डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन

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डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन एक स्लिप-वलय जनित्र विद्युत् मोटर या विद्युत् जनित्र(जनरेटर) हैं, जहां चुंबकीय क्ष्रेत्र कुंडली और आर्मेचर (इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग) कुंडली दोनों अलग-अलग मशीन के बाहरी उपकरण से जुड़े होते हैं।

क्षेत्र कुंडल को समायोज्य आवृत्ति एसी ऊर्जा से चुंबकीय क्षेत्र को घुमाने के लिए बनाया जा सकता है, जिससे मोटर या जनित्र की गति में भिन्नता हो सकती है। उदाहरण के लिए, यह वातचालित(पवन) टर्बाइनों में उपयोग किए जाने वाले जनित्र के लिए उपयोगी होता है।[1] डीएफआईजी आधारित वातचालित टर्बाइन उनके नम्य, कार्यरत और प्रतिघाती ऊर्जा को नियंत्रित करने की क्षमता के कारण लगभग सबसे रोचक वातचालित टर्बाइन तकनीक हैं।[2][3]

परिचय

वातचालित टर्बाइन के लिए डबल-फेड जनित्र।

डबल फीड विद्युत जनित्र एसी विद्युत जनित्र के समान होते हैं, लेकिन इसमें अतिरिक्त विशेषताएं हैं, जो उन्हें अपनी प्राकृतिक तुल्यकालिक गति से कुछ ऊपर या नीचे गति से चलाने की स्वीकृति देती हैं। यह अधिक परिवर्ती गति वाली वातचालित टर्बाइनों के लिए उपयोगी है, क्योंकि वायु की गति अचानक परिवर्तित हो सकती है। जब वायु के एक आवेश से जब वातचालित टर्बाइन टकराता है, तब ब्लेड गति बढ़ाने की प्रयाश करते हैं, लेकिन एक तुल्यकालिक जनित्र ऊर्जा ग्रिड की गति से स्थगित होने के कारण और गति नहीं कर सकता है। इसलिए हब, गियरबॉक्स और जनित्र में अधिक ऊर्जा विकसित होती हैं क्योंकि ऊर्जा ग्रिड को पीछे प्रेषित करता है। यह घर्षण और तंत्र को हानि पहुंचाता है। यदि वायु के आवेश से प्रभावित होने पर टर्बाइन को शीघ्र गति देने की स्वीकृति प्रदान करता है जब वायु के आवेश से टकराता है तो तनाव कम होता है और वायु के आवेश से विद्युत एक उपयोगी विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित होती है।

वातचालित टर्बाइन की गति को अलग-अलग करने की स्वीकृति देने के लिए एक दृष्टिकोण यह है कि जनित्र जो भी आवृत्ति उत्पन्न करता है, उसे दिष्टधारा (डीसी) में परिवर्तित करें और पुनः परिवर्तक का उपयोग करके अपेक्षित आउटपुट आवृत्ति मे प्रत्यावर्ती धारा (एसी) में परिवर्तित करें। यह छोटे घरों और फार्म वातचालित टर्बाइनों के लिए सामान्य होती है। लेकिन मेगावाट-स्केल वातचालित टर्बाइनों के लिए आवश्यक परिवर्तक बड़े और कीमती होते हैं।

डबल फीड जनित्र इस समस्या का एक और समाधान है। डीसी और एक आर्मेचर कुंडली के साथ सिंचित की जाने वाली सामान्य क्षेत्र कुंडली के अतिरिक्त जहां उत्पन्न विद्युत ऊर्जा दो तीन-फेज कुंडली हैं, एक स्थिर और एक घूर्णन दोनों जनरेटर के बाहर उपकरण से अलग से जुड़े हुए हैं। इस प्रकार की मशीनों के लिए डबल फेड शब्द का उपयोग किया जाता है। एक कुंडली सीधे कुंडली से जुड़ा होता है, और अपेक्षित ग्रिड आवृत्ति पर 3-फेज एसी विद्युत उत्पन्न करता है। अन्य कुंडली (पारंपरिक रूप से क्षेत्र कहा जाता है, लेकिन यहां दोनों कुंडली आउटपुट हो सकते हैं) चर आवृत्ति पर 3-चरण एसी ऊर्जा से जुड़ा है। टरबाइन की गति में परिवर्तन की भरपाई के लिए इस इनपुट ऊर्जा को आवृत्ति और चरण में समायोजित किया जाता है।[4]

आवृत्ति और स्थिति को समायोजित करने के लिए एसी से डीसी और डीसी से एसी मे परिवर्तक की आवश्यकता होती है। यह समान्यतः बहुत बड़े आईजीबीटी अर्धचालक से निर्मित होता है। परिवर्तक द्विदिशिक होता है जिससे वह और किसी भी दिशा में ऊर्जा प्रवाहित कर सकता है। इस कुंडली के साथ-साथ आउटपुट कुंडली से भी विद्युत प्रवाहित हो सकती है।[5]

इतिहास

रोटर और स्टेटर पर क्रमशः मल्टीफ़ेज़ कुंडली सेट के साथ घाव रोटर इंडक्शन मोटर्स में इसकी उत्पत्ति के साथ, जिसका आविष्कार निकोला टेस्ला द्वारा 1888 में किया गया था[6] डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन का रोटर कुंडली सेट प्रतिरोधों के चयन से जुड़ा है प्रारम्भ करने के लिए मल्टीफ़ेज़ स्लिप वलय के माध्यम से। हालाँकि, प्रतिरोधों में पर्ची की ऊर्जा खो गई थी। इस प्रकार पर्ची ऊर्जा को पुनर्प्राप्त करके परिवर्तनीय गति संचालन में दक्षता बढ़ाने के साधन विकसित किए गए। क्रेमर (या क्रेमर) ड्राइव में रोटर एक एसी और डीसी मशीन सेट से जुड़ा था जो स्लिप वलय मशीन के शाफ्ट से जुड़ी एक डीसी मशीन को फीड करता था।[7] इस प्रकार स्लिप ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा 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 ऊर्जा से निपटने के लिए मशीनों को अत्यधिक मात्रा में करने की आवश्यकता होती है। इस खामी को शेरबियस ड्राइव में ठीक किया गया था जहां मोटर जनित्र सेट द्वारा स्लिप ऊर्जा 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-आधारित उपकरणों द्वारा और बाद में अर्धचालक डायोड और थाइरिस्टर के साथ बनाया गया था। रेक्टिफायर का उपयोग करने वाली योजनाओं में अनियंत्रित रेक्टिफायर के कारण रोटर से ही विद्युत का प्रवाह संभव था। इसके अतिरिक्त, मोटर के रूप में केवल सब-सिंक्रोनस ऑपरेशन संभव था।

स्थैतिक आवृत्ति परिवर्तक का उपयोग करने वाली एक अन्य अवधारणा में रोटर और एसी ग्रिड के बीच एक साइक्लोकोन्टर जुड़ा हुआ था। साइक्लोकोनवर्टर दोनों दिशाओं में विद्युत खिला सकता है और इस प्रकार मशीन को उप-और ओवरसिंक्रोनस गति दोनों में चलाया जा सकता है। यूरोप में 16+2⁄3 हर्ट्ज रेलवे ग्रिड को खिलाने वाले एकल चरण जनित्र चलाने के लिए बड़े साइक्लो परिवर्तक-नियंत्रित, डबल-फेड मशीनों का उपयोग किया गया है।[10] साइक्लो परिवर्तक संचालित मशीनें पंप वाले स्टोरेज प्लांट 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 आईजीबीटी इनवर्टर होते हैं।

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

डबल-फेड प्रेरण जनित्र

डबल-फेड इंडक्शन जनित्र (डीएफआईजी), वातचालित टर्बाइनों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला एक जनरेटिंग सिद्धांत। यह एक मल्टीफ़ेज़ घाव वाले रोटर के साथ एक इंडक्शन जनित्र पर आधारित है और रोटर कुंडली तक पहुँचने के लिए ब्रश के साथ एक मल्टीफ़ेज़ स्लिप वलय असेंबली है। मल्टीफ़ेज़ स्लिप वलय असेंबली से बचना संभव है, लेकिन दक्षता, लागत और आकार की समस्याएँ हैं। एक बेहतर विकल्प ब्रश रहित घाव-रोटर डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन है।[12]

वातचालित टर्बाइन से जुड़े डबल-फेड इंडक्शन-जनित्र का सिद्धांत

डीएफआईजी का सिद्धांत यह है कि स्टेटर कुंडली्स ग्रिड से जुड़े होते हैं और रोटर कुंडली स्लिप वलय्स और बैक-टू-बैक वोल्टेज स्रोत परिवर्तक के माध्यम से परिवर्तक से जुड़े होते हैं जो रोटर और ग्रिड धाराओं दोनों को नियंत्रित करते हैं। इस प्रकार रोटर आवृत्ति ग्रिड आवृत्ति (50 या 60 हर्ट्ज) से स्वतंत्र रूप से भिन्न हो सकती है। रोटर धाराओं को नियंत्रित करने के लिए परिवर्तक का उपयोग करके, जनित्र की टर्निंग गति से स्वतंत्र रूप से स्टेटर से ग्रिड को खिलाई गई कार्यरत और प्रतिक्रियाशील ऊर्जा 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 जनित्र से उच्च प्रतिक्रियाशील धाराओं की आवश्यकता होती है।[14]

डबल-फेड जनित्र रोटार समान्यतः 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, परिवर्तक का रेटेड वर्तमान तदनुसार कम होता है जो परिवर्तक 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 अतिरिक्त, 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 इंसुलेटेड-गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर और परिवर्तक के डायोड को नष्ट करने से रोकने के लिए, एक सुरक्षा परिपथ (क्राउबर 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 कुंडली को शॉर्ट-परिपथ करेगा। जितनी जल्दी हो सके ऑपरेशन को जारी रखने में सक्षम होने के लिए एक कार्यरत क्रॉबार[16] का उपयोग करना होगा। कार्यरत क्रॉबर रोटर शॉर्ट को नियंत्रित तरीके से हटा सकता है और इस प्रकार रोटर साइड परिवर्तक को ग्रिड गड़बड़ी की प्रारम्भ से 20-60 एमएस के बाद ही प्रारम्भ किया जा सकता है  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 राइड थ्रू के लिए, डिप समाप्त होने तक प्रतीक्षा करना आम बात है क्योंकि अन्यथा चरण कोण को जानना संभव नहीं है जहां प्रतिक्रियाशील धारा को 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 एक पारंपरिक इंडक्शन मशीन पर इसके कई फायदे हैं। सबसे पहले, रोटर परिपथ को एक ऊर्जा इलेक्ट्रॉनिक्स परिवर्तक द्वारा नियंत्रित किया जाता है, इंडक्शन जनित्र प्रतिक्रियाशील ऊर्जा को आयात और निर्यात करने में सक्षम होता है। इसके विद्युत व्यवस्था की स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण परिणाम हैं और मशीन को गंभीर वोल्टेज गड़बड़ी (लो वोल्टेज राइड थ्रू LVRT) के दौरान ग्रिड का समर्थन करने की स्वीकृति देता है।<ref name= Crowbar_LVRT> 464-469, doi:10.1109/PEDSTC.2019.8697267</ रेफ> दूसरा, रोटर वोल्टेज और धाराओं का नियंत्रण प्रेरण मशीन को ग्रिड के साथ सिंक्रनाइज़ रहने में सक्षम बनाता है जबकि वातचालित टर्बाइन की गति बदलती रहती है। एक चर गति वाली वातचालित टर्बाइन विशेष रूप से हल्की वायु की स्थिति के दौरान, एक निश्चित गति वाली वातचालित टर्बाइन की तुलना में उपलब्ध पवन संसाधन का अधिक कुशलता से उपयोग करती है। तीसरा, परिवर्तक की लागत अन्य चर गति समाधानों की तुलना में कम है क्योंकि यांत्रिक ऊर्जा का केवल एक अंश, समान्यतः 25-30%, परिवर्तक के माध्यम से ग्रिड को खिलाया जाता है, बाकी को स्टेटर से सीधे ग्रिड को खिलाया जाता है। इसी कारण से डीएफआईजी 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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