एक्टिव फिल्टर पावर क्वालिटी में प्रभावी रूप से सुधार कैसे करता है?

पावर क्वालिटी की समझ और एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर की भूमिका

आधुनिक विद्युत प्रणालियों में पावर क्वालिटी में सुधार की परिभाषा

विद्युत गुणवत्ता में सुधार करने का अर्थ है यह सुनिश्चित करना कि विद्युत प्रणालियाँ संवेदनशील उपकरणों को ठीक से काम करने के लिए आवश्यक स्थिर वोल्टेज और आवृत्ति स्तर प्रदान करें। सीएनसी मशीनों और आईओटी उपकरणों जैसी चीजों को इस स्थिरता पर बहुत अधिक निर्भरता होती है। आईईईई जैसे संगठनों द्वारा निर्धारित मानकों के अनुसार, अच्छी विद्युत गुणवत्ता का अर्थ सामान्य स्तरों के लगभग 5% के भीतर वोल्टेज भिन्नता बनाए रखना और कुल विषम विरूपण को 8% से नीचे रखना है। जैसे-जैसे हम भविष्य में देखते हैं, आईईए की हालिया रिपोर्टों के अनुसार, 2030 तक विश्वव्यापी बिजली की लगभग 40% आपूर्ति नवीकरणीय ऊर्जा द्वारा कवर किए जाने की उम्मीद है। यह स्वच्छ लेकिन कम भविष्यवाणी योग्य ऊर्जा स्रोतों की ओर बढ़ना स्थिर ग्रिड को बनाए रखने के लिए चुनौतियां पैदा करता है। इन बदलती परिस्थितियों के कारण, अधिक बुद्धिमान समाधान विकसित करने में बढ़ती रुचि है जो उतार-चढ़ाव वाले विद्युत इनपुट के अनुकूलित हो सकें और विभिन्न प्रकार के उपकरणों में विश्वसनीय संचालन बनाए रख सकें।

सामान्य विद्युत गुणवत्ता समस्याएं: वोल्टेज नियमन और विद्युत प्रणाली हार्मोनिक्स

2023 से इलेक्ट्रिक पावर रिसर्च इंस्टीट्यूट के अनुसार, वोल्टेज सैग औद्योगिक डाउनटाइम खर्च का लगभग 45% के लिए उत्तरदायी हैं। जब हम उन गैर-रैखिक भारों जैसे वेरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव, एलईडी लाइट्स और विभिन्न प्रकार के रेक्टिफायर्स द्वारा उत्पन्न हार्मोनिक्स पर नज़र डालते हैं तो समस्या और बढ़ जाती है। ये घटक आमतौर पर 3rd, 5th और 7th क्रम हार्मोनिक्स की महत्वपूर्ण मात्रा उत्पन्न करते हैं जो चीजों को बिगाड़ सकते हैं। ऐसी सुविधाओं में जहां उचित सुरक्षा उपाय नहीं होते हैं, कुल हार्मोनिक विरूपण (THD) स्तर 15% से अधिक हो जाता है, जो विनिर्माण संयंत्रों में विद्युत प्रणालियों के लिए गंभीर समस्याएं पैदा करता है।

एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर कैसे विरूपण और अस्थिरता का सामना करता है

एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर वास्तविक समय में धारा डालकर काम करते हैं ताकि परेशान करने वाले हार्मोनिक विरूपण को रद्द किया जा सके। 2022 में IEEE द्वारा प्रकाशित एक हालिया अध्ययन से पता चलता है कि ये उपकरण औद्योगिक स्थानों में कुल हार्मोनिक विरूपण (THD) को 65% से 92% तक कम कर सकते हैं। पारंपरिक निष्क्रिय फिल्टरों से इन्हें क्या अलग करता है? एक्टिव मिटिगेटर में यह उन्नत बंद लूप नियंत्रण प्रणाली होती है जो अत्यधिक तेज़ी से प्रतिक्रिया करती है, आमतौर पर केवल एक चक्र के भीतर। यह त्वरित प्रतिक्रिया कई सुविधाओं में आने वाली आक्रोशपूर्ण वोल्टेज फ्लिकर समस्याओं को समाप्त करने में मदद करती है। इसके अतिरिक्त, इनकी अनुकूलनीय ट्यूनिंग क्षमता 50 हर्ट्ज से शुरू होकर 3 किलोहर्ट्ज तक के हार्मोनिक्स को संभालने में सक्षम है। उन कंपनियों के लिए जो लगातार बदलते भार वाली जटिल हाइब्रिड एसी/डीसी प्रणालियों का संचालन कर रही हैं, ये मिटिगेटर बढ़ते समाधान बन रहे हैं।

एक्टिव पावर फिल्टर कॉन्फ़िगरेशन और वर्गीकरण

आज के विद्युत प्रणालियाँ सामान्यतः तीन मुख्य प्रकार के सक्रिय फिल्टरों के साथ काम करती हैं। श्रृंखला फिल्टर मूल रूप से क्षतिपूरक वोल्टेज को सीधे ग्रिड लाइन में डालते हैं, जिससे वेरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव जैसी चीजों से आने वाले अवांछित हार्मोनिक्स को रोकने में मदद मिलती है। फिर शंट फिल्टर होते हैं जो सर्किट के समानांतर जुड़े होते हैं और आईजीबीटी इन्वर्टर के माध्यम से खराब हार्मोनिक करंट को बाहर निकाल देते हैं। ये उन कारखानों में अच्छा प्रदर्शन करते हैं जहां उपकरणों के भार में लगातार परिवर्तन होता रहता है। कुछ कंपनियों ने अब दोनों दृष्टिकोणों को मिलाकर हाइब्रिड सिस्टम में उपयोग करना शुरू कर दिया है। पिछले साल के हालिया अध्ययनों के अनुसार, ये संयुक्त सेटअप विमानन प्रणालियों में हार्मोनिक्स को लगभग 94% तक कम कर सकते हैं, जिससे वे उच्च सटीकता वाले वातावरण के लिए काफी आकर्षक बन जाते हैं, भले ही उन्हें स्थापित करना थोड़ा अधिक जटिल हो।

कनेक्शन और कार्य के आधार पर पावर फिल्टरों का वर्गीकरण

सक्रिय फिल्टरों को उनके इंटरफ़ेस और संचालन के दायरे के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है:

• करंट-स्रोत फिल्टर कम वोल्टेज अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं (<1 kV) जहां डीसी क्षतिपूर्ति की आवश्यकता होती है
• वोल्टेज-स्रोत फिल्टर 1–35 kV के माध्यम से संधारित्र-सहायित इन्वर्सन के माध्यम से मध्यम-वोल्टेज सिस्टम का समर्थन करता है
• एकीकृत शक्ति गुणवत्ता कंडीशनर (UPQC) वोल्टेज और करंट दोनों क्षेत्रों में व्यापक क्षतिपूर्ति प्रदान करता है

फिल्टर प्रकार	THD कमी	प्रतिक्रिया समय	आदर्श लोड प्रकार
निष्क्रिय	30–50%	10–20 मिलीसेकंड	निश्चित हार्मोनिक स्पेक्ट्रा
सक्रिय (शंट)	85–97%	<1 मिलीसेकंड	डायनेमिक गैर-रैखिक
हाइब्रिड	92–98%	1–5 मिलीसेकंड	मिश्रित रैखिक/गैर-रैखिक

निष्क्रिय बनाम सक्रिय फ़िल्टर टोपोलॉजी का तुलनात्मक विश्लेषण

निष्क्रिय फ़िल्टर तब भी अच्छी तरह से काम करते हैं जब विशिष्ट हार्मोनिक आवृत्तियों जैसे 5वीं, 7वीं और 11वीं ऑर्डर के साथ सौदा करते हैं, हालांकि उन्हें लगभग 20 किलोहर्ट्ज़ से अधिक ब्रॉड स्पेक्ट्रम शोर को संभालने में परेशानी होती है क्योंकि उनकी निश्चित एलसी सर्किट डिज़ाइन होती है। सक्रिय फ़िल्टर तो पूरी तरह से अलग कहानी कहते हैं। 2022 में आईईईई द्वारा किए गए हालिया परीक्षणों के अनुसार, ये सिस्टम नवीकरणीय स्रोतों से भरे पावर ग्रिड में आवृत्तियों में परिवर्तन के अनुकूलन में लगभग 40 प्रतिशत अधिक क्षमता दिखाते हैं। और जैसे-जैसे हमारे विद्युत नेटवर्क समय के साथ बदल रहे हैं, इस तरह की प्रतिक्रिया वास्तव में मायने रखती है।

उद्योग विरोधाभास: जब निष्क्रिय फ़िल्टर गतिशील भार मांगों को पूरा करने में विफल रहते हैं

हालांकि हार्मोनिक हीटिंग के कारण 12-15% ऊर्जा नुकसान का अनुभव करते हुए, 2023 में किए गए सर्वेक्षण में 68% विनिर्माण संयंत्र अभी भी निष्क्रिय फिल्टरों पर निर्भर हैं। यह जड़ता मुख्य रूप से पुराने बुनियादी ढांचे में निवेश से उत्पन्न होती है। हालांकि, 2026 तक हाइब्रिड रीट्रोफिटिंग समाधानों के व्यापक अपनाने की उम्मीद है, जो इस प्रदर्शन अंतर को पाटने में मदद करेगा।

एक्टिव फिल्टरों के लिए नियंत्रण तकनीक और क्षतिपूर्ति रणनीतियाँ

एक्टिव पावर फिल्टरों के लिए नियंत्रण तकनीकों में तात्कालिक प्रतिक्रियाशील शक्ति सिद्धांत (p-q विधि)

P-q विधि तीन-फेज प्रणालियों पर तात्कालिक शक्ति सिद्धांत लागू करती है, जो लोड धाराओं को सक्रिय (p) और प्रतिक्रियाशील (q) घटकों में विघटित कर देती है। यह वास्तविक समय में हार्मोनिक अलगाव और सटीक क्षतिपूर्ति को सक्षम करती है। मैदानी परीक्षणों से पता चलता है कि p-q नियंत्रित प्रणालियाँ 98% मामलों में 5% से कम THD प्राप्त करती हैं, जो IEEE 519-2022 मानकों को लगातार पूरा करती हैं।

सिंक्रोनस रेफरेंस फ्रेम (SRF) और क्षतिपूर्ति रणनीति में इसकी भूमिका

एसआरएफ नियंत्रण विकृत धाराओं को मौलिक आवृत्ति के साथ सममित एक घूर्णन संदर्भ फ्रेम में परिवर्तित करता है। इस क्षेत्र में सामंजस्य घटकों को अलग करके, सक्रिय फिल्टर सटीक प्रतिधाराएं उत्पन्न करते हैं। एक 2023 के अध्ययन में पाया गया कि एसआरएफ तकनीकें परिवर्तनीय-गति वाले ड्राइव अनुप्रयोगों में स्थैतिक-फ्रेम तकनीकों की तुलना में 32% तक क्षतिपूर्ति की सटीकता में सुधार करती हैं।

वास्तविक समय में सामंजस्य डिटेक्शन और प्रतिक्रिया के लिए अनुकूली एल्गोरिदम

लीस्ट मीन स्क्वायर्स (एलएमएस) जैसे एल्गोरिदम सामंजस्य प्रोफाइल में परिवर्तन के अनुसार स्व-समायोजन वाले पैरामीटर ट्यूनिंग को सक्षम करते हैं। ये प्रणालियां नवीकरणीय अनियमितता के कारण होने वाले आवृत्ति परिवर्तन का पता लगाती हैं और माइक्रोग्रिड में 90 मिलीसेकंड की प्रतिक्रिया समय प्राप्त करती हैं, जो स्थैतिक फिल्टरों की तुलना में 65% तेज है, जिससे गतिशील स्थितियों के तहत स्थिर बिजली गुणवत्ता सुनिश्चित होती है।

सक्रिय सामंजस्य उपशमन में नियंत्रण के निर्धारित बनाम एआई-चालित दृष्टिकोण: एक प्रदर्शन तुलना

जबकि नियत-लाभ नियंत्रक स्थिर भारों के तहत उचित ढंग से कार्य करते हैं, न्यूरल नेटवर्क का उपयोग करने वाले एआई-संचालित प्रणाली समय-समय पर बदलने वाले जटिल हार्मोनिक पैटर्न में अनुकूलन करती हैं। आईईईई ट्रांजेक्शंस ऑन इंडस्ट्रियल इंफॉर्मेटिक्स एआई-आधारित नियंत्रकों के उच्च-हार्मोनिक वातावरण, जैसे स्टील मिलों में पारंपरिक दृष्टिकोण की तुलना में वोल्टेज फ्लिकर को 47% और ऊर्जा हानि को 29% कम करने में कामयाब रहे।

हार्मोनिक और प्रतिक्रियाशील शक्ति क्षतिपूर्ति प्रदर्शन

अरेखीय भार वातावरण में हार्मोनिक क्षतिपूर्ति के तंत्र

एक्टिव हार्मोनिक कम-करना वास्तविक समय में खराब चीजों को निरस्त करने वाली धाराओं को उत्पन्न करके काम करता है। जहां भी अनेक परिवर्ती आवृत्ति ड्राइव और एलईडी लाइट्स संचालित हो रही हों, इन प्रणालियों में लगे स्मार्ट संसूचन सॉफ्टवेयर के धन्यवाद, ये प्रत्येक 2 मिलीसेकंड में भार में परिवर्तन को अत्यंत तीव्रता से समायोजित कर लेते हैं। ये प्रणालियां IEEE 519 मानकों के अनुसार सभी के द्वारा अनुसरित कुल मांग विरूपण (Total Demand Distortion) को लगभग 5% या उससे कम तक सीमित रखते हैं। ये प्रणालियां जिस तरह से काम करती हैं वह काफी अच्छी है क्योंकि ये पुराने निष्क्रिय फिल्टरों में अक्सर आने वाले अनुनादों के जोखिम को समाप्त कर देती हैं। इसके अतिरिक्त, ये कई प्रकार के हार्मोनिक्स को एक साथ बिना किसी गड़बड़ी के संभाल सकती हैं।

एक्टिव हार्मोनिक कम-करने वाले उपकरण का उपयोग करके THD कमी का मात्रात्मक आकलन: औद्योगिक क्षेत्र से प्रकरण अध्ययन

एक ऑटोमोटिव फैक्ट्री में, उन्होंने सक्रिय हार्मोनिक निरोधन प्रणाली लागू करने के बाद कुल हार्मोनिक विरूपण (THD) को 31% से घटाकर मात्र 3.8% तक लाने में सफलता प्राप्त की। इस परिवर्तन ने अकेले प्रति माह लगभग 18 किलोवाट ट्रांसफार्मर नुकसान को कम कर दिया। जब तकनीकी डेटा के आधार पर सिमुलेशन किया गया, तो पता चला कि ये प्रणालियाँ उसी प्रकार के गैर-रैखिक भारों के साथ सामना करते समय पारंपरिक निष्क्रिय फिल्टरों की तुलना में लगभग 63 प्रतिशत तेजी से हार्मोनिक्स को दबाने में कामयाब रहीं। पावर एनालाइज़रों ने एक अन्य बात भी बताई: 5वें और 7वें क्रम के लगभग 94% हार्मोनिक्स पूरी तरह से गायब हो गए। और इसका क्या महत्व है? क्योंकि उस सुविधा में मोटर नियंत्रण केंद्रों में होने वाली ऊर्जा की बर्बादी का लगभग 83% तक यही हार्मोनिक्स जिम्मेदार थे।

अप्रतिक्रियाशील शक्ति क्षतिपूर्ति और शक्ति गुणक सुधार पर इसका प्रभाव

एक्टिव फिल्टर आज हार्मोनिक सुधार और अप्रत्यावर्ती शक्ति प्रबंधन दोनों को एक साथ संभालते हैं, 0.97 से अधिक पावर फैक्टर प्राप्त करते हुए साथ ही संधारित्र स्विचिंग से उत्पन्न अप्रिय वोल्टेज स्पाइक्स से बचा जाता है। वास्तविक अस्पताल के एमआरआई कमरों में परीक्षण करने पर, ये फिल्टर पारंपरिक स्टैटिक वीएआर कंपेंसेटर्स की तुलना में लगभग 41% अधिक प्रभावी साबित हुए अप्रत्यावर्ती शक्ति क्षतिपूर्ति के संदर्भ में। इसका अनुवाद वास्तविक दुनिया में प्रति एमआरआई मशीन के लगभग 28 केवीए की वाह्य शक्ति मांग में बचत में हुआ। यहां मुख्य लाभ यह है कि हम प्रत्येक समस्या के लिए अलग-अलग प्रणालियों के साथ काम नहीं कर रहे हैं। हार्मोनिक्स के लिए एक समाधान और शक्ति गुणक समस्याओं के लिए एक अन्य समाधान रखने के बजाय, सब कुछ एक साथ संभाला जाता है जो काफी हद तक कुशल पैकेज में होता है।

डेटा बिंदु: तैनाती के बाद सिस्टम दक्षता में 40% की वृद्धि (IEEE, 2022)

एकीकृत क्षतिपूर्ति रणनीतियाँ काफी दक्षता लाभ प्रदान करती हैं। सेमीकंडक्टर फैब्रिकेशन संयंत्रों के एक 2022 के अध्ययन में सक्रिय फिल्टर स्थापना के बाद कुल सिस्टम नुकसान में 40.2% की कमी दर्ज की गई। इन सुधारों के कारण निगरानी बिंदुओं पर सुधार के साथ-साथ शीतलन आवश्यकताओं में 32% की कमी और यूपीएस बैटरी के जीवनकाल में 19% की वृद्धि हुई।

वास्तविक दुनिया की प्रणालियों में सक्रिय हार्मोनिक मिटिगेटर के अनुप्रयोग और लाभ

विनिर्माण में सक्रिय फिल्टर: उतार-चढ़ाव वाले भार के तहत वोल्टेज नियमन को स्थिर करना

विनिर्माण स्थापनाओं में, स्वचालित मशीनों के विभिन्न गतियों पर चलने के कारण उपकरण भार में भारी उतार-चढ़ाव आता है। यहां तक कि भार में तीन गुना वृद्धि होने पर भी एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर वोल्टेज स्तर को स्थिर रखते हुए केवल 1% के भीतर रहते हैं। आवश्यकता पड़ने पर विशेष प्रतिकारी धाराएं भेजकर ये उपकरण मोटरों को अत्यधिक गर्म होने से रोकते हैं और महत्वपूर्ण पीएलसी सिस्टम को निर्बाध रूप से चलाते रहते हैं। हाल ही में आईईईई द्वारा 2022 में प्रकाशित अध्ययनों के अनुसार, इस दृष्टिकोण से देश भर के उत्पादन संयंत्रों में होने वाली वोल्टेज ड्रॉप की समस्याओं में से लगभग 92% का समाधान होता है।

अक्षय ऊर्जा एकीकरण: हार्मोनिक क्षतिपूर्ति के साथ ग्रिड इंटरफ़ेस को सुचारु बनाना

सौर इन्वर्टर और पवन कन्वर्टर 50वें ऑर्डर तक की हार्मोनिक्स पेश करते हैं, जो ग्रिड स्थिरता के लिए खतरा उत्पन्न करते हैं। एक्टिव फिल्टर इन आवृत्तियों का पता लगाते हैं और उन्हें कम करते हैं, फोटोवोल्टिक फार्म इंटरकनेक्शन पर 95% थैड (THD) कमी प्राप्त करते हैं। उनकी अनुकूलनीय डिज़ाइन बैटरी भंडारण के साथ सहज एकीकरण का भी समर्थन करती है, अस्थायी उत्पादन के कारण उत्पन्न चरण असंतुलन को ठीक करते हैं।

महत्वपूर्ण सुविधाएं: अस्पताल और डेटा केंद्र बिजली की गुणवत्ता में सुधार का लाभ उठा रहे हैं

मिशन-महत्वपूर्ण वातावरण में, एमआरआई मशीनों और सर्वर रैक की रक्षा के लिए वोल्टेज विरूपण 0.5% से नीचे रहना चाहिए। एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर जनरेटर स्थानांतरण के दौरान 20 मिलीसेकंड प्रतिक्रिया प्रदान करते हैं, जीवन रक्षा और आईटी सिस्टम के लिए बिजली की निरंतर आपूर्ति सुनिश्चित करते हैं। एक अस्पताल ने तैनाती के बाद बैकअप बिजली आपूर्ति विफलता में 63% की कमी की सूचना दी।

एक्टिव फिल्टर के मुख्य लाभ: गतिशील प्रतिक्रिया, सटीकता और स्केलेबिलिटी

मुख्य फायदे ये हैं:

• अनुकूलनीय हार्मोनिक ट्रैकिंग 2-150 किलोहर्ट्ज़ की आवृत्ति पर होने वाले शोर की भरपाई माइक्रोसेकंड अंतराल में करता है
• बहुउद्देशीय संचालन : एक साथ हार्मोनिक फ़िल्टरिंग, पावर फैक्टर करेक्शन और लोड बैलेंसिंग को संभालता है
• मॉड्यूलर वास्तुकला : 50A एकल-चरण से 5000A तीन-चरण स्थापनाओं तक स्केल करता है

यह विविधता क्षेत्रों में लागत प्रभावी तैनाती का समर्थन करती है, जिसमें 87% औद्योगिक उपयोगकर्ता 18 महीनों के भीतर आरओआई हासिल करते हैं (आईईईई, 2022)।

सामान्य प्रश्न अनुभाग

पावर क्वालिटी क्या है और यह महत्वपूर्ण क्यों है?

पावर क्वालिटी से तात्पर्य विद्युत प्रणालियों द्वारा प्रदान किए गए वोल्टेज और आवृत्ति स्तरों के स्थिरता से है। यह सीएनसी मशीनों और आईओटी उपकरणों जैसे संवेदनशील उपकरणों के उचित कार्य के लिए महत्वपूर्ण है, जो निरंतर बिजली पर निर्भर करते हैं।

एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर पावर क्वालिटी में सुधार कैसे करते हैं?

एक्टिव हार्मोनिक मिटिगेटर वास्तविक समय में करंट इंजेक्ट करके हार्मोनिक विकृतियों को रद्द करके पावर क्वालिटी में सुधार करते हैं, जिससे स्थिर और निरंतर बिजली के स्तर आते हैं।

निष्क्रिय और सक्रिय फ़िल्टर के बीच क्या अंतर है?

निष्क्रिय फ़िल्टर विशिष्ट हार्मोनिक आवृत्तियों के साथ काम करते हैं और व्यापक स्पेक्ट्रम शोर के प्रति कम प्रतिक्रियाशील होते हैं। दूसरी ओर, सक्रिय फ़िल्टर बदलती आवृत्तियों, विशेष रूप से गतिशील वातावरणों में अधिक अनुकूलनीय होते हैं।

महत्वपूर्ण सुविधाओं में सक्रिय हार्मोनिक माइटिगेटर्स की क्या भूमिका होती है?

अस्पतालों और डेटा केंद्रों जैसी महत्वपूर्ण सुविधाओं में, सक्रिय हार्मोनिक माइटिगेटर्स वोल्टेज स्थिरता बनाए रखते हैं ताकि एमआरआई मशीनों और सर्वर रैक जैसे उपकरणों की रक्षा की जा सके और बिजली की आपूर्ति में बाधा न हो।

हार्मोनिक माइटिगेशन से ऊर्जा दक्षता पर क्या प्रभाव पड़ता है?

हार्मोनिक माइटिगेशन से सिस्टम नुकसान को कम करके ऊर्जा दक्षता में काफी वृद्धि हो सकती है, जैसा कि सक्रिय फ़िल्टर्स के उपयोग के बाद सिस्टम दक्षता में 40% तक की वृद्धि को दर्शाने वाले अध्ययनों में दिखाया गया है।