर को यांत्रिक शक्ति के रूप में लौटाया गया और ड्राइव को डीसी मशीनों की उत्तेजना धाराओं द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। क्रैमर ड्राइव की कमी यह है कि अतिरिक्त परिसंचारी शक्ति से निपटने के लिए मशीनों को अत्यधिक मात्रा में करने की आवश्यकता होती है। इस खामी को आर्थर शेरबियस ड्राइव में ठीक किया गया था जहां मोटर जनरेटर सेट द्वारा स्लिप पावर को एसी ग्रिड में वापस फीड किया जाता है।[8][9] रोटर आपूर्ति के लिए उपयोग की जाने वाली घूर्णन मशीनरी भारी और महंगी थी। इस संबंध में सुधार स्टैटिक शेरबियस ड्राइव था जहां रोटर एक रेक्टिफायर-इन्वर्टर सेट से जुड़ा था जो पहले मर्करी-आर्क वाल्व-आधारित उपकरणों द्वारा और बाद में सेमीकंडक्टर डायोड और थाइरिस्टर्स द्वारा निर्मित किया गया था। रेक्टिफायर का उपयोग करने वाली योजनाओं में अनियंत्रित रेक्टिफायर के कारण रोटर से ही बिजली का प्रवाह संभव था। इसके अलावा, मोटर के रूप में केवल सब-सिंक्रोनस ऑपरेशन संभव था।

स्थैतिक आवृत्ति कनवर्टर का उपयोग करने वाली एक अन्य अवधारणा में रोटर और एसी ग्रिड के बीच एक साइक्लोकोन्टर जुड़ा हुआ था। cycloconverter दोनों दिशाओं में बिजली खिला सकता है और इस प्रकार मशीन को उप-और ओवरसिंक्रोनस गति दोनों में चलाया जा सकता है। सिंगल फेज जेनरेटर फीडिंग चलाने के लिए बड़े साइक्लोकोन्वर्टर-नियंत्रित, डबल-फेड मशीनों का उपयोग किया गया है 16+2⁄3यूरोप में हर्ट्ज रेलवे ग्रिड।[10] साइक्लोकनवर्टर संचालित मशीनें पंप वाले भंडारण संयंत्रों में टर्बाइन भी चला सकती हैं।[11] आज कुछ दसियों मेगावाट तक के अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले फ़्रीक्वेंसी चेंजर में दो बैक टू बैक कनेक्टेड इन्सुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांसिस्टर इनवर्टर होते हैं।

रखरखाव की आवश्यकता वाले पर्ची के छल्ले से छुटकारा पाने के लिए कई ब्रशलेस अवधारणाएं भी विकसित की गई हैं।

डबल-फेड प्रेरण जनरेटर

डबल-फेड इंडक्शन जनरेटर (DFIG), पवन टर्बाइनों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला एक जनरेटिंग सिद्धांत। यह एक मल्टीफ़ेज़ घाव वाले रोटर के साथ एक इंडक्शन जनरेटर पर आधारित है और रोटर वाइंडिंग तक पहुँचने के लिए ब्रश के साथ एक मल्टीफ़ेज़ पर्ची अंगूठी असेंबली है।. मल्टीफ़ेज़ स्लिप रिंग असेंबली से बचना संभव है, लेकिन दक्षता, लागत और आकार की समस्याएं हैं। एक बेहतर विकल्प एक ब्रश रहित घाव-रोटर डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन है।[12]

पवन टर्बाइन से जुड़े डबल-फेड इंडक्शन-जनरेटर का सिद्धांत

DFIG का सिद्धांत यह है कि स्टेटर वाइंडिंग्स ग्रिड से जुड़े होते हैं और रोटर वाइंडिंग स्लिप रिंग्स और बैक-टू-बैक वोल्टेज स्रोत कनवर्टर के माध्यम से कनवर्टर से जुड़े होते हैं जो रोटर और ग्रिड धाराओं दोनों को नियंत्रित करते हैं। इस प्रकार रोटर (विद्युत) आवृत्ति ग्रिड आवृत्ति (50 या 60 हर्ट्ज) से स्वतंत्र रूप से भिन्न हो सकती है। रोटर धाराओं को नियंत्रित करने के लिए कनवर्टर का उपयोग करके, जनरेटर की टर्निंग गति से स्वतंत्र रूप से स्टेटर से ग्रिड को खिलाई गई सक्रिय और प्रतिक्रियाशील शक्ति को समायोजित करना संभव है। उपयोग किया जाने वाला नियंत्रण सिद्धांत या तो दो-अक्ष वर्तमान वेक्टर नियंत्रण (मोटर) या प्रत्यक्ष टोक़ नियंत्रण (डीटीसी) है।[13] डीटीसी वर्तमान वेक्टर नियंत्रण की तुलना में बेहतर स्थिरता के लिए निकला है, खासकर जब जनरेटर से उच्च प्रतिक्रियाशील धाराओं की आवश्यकता होती है।[14]

डबल-फेड जनरेटर रोटार आमतौर पर स्टेटर के घुमावों की संख्या के 2 से 3 गुना के साथ घाव होते हैं। इसका मतलब है कि रोटर वोल्टेज अधिक होगा और धाराएं क्रमशः कम होंगी। इस प्रकार सिंक्रोनस गति के आसपास सामान्य ± 30% परिचालन गति सीमा में, कनवर्टर का रेटेड वर्तमान तदनुसार कम होता है जो कनवर्टर की कम लागत की ओर जाता है। दोष यह है कि रेटेड रोटर वोल्टेज से अधिक होने के कारण परिचालन गति सीमा के बाहर नियंत्रित संचालन असंभव है। इसके अलावा, ग्रिड की गड़बड़ी (विशेष रूप से तीन और दो-चरण वोल्टेज डिप्स) के कारण वोल्टेज के संक्रमण भी बढ़ जाएंगे। उच्च रोटर वोल्टेज (और इन वोल्टेज से उत्पन्न उच्च धाराओं) को इन्सुलेट-गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर और कनवर्टर के डायोड को नष्ट करने से रोकने के लिए, एक सुरक्षा सर्किट (लोहदंड (सर्किट) कहा जाता है) का उपयोग किया जाता है।[15]

अत्यधिक धाराओं या वोल्टेज का पता चलने पर क्रॉबर एक छोटे प्रतिरोध के माध्यम से रोटर वाइंडिंग को शॉर्ट-सर्किट करेगा। जितनी जल्दी हो सके ऑपरेशन जारी रखने में सक्षम होने के लिए एक क्रॉबार (सर्किट)[16] उपयोग किया जाना है। सक्रिय क्रॉबार रोटर शॉर्ट को नियंत्रित तरीके से हटा सकता है और इस प्रकार रोटर साइड कनवर्टर को 20-60 के बाद ही शुरू किया जा सकता है ms ग्रिड गड़बड़ी की शुरुआत से जब शेष वोल्टेज नाममात्र वोल्टेज के 15% से ऊपर रहता है। इस प्रकार, बाकी वोल्टेज डिप के दौरान ग्रिड में प्रतिक्रियाशील धारा उत्पन्न करना संभव है और इस तरह से ग्रिड को गलती से उबरने में मदद मिलती है। शून्य वोल्टेज की सवारी के लिए, डुबकी समाप्त होने तक इंतजार करना आम बात है क्योंकि यह चरण कोण को जानना संभव नहीं है जहां प्रतिक्रियाशील वर्तमान इंजेक्ट किया जाना चाहिए।[17] संक्षेप में, एक डबल-फेड इंडक्शन मशीन एक घाव-रोटर डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन है और पवन ऊर्जा अनुप्रयोगों में पारंपरिक प्रेरण मशीन पर इसके कई फायदे हैं। सबसे पहले, रोटर सर्किट को एक पावर इलेक्ट्रॉनिक्स कनवर्टर द्वारा नियंत्रित किया जाता है, इंडक्शन जनरेटर प्रतिक्रियाशील शक्ति को आयात और निर्यात करने में सक्षम होता है। इसके बिजली व्यवस्था की स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण परिणाम हैं और मशीन को गंभीर वोल्टेज गड़बड़ी (लो वोल्टेज राइड थ्रू | लो-वोल्टेज राइड-थ्रू; LVRT) के दौरान ग्रिड का समर्थन करने की अनुमति देता है।<ref name= Crowbar_LVRT>एम. जे. हरांडी, एस. घसेमिनेजाद लियासी, ई. निकरवेश और एम. टी. बीना, डीएफआईजी लो वोल्टेज राइड-थ्रू यूजिंग ऑप्टिमल डीमैग्नेटाइजिंग मेथड के लिए एक बेहतर नियंत्रण रणनीति, 2019 10वां इंटरनेशनल पावर इलेक्ट्रॉनिक्स, ड्राइव सिस्टम्स एंड टेक्नोलॉजीज कॉन्फ्रेंस (पीईडीएसटीसी), शिराज, ईरान, 2019, पीपी. 464-469, doi:10.1109/PEDSTC.2019.8697267</ रेफ> दूसरा, रोटर वोल्टेज और धाराओं का नियंत्रण प्रेरण मशीन को ग्रिड के साथ सिंक्रनाइज़ेशन (वैकल्पिक चालू) रहने में सक्षम बनाता है जबकि पवन टरबाइन की गति बदलती रहती है। एक चर गति वाली पवन टर्बाइन विशेष रूप से हल्की हवा की स्थिति के दौरान, एक निश्चित गति वाली पवन टरबाइन की तुलना में उपलब्ध पवन संसाधन का अधिक कुशलता से उपयोग करती है। तीसरा, कनवर्टर की लागत अन्य चर गति समाधानों की तुलना में कम है क्योंकि यांत्रिक शक्ति का केवल एक अंश, आमतौर पर 25-30%, कनवर्टर के माध्यम से ग्रिड को खिलाया जाता है, बाकी को स्टेटर से सीधे ग्रिड को खिलाया जाता है। . इसी कारण से DFIG की कार्यकुशलता बहुत अच्छी है।

संदर्भ

  1. ↑ "Generators for wind turbines Standard slip ring generator series for doubly-fed concept from 1.5-3.5 MW" (PDF). ABB. 2014. Retrieved April 24, 2018.
  2. ↑ M. J. Harandi, S. G. Liasi and M. T. Bina, "Compensating Stator Transient Flux during Symmetric and Asymmetric Faults using Virtual Flux based on Demagnetizing Current in DFIG Wind Turbines," 2019 International Power System Conference (PSC), Tehran, Iran, 2019, pp. 181-187, doi:10.1109/PSC49016.2019.9081565.
  3. ↑ M. Niraula and L. Maharjan, “Variable stator frequency control of stand-alone DFIG with diode rectified output”, 5th International symposium on environment-friendly energies and applications (EFEA), 2018.
  4. ↑ S. MÜLLER; S.; et al. (2002). "Doubly Fed Induction Generator Systems for Wind Turbines" (PDF). IEEE Industry Applications Magazine. IEEE. 8 (3): 26–33. doi:10.1109/2943.999610.
  5. ↑ L. Wei, R. J. Kerkman, R. A. Lukaszewski, H. Lu and Z. Yuan, "Analysis of IGBT power cycling capabilities used in Doubly Fed Induction Generator wind power system," 2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, Atlanta, GA, 2010, pp. 3076-3083, doi:10.1109/ECCE.2010.5618396.
  6. ↑ "Power electronics - Engineering and Technology History Wiki". ethw.org.
  7. ↑ Leonhard, W.: Control of Electrical Drives. 2nd Ed. Springer 1996, 420 pages. ISBN 3-540-59380-2.
  8. ↑ Shively, E. K.; Whitlow, Geo. S. (1932). "Automatic Control for Variable Ratio Frequency Converters". Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. 51: 121–127. doi:10.1109/T-AIEE.1932.5056029. S2CID 51636516.
  9. ↑ Liwschitz, M. M.; Kilgore, L. A. (1942). "A Study of the Modified Kramer or Asynchronous-Synchronous Cascade Variable-Speed Drive". Transactions of the American Institute of Electrical Engineers. 61 (5): 255–260. doi:10.1109/T-AIEE.1942.5058524. S2CID 51642497.
  10. ↑ Pfeiffer, A.; Scheidl, W.; Eitzmann, M.; Larsen, E. (1997). "Modern rotary converters for railway applications". Proceedings of the 1997 IEEE/ASME Joint Railroad Conference. pp. 29–33. doi:10.1109/RRCON.1997.581349. ISBN 0-7803-3854-5. S2CID 110505314.
  11. ↑ A. Bocquel, J. Janning: 4*300 MW variable speed drive for pump-storage plant application. EPE Conference 2003, Toulouse.
  12. ↑ "Overview of research and development status of brushless doubly-fed machine system". Chinese Journal of Electrical Engineering. Chinese Society for Electrical Engineering. 2 (2). December 2016.
  13. ↑ U.S. Patent 6,448,735
  14. ↑ Niiranen, Jouko (2008). "About the active and reactive power measurements in unsymmetrical voltage dip ride-through testing". Wind Energy. 11 (1): 121–131. Bibcode:2008WiEn...11..121N. doi:10.1002/we.254.
  15. ↑ Cite error: Invalid <ref> tag; no text was provided for refs named Crowbar_LVRT
  16. ↑ an active crowbar: for example U.S. Patent 7,164,562
  17. ↑ Seman, Slavomir; Niiranen, Jouko; Virtanen, Reijo; Matsinen, Jari-Pekka (2008). "Low voltage ride-through analysis of 2 MW DFIG wind turbine - grid code compliance validations". 2008 IEEE Power and Energy Society General Meeting - Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century. pp. 1–6. doi:10.1109/PES.2008.4596687. ISBN 978-1-4244-1905-0. S2CID 41973249.


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