हार्मोनिक्स – विद्युत तरंग रूपों में उच्च-आवृत्ति विरूपण – औद्योगिक बिजली प्रणालियों के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती हैं। ये व्यवधान मूल आवृत्ति के पूर्णांक गुणकों (उदाहरण के लिए, तृतीय, पांचवीं, सातवीं हार्मोनिक्स) पर होते हैं, जिससे वोल्टेज और धारा की गुणवत्ता खराब होती है, जिसके परिणामस्वरूप अक्षमता और उपकरण क्षति होती है।
जब वेरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव (VFD) या स्विच-मोड पावर सप्लाई जैसे उपकरण शामिल होते हैं, तो वे सर्किट में बहने वाली बिजली के सामान्य साइन वेव पैटर्न को प्रभावित करते हैं। इसके बाद जो होता है वह काफी दिलचस्प है - इस तरह के विद्युत विक्षोभ से इंजीनियरों द्वारा कहे गए वेवफॉर्म शोर का उत्पादन होता है, जो पूरे सिस्टम में फैल जाता है। ऐसी इमारतों के लिए, जहां हार्मोनिक स्तर 5% से ऊपर चला जाता है, उस अतिरिक्त प्रतिक्रियाशील शक्ति के कारण बर्बाद ऊर्जा में लगभग 12 से 18 प्रतिशत की वृद्धि होती है। पिछले साल प्रकाशित शोध के अनुसार हार्मोनिक प्रभावों पर, ये अवांछित आवृत्तियां मुख्य विद्युत संकेतों में सम्मिलित हो जाती हैं, और पूरे इंस्टॉलेशन में वोल्टेज और धारा दोनों के पैटर्न को प्रभावित करती हैं।
2023 में 12 मोटर वाहन संयंत्रों के ऑडिट में पता चला कि इन तकनीकों का उपयोग करने वाले संयंत्रों में 2–3 गुना अधिक हार्मोनिक स्तर उन संयंत्रों की तुलना में जहाँ मुख्य रूप से निष्क्रिय भार थे।
गैर-रैखिक उपकरण धारा को चिकनी साइन तरंगों के बजाय अचानक स्पंदों में प्रवाहित होने के लिए मजबूर करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप:
ये प्रभाव इन्सुलेशन के क्षरण को तेज करते हैं और सुरक्षा रिले में अवांछित ट्रिपिंग का कारण बनते हैं। 2024 की आईईईई की रिपोर्ट के अनुसार, सुविधाओं में जहां विरूपण कम करने की उपेक्षा की जाती है, वहां 34% अधिक रखरखाव लागत पांच वर्षों में सक्रिय फ़िल्टरिंग समाधानों का उपयोग करने वालों की तुलना में होती है।
यह सार्विक कमजोरी इस बात की ओर संकेत करती है कि औद्योगिक ऑपरेटर सक्रिय रूप से एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर गतिशील रूप से बिजली की गुणवत्ता को स्थिर करने के लिए।
हार्मोनिक मिटिगेशन उपकरण डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग तकनीक के माध्यम से वोल्टेज और करंट वेवफॉर्म की निगरानी करते हैं। ये सिस्टम सिस्टम में नॉनलीनियर लोड्स द्वारा पैदा किए गए परेशान करने वाले हार्मोनिक विरूपण का पता लगाकर काम करते हैं। एक बार पहचान करने के बाद, वे सुधारात्मक धाराओं को भेजते हैं जो ताकत में मेल खाते हैं लेकिन दिशा में विपरीत होते हैं, जो मूल रूप से अवांछित हार्मोनिक्स को रद्द कर देते हैं। उदाहरण के लिए, एक मानक 480 वोल्ट औद्योगिक स्थापना लें। स्थापना से पहले, THD स्तर लगभग 25% के आसपास हो सकता है। इन मिटिगेटर्स को लागू करने के बाद, अधिकांश सुविधाओं में ये संख्या 5% से नीचे चली जाती है, जहां वे 2022 से IEEE 519 दिशानिर्देशों के अनुसार होनी चाहिए।
आधुनिक सिस्टम वास्तविक समय में हार्मोनिक आवृत्तियों को ट्रैक करने के लिए अनुकूलनीय एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं, लोड उतार-चढ़ाव के अनुक्रिया में मिलीसेकंड के भीतर मुआवजा समायोजित करते हैं। यह गतिक क्षमता निष्क्रिय फिल्टरों से अधिक होती है, जो परिवर्तनीय हार्मोनिक प्रोफाइलों में अनुकूलन नहीं कर सकते। प्रमुख विशेषताएं शामिल हैं:
उन्नत नियंत्रण तर्क लक्षित हार्मोनिक्स के चयनात्मक दमन को सक्षम करता है, जबकि ऊर्जा हानि को न्यूनतम करता है। फ़ेज़-लॉक्ड लूप (PLL) सिंक्रनाइज़ेशन असंतुलित ग्रिड स्थितियों के तहत भी सटीक वेवफॉर्म संरेखण सुनिश्चित करता है। कई इकाई वाले स्थापन में, समन्वित नियंत्रण प्रणाली उपकरणों के माध्यम से हार्मोनिक डेटा साझा करती है, बड़े पैमाने पर औद्योगिक नेटवर्क में प्रदर्शन को अनुकूलित करती है।
पैसिव हार्मोनिक फ़िल्टर निश्चित आवृत्तियों के लिए समायोजित इंडक्टर-कैपेसिटर (एलसी) सर्किट पर निर्भर करते हैं, जो उन्हें स्थिर, भविष्य में दिखने वाले भार के लिए प्रभावी सीमित करता है। इसके विपरीत, एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर हार्मोनिक विकृति का पता लगाने और एक व्यापक स्पेक्ट्रम में उसके खिलाफ कार्य करने के लिए पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और वास्तविक समय के एल्गोरिथ्म का उपयोग करता है।
| मानदंड | निष्क्रिय फिल्टर | एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर |
|---|---|---|
| प्रतिक्रिया समय | स्थैतिक (मिलीसेकंड स्तर की देरी) | डायनेमिक (माइक्रोसेकंड स्तर का सुधार) |
| अनुकूलन क्षमता | पूर्व निर्धारित हार्मोनिक प्रोफाइल तक सीमित | उतार-चढ़ाव वाली लोड स्थितियों में समायोजित करता है |
| इंस्टॉलेशन फ्लेक्सिबिलिटी | सटीक प्रतिबाधा मिलान की आवश्यकता होती है | विविध सिस्टम लेआउट के साथ संगतता |
परिवर्तनीय-आवृत्ति ड्राइव (VFD) और सर्वो सिस्टम वाले वातावरण में निष्क्रिय फिल्टर काम करने में असमर्थ होते हैं, जहां सामंजस्य बदलते रहते हैं। उनकी निर्धारित ट्यूनिंग के कारण हो सकता है:
सक्रिय न्यूनीकरण उपकरण गतिशील स्थितियों में तरंग रूपों की निरंतर निगरानी करके और विपरीत-कला सामंजस्य डालकर उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं। लाभ शामिल हैं:
उदाहरण के लिए, वास्तविक दुनिया के कार्यान्वयन दिखाते हैं कि सक्रिय फिल्टर कार निर्माण संयंत्रों में 92% हार्मोनिक्स दबाव कम कर सकते हैं और न्यूनतम रखरखाव की आवश्यकता होती है।
IEEE 519 मानकों के अनुसार, औद्योगिक सुविधाओं को अपने कुल हार्मोनिक विरूपण को निश्चित सीमाओं के भीतर रखने की आवश्यकता होती है - वोल्टेज (THDv) के लिए लगभग 5% और धारा (TDD) के लिए लगभग 8%। जब ये संख्याएं बढ़ जाती हैं, तो चीजें काफी तेजी से गलत होने लगती हैं। उपकरणों में अत्यधिक गर्मी होने की प्रवृत्ति होती है, संधारित्र फट सकते हैं, और संयंत्रों को उचित क्षतिपूर्ति प्रणालियों के अभाव में 10 से 15 प्रतिशत तक ऊर्जा खोने का सामना करना पड़ सकता है। यहीं पर सक्रिय हार्मोनिक मिटिगेटर की भूमिका आती है। ये उपकरण निरंतर प्रणाली में हो रहे सब कुछ की निगरानी करते हैं, उन अथक संक्रमणकालीन हार्मोनिक्स को पकड़ते हैं जिन्हें सामान्य मापन छोड़ देता है। वे मूल रूप से विद्युत गुणवत्ता संबंधी समस्याओं के लिए वास्तविक समय में देखभाल करने वाले डॉगवॉच के रूप में कार्य करते हैं, जो मानक निरीक्षणों के दौरान छूट जाती हैं।
शंट विन्यास में जुड़े सक्रिय हार्मोनिक नियंत्रक अनुसंधान में प्रकाशित गैर-रैखिक भारों से निपटने वाले सिस्टम में कुल हार्मोनिक विरूपण (THD) को 75 से 90 प्रतिशत तक कम कर सकते हैं। ये उपकरण किसी भी विरूपण समस्या का पता चलने के केवल 2 मिलीसेकंड में कार्यान्वित हो जाते हैं, जो पारंपरिक निष्क्रिय फिल्टरों की तुलना में काफी तेज है, जिन्हें प्रतिक्रिया करने में आमतौर पर 100 से 500 मिलीसेकंड का समय लगता है। उद्योगों में बिजली की गुणवत्ता को बनाए रखने के लिए यह गति अंतर महत्वपूर्ण है, जहां रोबोट घटकों को जोड़ रहे हैं या जहां प्रोग्रामेबल लॉजिक कंट्रोलर दिन भर महत्वपूर्ण उपकरणों के संचालन को प्रबंधित कर रहे हैं।
एक टियर-1 ऑटोमोटिव संयंत्र ने सक्रिय हार्मोनिक नियंत्रक स्थापित करने के बाद हार्मोनिक से संबंधित बंद होने में 82% की कमी की:
| पैरामीटर | प्री-इंस्टॉलेशन | पोस्ट-इंस्टॉलेशन | अनुपालन मानक |
|---|---|---|---|
| वोल्टेज THD (THDv) | 7.2% | 3.8% | IEEE-519 ±5% |
| करंट TDD | 12.1% | 4.9% | IEEE-519 ±8% |
| ऊर्जा हानि | 14% | 6.2% | – |
सिस्टम के अनुकूलनीय फ़िल्टरिंग एल्गोरिथ्म ने सभी उत्पादन शिफ्टों में 0.98 पावर फैक्टर बनाए रखते हुए 120 से अधिक VFDs के हार्मोनिक्स को निष्प्रभावी कर दिया। ट्रांसफार्मर पर तनाव कम होने और संधारित्र विफलताओं के न होने के कारण वार्षिक रखरखाव लागत में 37% की कमी आई।
हाइब्रिड एक्टिव फिल्टर पारंपरिक निष्क्रिय घटकों को आधुनिक हार्मोनिक मिटिगेशन तकनीक के साथ मिलाते हैं ताकि आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला से निपटा जा सके। ये सिस्टम 2 मेगावाट से अधिक के बड़े पावर एप्लिकेशन में बहुत अच्छा काम करते हैं, जैसे कि सेमीकंडक्टर निर्माण सुविधाओं में पाए जाते हैं। वे वोल्टेज कुल हार्मोनिक विरूपण को 3% से नीचे लाते हैं, जो IEEE 519-2022 मानक की तुलना में काफी बेहतर है, जो 5% तक की अनुमति देता है। निष्क्रिय भाग निम्न क्रम वाली हार्मोनिक्स को संभालते हैं, जबकि एक्टिव घटक उच्च आवृत्तियों को नियंत्रित करने में शामिल होते हैं, जो 50वें क्रम तक जाते हैं। यह व्यवस्था कैंसी मशीनों और कारखाने के तल पर समस्याएं पैदा कर सकने वाले विद्युत विक्षोभों से संवेदनशील ऑटोमेशन उपकरणों की रक्षा करने में मदद करती है।
आज के सक्रिय हार्मोनिक निरस्तिकरण उपकरण मॉड्यूलर डिज़ाइन के साथ आते हैं, जिससे उन्हें पुरानी प्रणालियों में स्थापित करना काफी आसान हो जाता है। ये उपकरण मौजूदा विद्युत पैनलों में मौजूदा उपकरणों के समानांतर आईईसी 61850 जैसे सामान्य मानकों के माध्यम से प्लग करके स्थापित किए जाते हैं। यह व्यवस्था व्यक्तिगत मशीनों पर छोटी-छोटी समस्याओं के समाधान से लेकर पूरे सुविधाओं में व्यापक नियंत्रण तक के लिए स्केलिंग की अनुमति देती है। 2023 की एक हालिया उद्योग रिपोर्ट के अनुसार, कंपनियों ने अपने बुनियादी ढांचे को पूरी तरह से बदलने के बजाय इन मॉड्यूलर समाधानों को चुनकर लगभग 34 प्रतिशत तक स्थापन लागत में बचत की। इससे भी अधिक प्रभावशाली बात यह है कि यहां तक कि उन सुविधाओं में भी, जहां विभिन्न प्रकार के भार एक साथ चल रहे थे, इन उपकरणों ने हार्मोनिक विरूपण को लगभग 91 प्रतिशत तक कम कर दिया।
एडवांस्ड मिटिगेटर कैपेसिटर डिग्रेडेशन और ट्रांसफार्मर थर्मल प्रोफाइल्स की भविष्यवाणी वाले विश्लेषण का उपयोग करते हैं और नया उपकरण जोड़े जाने पर रेजोनेंस को रोकने के लिए निरंतर इम्पीडेंस मैचिंग का उपयोग करते हैं। ऊर्जा-गहन परिचालन में परिसंपत्ति जीवनकाल को 7 से 12 वर्षों तक बढ़ा देते हैं। वेवफॉर्म शुद्धता की वास्तविक समय निगरानी के माध्यम से इन प्रणालियों का उपयोग करने वाली सुविधाओं में प्रति वर्ष 28% कम अनियोजित आउटेज की सूचना मिलती है।
हार्मोनिक्स विद्युत वेवफॉर्म में विकृतियाँ हैं जो मूल आवृत्ति के पूर्णांक गुणकों पर होती हैं, जो औद्योगिक प्रणालियों में शक्ति गुणवत्ता को कम कर सकती हैं और अक्षमता और उपकरण क्षति का कारण बन सकती हैं।
औद्योगिक सुविधाएँ सक्रिय हार्मोनिक मिटिगेटर का उपयोग गतिशील रूप से शक्ति गुणवत्ता को स्थिर करने, रखरखाव लागत को कम करने और हार्मोनिक विकृतियों के कारण उपकरण क्षति को रोकने के लिए करती हैं।
एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर वास्तविक समय के एल्गोरिदम का उपयोग करके हार्मोनिक विरूपण को गतिशील रूप से नियंत्रित करते हैं, स्थैतिक, निश्चित-आवृत्ति निष्क्रिय फिल्टरों की तुलना में तेज़ प्रतिक्रिया और अनुकूलनीयता प्रदान करते हैं।
एेसे उद्योग जिनमें काफी मात्रा में गैर-रैखिक भार होते हैं, जैसे कि स्वचालन उपकरणों वाले सुविधाओं, ऑटोमोटिव, अर्धचालक निर्माण में हार्मोनिक मिटिगेशन से बहुत लाभ होता है।
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