क्या डायनामिक हार्मोनिक फिल्टर आवृत्ति कन्वर्टर के हार्मोनिक परिवर्तन को संभाल सकता है?

आवृत्ति कनवर्टरों से उत्पन्न हार्मोनिक्स और बिजली गुणवत्ता पर उनके प्रभाव की व्याख्या

चर आवृत्ति ड्राइव (VFD) द्वारा उत्पन्न हार्मोनिक विकृति

वेरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव, या VFDs, मोटर की गति को नियंत्रित करने के लिए लगभग आवश्यक हैं, लेकिन उनके साथ एक नकारात्मक पहलू भी है। अपनी गैर-रैखिक स्विचिंग प्रक्रिया के कारण वे हार्मोनिक विकृति पैदा करते हैं। ये हार्मोनिक्स, जो मूल रूप से मुख्य आवृत्ति के पूर्णांक गुणक होते हैं, महत्वपूर्ण वोल्टेज और धारा विकृति का कारण बनते हैं। अधिकांश औद्योगिक स्थापनाओं में इन विकृतियों का स्तर 15 से 25 प्रतिशत THD के बीच पहुँच जाता है। 2023 के हालिया शोध के अनुसार, लगभग 62% अप्रत्याशित डाउनटाइम इस हार्मोनिक समस्या से जुड़ा हुआ प्रतीत होता है। जब ये अनियमित धाराएँ प्रणाली के माध्यम से प्रवाहित होती हैं, तो ट्रांसफॉर्मर और कैपेसिटर अतिभारित हो जाते हैं, जिससे विभिन्न समस्याएँ उत्पन्न होती हैं। इसीलिए अब कई संयंत्र प्रबंधक अपनी रखरखाव प्रक्रियाओं के हिस्से के रूप में बिजली गुणवत्ता प्रबंधन पर अधिक ध्यान दे रहे हैं।

फ्रीक्वेंसी कन्वर्टर हार्मोनिक्स कैसे प्रणाली की दक्षता और उपकरणों के जीवनकाल को कम करते हैं

जब तिरछेपन विद्युत घटकों को उनकी डिज़ाइन सीमा से आगे धकेलता है, तो मोटर्स में उत्पीड़ित धारा की हानि के कारण लगभग 8 से 12 प्रतिशत तक की दक्षता की कमी आ जाती है। केबल और वाइंडिंग पर लगी इन्सुलेशन सामान्य की तुलना में तीन गुना तेज़ी से खराब हो जाती है। और हम 100 kW वेरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव सिस्टम के प्रत्येक यूनिट के लिए प्रति वर्ष 18 से 42 डॉलर तक की बिजली बर्बाद करने की बात कर रहे हैं। समय के साथ ये समस्याएँ काफी बढ़ जाती हैं। उपकरणों का जीवनकाल अब पहले जितना लंबा नहीं रहता - शोध बताते हैं कि ठीक से तिरछेपन नियंत्रण न होने पर उपकरणों के जीवनकाल में लगभग 30 से 40 प्रतिशत की कमी आ जाती है, जैसा कि IEEE 519 मानक समीक्षा 2022 में प्रकाशित शोध में बताया गया था।

चर भार स्थितियों के तहत THD चुनौतियाँ: उद्योग मानक और अनुपालन

आज की सुविधाओं को उत्पादन चक्र बदलते समय 5% से लेकर 35% तक के कुल हार्मोनिक विरूपण (THD) स्तरों का सामना करना पड़ता है, जो अक्सर IEC 61000-3-6 मानकों द्वारा निर्धारित 8% वोल्टेज THD सीमा से आगे निकल जाता है। गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर इन समस्याओं का समाधान करते हैं क्योंकि वे संचालन के दौरान भार के व्यवहार के आधार पर लगातार स्वयं को समायोजित करते रहते हैं। निष्क्रिय समाधान इतने प्रभावी नहीं होते क्योंकि इंजीनियरों को आमतौर पर उन्हें आवश्यकता से कम से कम 150%, कभी-कभी तो 200% तक बड़ा आकार देना पड़ता है ताकि वे दुर्लभ लेकिन समस्याप्रधान स्थितियों से निपट सकें। उद्योग के आंकड़े दिखाते हैं कि लगभग तीन चौथाई सभी नए संयंत्र स्थापनाओं में अब किसी न किसी रूप में वास्तविक समय हार्मोनिक निगरानी प्रणाली शामिल है, केवल इसलिए कि विभिन्न क्षेत्रों में विद्युत ग्रिड के लिए नियामक निकाय लगातार अपनी आवश्यकताओं को अद्यतन कर रहे हैं।

गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर वास्तविक समय, अनुकूली हार्मोनिक शमन को कैसे सक्षम बनाते हैं

गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर में अनुकूली एल्गोरिदम का उपयोग करके सक्रिय हार्मोनिक क्षतिपूर्ति

आज के गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर स्मार्ट एल्गोरिदम के साथ काम करते हैं जो प्रत्येक विद्युत चक्र के दौरान 128 बार हार्मोनिक पैटर्न की जांच करते हैं। इससे उन्हें आधे मिलीसेकंड से भी कम समय में विकृति की समस्याओं का पता लगाने में सक्षम बनाता है। ये प्रणालियाँ IGBT घटकों के साथ-साथ डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग तकनीक का उपयोग करके बिल्कुल सटीक विपरीत धाराएँ उत्पन्न करती हैं, जो 50वें क्रम तक के अवांछित हार्मोनिक्स को रद्द कर देती हैं। 2023 में किए गए क्षेत्र परीक्षणों ने काफी प्रभावशाली परिणाम भी दिखाए। अनुकूली फ़िल्टर ने उन कठिन CNC मशीनिंग वातावरणों में, जहाँ भार अप्रत्याशित ढंग से बदलते रहते हैं, कुल तिरछापन विकृति (Total Harmonic Distortion) के स्तर को लगभग 28% से घटाकर केवल 3.8% कर दिया। निष्क्रिय फ़िल्टर केवल निर्धारित आवृत्तियों को ही संभाल सकते हैं, लेकिन ये नए प्रणाली वास्तविक समय में क्या हो रहा है, उसके आधार पर अपना ध्यान केंद्रित करने के लक्ष्य को समायोजित करते हैं। आवश्यकता पड़ने पर वे आमतौर पर उन परेशान करने वाले 5वें, 7वें और 11वें क्रम के हार्मोनिक्स पर केंद्रित हो जाते हैं।

औद्योगिक मोटर भारों में उतार-चढ़ाव वाले हार्मोनिक्स के प्रति वास्तविक समय प्रतिक्रिया

गतिशील फ़िल्टर मोटर लोड में होने वाले परिवर्तनों के 2 मिलीसेकंड से भी कम समय में प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जो पुराने निष्क्रिय फ़िल्टर की तुलना में लगभग 25 गुना तेज़ है जिनका हम उपयोग पहले करते थे। इतनी तेज़ी से काम करने पर वोल्टेज झिलमिलाहट की समस्या रुक जाती है और हार्मोनिक्स के कारण होने वाली ऊष्मा बढ़ने से महंगे उपकरण सुरक्षित रहते हैं। उदाहरण के लिए स्टील मिलों को लीजिए जहाँ लोड कभी-कभी तीन सौ प्रतिशत तक उछल सकता है। फिर भी ये आधुनिक फ़िल्टर IEEE मानकों द्वारा निर्धारित 5% की सीमा के भीतर कुल विकृति स्तर (THD) बनाए रखते हैं (अगर किसी को रुचि हो तो यह 519-2022 है)। यह तब भी होता है जब संयंत्र के विभिन्न हिस्सों में कई बड़े 400 हॉर्सपावर के चर आवृत्ति ड्राइव एक साथ चलने लगते हैं। बाज़ार में उपलब्ध अन्य विकल्पों की तुलना में ये कितने बेहतर प्रदर्शन करते हैं, इसे देखने के लिए यहाँ दिए गए तालिका में संख्याओं की तुलना देखें।

पैरामीटर	निष्क्रिय फिल्टर	गतिशील फ़िल्टर	सुधार
प्रतिक्रिया समय	50–100 मिलीसेकंड	<2 मिलीसेकंड	25–50 गुना
THD कमी	12%–8%	28%–3.8%	68%
ऊर्जा हानि	3–5%	0.8%	84%

केस अध्ययन: त्वरित VFD लोड संक्रमण के दौरान प्रदर्शन

जब एक सीमेंट सुविधा में गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर लगाए गए, तो बकेट एलीवेटर के स्टार्टअप के दौरान कुल विकृति में 92% की उल्लेखनीय गिरावट आई, जैसा कि एम्परशुर की 2027 की रिपोर्ट में बताया गया। जो बात वास्तव में उभरकर सामने आती है वह है प्रणाली की प्रतिक्रिया की गति - यह सिस्टम शून्य से पूर्ण क्षमता तक भार में परिवर्तन को मात्र एक सेकंड थोड़े अधिक समय में संभाल लेता है। इस त्वरित अनुकूलन ने उन परेशान करने वाले वोल्टेज डिप को रोक दिया, जिनके कारण पहले प्रति माह चार से छह बार कन्वेयर मोटर ट्रिप हो जाती थीं। और यहाँ और भी अच्छी खबर है: उन बड़े 250kW वेरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव प्रशंसकों में बेयरिंग के लंबे समय तक चलने के कारण रखरखाव व्यय प्रति वर्ष लगभग 40% तक कम हो गया। जो संयंत्र प्रबंधक पुराने उपकरणों के साथ काम कर रहे हैं, उनके लिए ऐसे सुधार दैनिक संचालन में बहुत बड़ा अंतर लाते हैं।

गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर बनाम निष्क्रिय समाधान: आधुनिक औद्योगिक प्रणालियों में लाभ

प्रतिक्रिया गति, सटीकता और अनुकूलन क्षमता: सक्रिय बनाम निष्क्रिय फ़िल्टरिंग

हार्मोनिक समस्याओं को संभालने के मामले में गतिशील फ़िल्टर पारंपरिक निष्क्रिय विकल्पों से बेहतर होते हैं, क्योंकि वे हार्मोनिक्स में परिवर्तनों के प्रति लगभग 500 से 1000 गुना तेज़ी से प्रतिक्रिया करते हैं। इसका विशेष महत्व उन स्थानों के लिए होता है जहाँ चर आवृत्ति ड्राइव (VFDs) और रोबोट संचालित होते हैं जो लगातार अपनी बिजली की मांग बदलते रहते हैं। निष्क्रिय फ़िल्टर्स में एक समस्या यह होती है कि वे कुछ विशिष्ट आवृत्तियों तक सीमित रहते हैं और यदि परिस्थितियाँ बदलें, तो अनुनाद की समस्या पैदा कर सकते हैं। गतिशील प्रणालियाँ अलग तरीके से काम करती हैं। वे स्मार्ट एल्गोरिदम के माध्यम से पूरे दिन हार्मोनिक्स की निरंतर जाँच करती रहती हैं और नवीनतम 2024 की हार्मोनिक शमन पर रिपोर्ट के अनुसार, विरूपण को मात्र 20 मिलीसेकंड में खत्म कर देती हैं। इसका व्यावहारिक अर्थ क्या है? सुविधाओं में कुल हार्मोनिक विरूपण 5% से नीचे चला जाता है, भले ही मांग में अचानक वृद्धि हो, जबकि पुरानी निष्क्रिय प्रणालियाँ आमतौर पर उन्हीं परिस्थितियों में 15 से 20% विरूपण के साथ संघर्ष करती हैं, जैसा कि IEEE 519-2022 मानकों में दर्शाया गया है।

गुणनखंड	डायनेमिक फिल्टर	निष्क्रिय फिल्टर
आवृत्ति लक्ष्यीकरण	द्वितीय से लेकर 50वीं क्रम तक के हार्मोनिक्स	निश्चित 5वां/7वां/11वां क्रम ट्यूनिंग
लोड लचीलापन	10–100% सिस्टम लोड पर प्रभावी	केवल ±15% डिज़ाइन लोड पर इष्टतम
अनुनाद जोखिम	सिस्टम अनुनाद को खत्म करता है	अनुनाद में 34% की वृद्धि (केस स्टडी 2023)

लागत-प्रदर्शन विरोधाभास: निष्क्रिय फ़िल्टर के अतिआकार के मुकाबले गतिशील समाधान तैनात करना

निष्क्रिय फ़िल्टर आमतौर पर स्थापित करने पर लगभग 30 से 40 प्रतिशत कम लागत वाले होते हैं, लेकिन औद्योगिक सुविधाएं उन्हें अप्रत्याशित हार्मोनिक्स से निपटने के लिए आवश्यकता से लगभग 30% बड़े आकार के रूप में चुनती हैं। इस प्रथा से प्रारंभिक लागत लाभ तेजी से समाप्त हो जाते हैं। एक स्टील मिल के संचालन को उदाहरण के रूप में लें—उन्हें प्रत्येक वर्ष लगभग 18,000 डॉलर के कैपेसिटर बदलने पड़ते थे, साथ ही अनुनाद से होने वाली ऊर्जा बर्बादी से निपटना पड़ता था, जो गतिशील फ़िल्टर में नहीं होता और जिन्हें बदलने की आवश्यकता लगभग बारह वर्षों बाद पड़ती है। कई प्रमुख उपकरण निर्माताओं के अनुसार, गतिशील फ़िल्टरिंग प्रणाली पर स्विच करने वाली कंपनियों को सामान्यतः दो से तीन वर्षों के भीतर निवेश का लाभ मिल जाता है, क्योंकि प्रणाली में विफलताएं काफी कम हो जाती हैं—इससे बिजली की आपूर्ति में 35 से लेकर 50 प्रतिशत तक कम बाधाएं आने की सूचना मिली है। इसके अलावा, इन सुविधाओं को बिजली गुणवत्ता के खराब मानकों के लिए उपयोगिता कंपनियों द्वारा अतिरिक्त शुल्क लगने से भी बचाव मिलता है, जैसा कि शक्ति अर्थशास्त्र पर हालिया उद्योग विश्लेषण में बताया गया है।

डायनेमिक हार्मोनिक फ़िल्टरिंग के साथ मापन योग्य बिजली गुणवत्ता में सुधार

चर संचालन स्थितियों के दौरान THD में कमी

डायनेमिक हार्मोनिक फ़िल्टर अचानक मोटर गति परिवर्तन या उत्पादन लाइन परिवर्तन के दौरान भी THD को 5% से नीचे बनाए रखते हैं, जो IEEE-519 अनुपालन दस्तावेज़ीकरण के थ्रेशहोल्ड के अनुरूप है। उदाहरण के लिए, 2023 में धातु निर्माण संयंत्रों के एक विश्लेषण में बताया गया कि अफ़िल्टर प्रणालियों की तुलना में 78% THD कमी आई, और लोड संक्रमण के 2 चक्र के भीतर वोल्टेज तरंगरूप स्थिर हो गए।

वोल्टेज स्थिरीकरण और अनुवर्ती उपकरणों पर कम तनाव

गतिशील फ़िल्टर उन परेशान करने वाली हार्मोनिक धाराओं को तब रोक देते हैं जब वे बिजली नेटवर्क में फैलने लगते हैं, जिससे वोल्टेज फ्लैट-टॉपिंग और खतरनाक अनुनाद की स्थिति जैसी समस्याओं से बचा जा सकता है। इसका वास्तविक अर्थ क्या है? खैर, ट्रांसफार्मरों में लगभग 35% कम ऊष्मा तनाव होता है, और मोटर बेयरिंग्स प्लास्टिक एक्सट्रूज़न संयंत्रों और तापन/शीतलन प्रणालियों जैसे स्थानों पर 20 से 40% अधिक समय तक चलते हैं। एक और लाभ भी है। संधारित्रों और स्विचगियर उपकरणों जैसी चीजों के लिए रखरखाव खर्च लगभग 12 से 18% तक कम हो जाते हैं। छह महीने पहले फार्मास्यूटिकल कारखानों में किए गए वास्तविक परीक्षण के दौरान हमने ऐसा ही देखा।

विनिर्माण और प्रक्रिया उद्योगों में बढ़ती अपनाने की प्रवृत्ति

जब खाद्य प्रसंस्करण सुविधाएँ गतिशील फ़िल्टरिंग प्रणाली लागू करती हैं, तो उन्हें वोल्टेज सैग के कारण उत्पादन में लगभग 23 प्रतिशत कम रुकावटें आती हैं। इस बीच, ऑटोमोटिव मूल उपकरण निर्माता (OEM) अपने कैपेसिटर बैंक को समायोजित किए बिना 0.95 से ऊपर के पावर फैक्टर पढ़ने में सफल हो रहे हैं। बड़े चित्र को देखते हुए, वर्ष 2023 में पिछले वर्ष की तुलना में इन अनुकूली तिरछी तरंग समाधानों के विश्व स्तरीय बाजार में लगभग 29% की भारी वृद्धि हुई। यह बढ़ोतरी तब समझ आती है जब हम आने वाले सख्त नियमों और तुलना करते हैं कि पारंपरिक निष्क्रिय फ़िल्टर पुनर्स्थापना की तुलना में वास्तविक समय में शमन तकनीकों का उपयोग करके कंपनियां कितना पैसा बचा रही हैं, जो अब पुरानी पड़ चुकी हैं।

गतिशील तिरछी तरंग क्षतिपूर्ति की तकनीकी सीमाएँ और संचालनात्मक विचार

अचानक भार या तिरछी तरंग चोटियों के दौरान प्रतिक्रिया समय की सीमाएँ

गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर आमतौर पर लगभग 2 से 5 मिलीसेकंड में प्रतिक्रिया करते हैं, लेकिन भारी उद्योगों जैसे चट्टान तोड़ने वाले उपकरणों वाले खनन संचालन या रोलिंग मिल्स चलाने वाली इस्पात उत्पादन सुविधाओं में सामान्यतः आने वाले अचानक भार परिवर्तनों के साथ यह प्रतिक्रिया समय समस्याग्रस्त हो जाता है। 2022 में IEEE द्वारा विभिन्न औद्योगिक बिजली सेटअप पर प्रकाशित एक अध्ययन के अनुसार, ऐसे मामले थे जहाँ कुल विकृति (distortion) आधे सेकंड की अवधि के लिए 22% से ऊपर चली गई जब भी वर्तमान भार सामान्य स्तर के लगभग तीन गुना तक बढ़ गया। ये उछाल कई फ़िल्टरों द्वारा प्रभावी ढंग से संभाले जा सकने की सीमा से आगे निकल जाते थे। यह देरी इसलिए होती है क्योंकि इन स्मार्ट फ़िल्टरिंग प्रणालियों को अपनी प्रतिक्रिया समायोजित करने से पहले वास्तविक समय में यह समझने की आवश्यकता होती है कि क्या हो रहा है।

जटिल या चरम हार्मोनिक स्पेक्ट्रा के तहत फ़िल्टर संतृप्ति का जोखिम

आधुनिक बहु-पल्स आवृत्ति रूपांतरक और DC ड्राइव प्रणालियाँ ओवरलैपिंग हार्मोनिक ऑर्डर का उत्पादन करने की प्रवृत्ति रखती हैं, जो वास्तव में गतिशील फ़िल्टरों की सीमा का परीक्षण करते हैं जब धारा प्रवेशन की बात आती है। उदाहरण के लिए एक वास्तविक परिस्थिति पर विचार करें जहाँ 12 पल्स सीमेंट किल्न ड्राइव संचालित हो रहा था। 11वें, 13वें और 25वें क्रम के हार्मोनिक्स ने वास्तव में फ़िल्टरों के अस्थायी संतृप्तिकरण को जन्म दिया, और इससे उन व्यस्त संचालन के चरम पर THD सुधार लगभग 92 प्रतिशत से घटकर लगभग 68 प्रतिशत तक आ गया। आजकल अधिकांश शीर्ष निर्माता यह सुझाव दे रहे हैं कि इंजीनियर IEEE 519 श्रेणी IV हार्मोनिक स्थितियों से निपटने वाले सेटअप के लिए आवश्यकता से कहीं अधिक 25 से 40 प्रतिशत तक अपने फ़िल्टर धारा रेटिंग को आकार दें। इससे वास्तविक संचालन में अप्रत्याशित अस्थायी स्थितियों के उदय होने पर कुछ अतिरिक्त गुंजाइश मिल जाती है।

सिस्टम डिजाइनरों को प्रदर्शन आवश्यकताओं के विरुद्ध इन संचालन सीमाओं का संतुलन बनाना होता है, जिसमें अक्सर अधिकतम कठोर परिदृश्यों में फ़िल्टर विन्यासों को मान्य करने के लिए हार्मोनिक अध्ययन और रीयल-टाइम सिमुलेशन उपकरणों का उपयोग किया जाता है। उचित आकार और एकीकरण के साथ, गतिशील फ़िल्टर इन अंतर्निहित सीमाओं के बावजूद अधिकांश औद्योगिक उपयोग के मामलों में 85–90% हार्मोनिक दमन विश्वसनीयता प्राप्त कर लेते हैं।

सामान्य प्रश्न

हार्मोनिक विकृतियाँ क्या हैं, और वे औद्योगिक प्रणालियों को कैसे प्रभावित करती हैं?

हार्मोनिक विकृतियाँ मुख्य आवृत्ति के पूर्णांक गुणकों पर तरंग रूप होते हैं जो VFD जैसी उपकरणों द्वारा उत्पन्न होती हैं। वे वोल्टेज और धारा में विकृति पैदा करती हैं जिसके कारण अक्षमता और उपकरण क्षति हो सकती है।

गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर बिजली की गुणवत्ता में सुधार कैसे करते हैं?

गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर वास्तविक समय में हार्मोनिक्स का पता लगाने और उनका प्रतिकार करने के लिए अनुकूली एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं, THD को स्वीकार्य सीमा के भीतर रखते हुए प्रणाली की दक्षता और उपकरणों के जीवनकाल में सुधार करते हैं।

गतिशील फ़िल्टर की तुलना में निष्क्रिय फ़िल्टर कम प्रभावी क्यों होते हैं?

निष्क्रिय फ़िल्टर निश्चित आवृत्तियों को लक्षित करते हैं और अनुनाद समस्याओं में परेशानी कर सकते हैं। गतिशील फ़िल्टर वास्तविक समय में बदलती परिस्थितियों के अनुकूल बन जाते हैं, जिससे त्वरित प्रतिक्रिया और व्यापक प्रभावशीलता प्राप्त होती है।

औद्योगिक प्रणालियों में गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर के उपयोग के क्या लाभ हैं?

इनका त्वरित प्रतिक्रिया समय होता है, रखरखाव लागत कम होती है, उपकरणों का जीवनकाल बढ़ जाता है, और समग्र बिजली की गुणवत्ता एवं प्रणाली की विश्वसनीयता में सुधार होता है।

क्या गतिशील हार्मोनिक फ़िल्टर के उपयोग के कोई नुकसान हैं?

अचानक भार में वृद्धि के दौरान इनकी प्रतिक्रिया समय में कमी हो सकती है और जटिल हार्मोनिक स्पेक्ट्रा के साथ संतृप्ति की समस्या हो सकती है, लेकिन उचित आकार चयन इन नुकसानों को कम कर सकता है।