हार्मोनिक एलिमिनेशन में एक्टिव हार्मोनिक फिल्टर को क्या खास बनाता है?

सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर कैसे काम करते हैं: मूल प्रौद्योगिकी और वास्तविक समय प्रतिक्रिया

सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर संचालन के पीछे की मूल प्रक्रिया को समझें

एक्टिव हार्मोनिक फिल्टर करंट सेंसर के माध्यम से विद्युत प्रणालियों पर नज़र रखते हैं, उन परेशान करने वाले वेवफॉर्म विरूपणों का पता लगाते हैं जो गैर-रैखिक भार से उत्पन्न होते हैं। ये फिल्टर अपने निष्क्रिय समकक्षों की तुलना में अलग तरीके से काम करते हैं। बस वहीं बैठे रहने के बजाय, वे वास्तव में आईजीबीटी के रूप में जाने जाने वाले इंसुलेटेड-गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर इन्वर्टर्स कहलाने वाली चीजों का उपयोग करके क्षतिपूरक धाराओं का निर्माण करते हैं। जैसे-जैसे स्थितियाँ बदलती हैं, सिस्टम स्वयं को समायोजित करता है, जिसका अर्थ है कि अब पुराने ढंग के फिक्स्ड-ट्यून्ड रिएक्टर्स या कैपेसिटर्स की आवश्यकता नहीं है। इसका वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों के लिए क्या मतलब है? खैर, इसका मतलब है कि आवृत्तियों की बहुत व्यापक श्रृंखला को ठीक से संभाला जा सकता है, और प्रदर्शन भार स्थितियों में उतार-चढ़ाव के बावजूद भी अच्छी तरह से अनुकूलित होता है।

हार्मोनिक पता लगाना और वास्तविक समय में क्षतिपूर्ति प्रक्रिया

आधुनिक सेंसर लगभग 50 माइक्रोसेकंड में हार्मोनिक जानकारी प्राप्त करते हैं और इस डेटा को मुख्य प्रसंस्करण इकाई पर भेजते हैं। फिर सिस्टम कुछ बेहद उन्नत गणनाएं करता है ताकि यह पता लगाया जा सके कि ये हार्मोनिक कितने मजबूत हैं और उनके फेज कोण कैसे दिखते हैं। इसके बाद जो होता है वह वास्तव में तेजी से होता है - लगभग 1 से 2 मिलीसेकंड के बाद, उपकरण वास्तव में विपरीत धाराओं का उत्सर्जन करता है, जो नेटवर्क में फैलने से पहले किसी भी अवांछित विकृतियों को रद्द कर देती हैं। यह त्वरित प्रतिक्रिया समय सुनिश्चित करती है कि सब कुछ IEEE 519-2022 विनियमों द्वारा निर्धारित सीमाओं के भीतर रहे। सुविधाओं जैसे वैरिएबल स्पीड मोटर्स या औद्योगिक आर्क फर्नेस चलाने वाली सुविधाओं के लिए कुल हार्मोनिक विकृति 5% से कम रहती है, जो उचित संचालन के लिए बिल्कुल सही स्थान है।

सटीक हार्मोनिक रद्दीकरण के लिए विपरीत धारा उत्सर्जन

फ़िल्टर के भीतर पावर इलेक्ट्रॉनिक्स हम जिन्हें कैंसिलेशन करंट कहते हैं उनका उत्पादन करते हैं, जो हार्मोनिक आवृत्तियों से मेल खाते हैं लेकिन उनकी ध्रुवीयता को पूरी तरह से उलट देते हैं। उदाहरण के लिए, एक सामान्य स्थिति पर विचार करें जहां 150 हर्ट्ज़ की पांचवीं हार्मोनिक विघ्न है, इसके लिए प्रणाली ठीक उसी आवृत्ति (150 हर्ट्ज़ भी) पर लेकिन 180 डिग्री फ़ेज़ से बाहर एक अन्य धारा के साथ प्रतिक्रिया करती है। इस दृष्टिकोण को प्रभावी बनाने वाली बात यह है कि यह मुख्य 50 या 60 हर्ट्ज़ के पावर सिग्नल को अपरिवर्तित रखते हुए अधिकांश परेशान करने वाले हार्मोनिक्स को खत्म कर देता है। पिछले साल किए गए परीक्षणों से भी शानदार परिणाम सामने आए, जिनमें हाल के बिजली गुणवत्ता अध्ययनों में फोरियर विश्लेषण के आधार पर अवांछित हार्मोनिक सामग्री में लगभग 98 प्रतिशत की कमी दर्ज की गई थी।

एडॉप्टिव फ़िल्टरिंग को सक्षम करने में डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर्स की भूमिका

डिजिटल सिग्नल प्रोसेसर्स या संक्षेप में DSP प्रत्येक सेकंड में एक लाख से भी अधिक बार विद्युत ग्रिड की स्थिति का सैंपल ले सकते हैं और साथ ही उन अवांछित हार्मोनिक शिफ्ट्स का भी ट्रैक रखते हैं जैसे वे होती हैं। इन उपकरणों के अंदर स्मार्ट एल्गोरिदम होते हैं जो वास्तव में सीएनसी मशीनरी या बैकअप पावर सप्लाई जैसी चीजों से उत्पन्न हार्मोनिक पैटर्न में क्या हो रहा है, यह सीखते हैं, और फिर समस्याओं से पहले ही क्षतिपूर्ति सेटिंग्स में बदलाव कर देते हैं। वास्तविक दुनिया के परीक्षणों से पता चला है कि DSP तकनीक से संचालित फिल्टर्स विद्युत भार में अचानक परिवर्तन के दौरान कुल हार्मोनिक विरूपण को 3 प्रतिशत से कम रखते हैं। यह पारंपरिक निष्क्रिय प्रणालियों की तुलना में काफी बेहतर है क्योंकि उनके THD माप एक ही तनावपूर्ण स्थिति का सामना करने पर 8 से 12 प्रतिशत के बीच उछल जाते हैं।

श्रेष्ठ प्रदर्शन: औद्योगिक अनुप्रयोगों में सक्रिय बनाम निष्क्रिय हार्मोनिक फिल्टर

कुल हार्मोनिक विरूपण (THD) में कमी: सक्रिय फिल्टर 5% से कम प्राप्त करते हैं

एक्टिव हार्मोनिक फिल्टर कुल हार्मोनिक विरूपण (THD) को लगातार 5% से नीचे ले जाते हैं, जो समान परिस्थितियों में आमतौर पर केवल 15-20% THD पर स्थिरता प्रदान करने वाले निष्क्रिय समाधानों से अधिक प्रभावी हैं (Ponemon 2023)। यह सटीकता विद्युत शोर को कम करती है और संवेदनशील स्वचालन प्रणालियों में खराबी को रोकती है, जिससे आधुनिक औद्योगिक और वाणिज्यिक बिजली नेटवर्क में एक्टिव फिल्टर आवश्यक बन जाते हैं।

गतिशील प्रणालियों में परिवर्ती हार्मोनिक प्रोफाइल के अनुकूल बनने की क्षमता

परिवर्तनशील कार्यभार के साथ काम करने वाले कारखानों को ऐसे समाधानों की आवश्यकता होती है जो उनके साथ तालमेल बना सकें। उन स्थानों के बारे में सोचें जहां परिवर्ती आवृत्ति ड्राइव (VFD) चलाए जा रहे हैं या अपनी प्रणालियों में नवीकरणीय ऊर्जा को शामिल किया जा रहा है। ऐसे वातावरण में किसी न किसी प्रकार की स्मार्ट निष्क्रियकरण रणनीति की आवश्यकता होती है। सक्रिय फिल्टर वास्तविक समय में डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग का उपयोग करके अपनी भरपाई को आवश्यकतानुसार समायोजित करते हैं। ये 50वें क्रम तक की विपरीत आवृत्तियों (हार्मोनिक्स) को संभाल सकते हैं जो काफी प्रभावशाली है। पिछले वर्ष प्रकाशित औद्योगिक बिजली की गुणवत्ता पर शोध के अनुसार, ये सक्रिय फिल्टर भार में अचानक परिवर्तन के दौरान पारंपरिक निष्क्रिय फिल्टरों की तुलना में लगभग 92 प्रतिशत तेजी से प्रतिक्रिया करते हैं। इसका अर्थ है अप्रत्याशित परिस्थितियों के दौरान पूरे बिजली प्रणाली के लिए बेहतर स्थिरता।

जब निष्क्रिय फिल्टर अभी भी व्यवहार्य हो सकते हैं: सीमाएं और अपवाद

छोटे सेटअप के लिए, जहां हार्मोनिक्स काफी स्थिर रहते हैं, वहां निष्क्रिय फिल्टर अभी भी मूल्य के मुकाबले अच्छा मूल्य प्रदान करते हैं, विशेष रूप से उन चीजों जैसे मोटर्स में जो स्थिर गति पर चलती हैं। समस्या तब आती है जब ये फिल्टर उन कठिन इंटरहार्मोनिक्स से निपट नहीं सकते या आवृत्ति में परिवर्तन को संभाल नहीं पाते। और उन अप्रत्याशित भार परिवर्तनों के बारे में भूलना भी मत भूलें। पोनेमन शोध के अनुसार, पिछले वर्ष ये समस्याएं वास्तव में कारखानों में 38 प्रतिशत बिजली समस्याओं का कारण बनती हैं। एक और बड़ी समस्या यह है कि वे अनुनाद समस्याओं में फंसने की आसानी से होती है। इसी कारण से भार में तेजी से बदलाव वाली कई नई सुविधाएं समाधान के लिए निष्क्रिय फ़िल्टरिंग पर भरोसा करने के बजाय अन्य स्थानों की ओर देखती हैं।

डेटा अंतर्दृष्टि: सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर के साथ औसत THD में 28% से घटकर 5% से नीचे हो जाता है

उद्योग के मापनों से पुष्टि होती है कि सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर औद्योगिक संयंत्रों में औसत THD को 28% से घटाकर 5% से भी कम कर देते हैं। इस सुधार से मध्यम आकार की सुविधाओं के लिए ऊर्जा अपव्यय और अनियोजित बंद होने से लगभग 120,000 अमेरिकी डॉलर की वार्षिक बचत होती है, और भार में 300% नाममात्र क्षमता से अधिक उतार-चढ़ाव के दौरान भी प्रदर्शन बना रहता है।

आधुनिक पावर सिस्टम में सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर के प्रमुख अनुप्रयोग

यूपीएस-संचालित डेटा केंद्रों में संवेदनशील उपकरणों की सुरक्षा

अविच्छिन्न विद्युत आपूर्ति (UPS) पर निर्भर डेटा केंद्रों को सर्वर संचालन को प्रभावित करने वाली थोड़ी सी भी ध्वनिक विकृति के कारण गंभीर समस्याओं का सामना करना पड़ता है। सक्रिय ध्वनिक फिल्टर उन परेशान करने वाली अव्यवस्थित आवृत्तियों को दबाकर काम करते हैं, कुल ध्वनिक विकृति (THD) को लगभग 3% के स्तर पर नियंत्रित रखते हैं, जो 2024 के लेटेस्ट पावर क्वालिटी रिपोर्ट में सुझाए गए अनुसार है। ये फिल्टर केवल विद्युत संकेतों को साफ करने से अधिक काम करते हैं। वे वास्तव में सभी उपकरणों के जीवन को बढ़ाने में मदद करते हैं। नेटवर्क स्विच अधिक समय तक चलते हैं, भंडारण प्रणालियाँ स्वस्थ बनी रहती हैं, और पूरे विद्युत वितरण सेटअप में कम पहनने का अनुभव होता है क्योंकि इन्सुलेशन सामग्री पर अधिक तनाव नहीं होता और घटक समग्र रूप से ठंडा चलते हैं।

VFD-चालित औद्योगिक प्रणालियों में दक्षता और विश्वसनीयता में सुधार करना

जब वैरिएबल फ्रीक्वेंसी ड्राइव (VFD) मोटर की गति को समायोजित करते हैं, तो वे प्रक्रिया के दौरान काफी मात्रा में हार्मोनिक करंट पैदा करते हैं। ये अवांछित विद्युत विक्षोभ औद्योगिक उपकरणों के लिए काफी परेशानी का स्रोत बन सकते हैं। यहीं पर एक्टिव फिल्टर की भूमिका महत्वपूर्ण होती है। ये विरूपणों को दूर करने में मदद करते हैं और कन्वेयर बेल्ट और कंप्यूटर न्यूमेरिकल कंट्रोल (CNC) मशीनों जैसी जगहों पर ट्रांसफार्मर नुकसान में लगभग 22% की कमी करते हैं। एक विशेष स्टील मिल में इन फिल्टरों को स्थापित करने के बाद क्या हुआ, इस पर एक नज़र डालिए। ऊर्जा बिल में लगभग 18% की कमी आई, जो निर्माण उद्योग में बिजली की कीमतों को देखते हुए काफी अच्छी बचत है। इसके अलावा, सुरक्षा रिले से गलत अलार्मों की संख्या में भी कमी आई, जो पहले ऑपरेशन में बाधा डालते थे। इस प्रकार, यह केवल धन ही नहीं बचाता है, बल्कि सुविधा के संचालन में कम अवरोध और सुचारु दैनिक कार्यों की गारंटी भी देता है।

HVAC, लिफ्टों और मोटर ड्राइव में बढ़ता अपनाव

आजकल अधिकांश ऊंची इमारतें अपने HVAC कंप्रेशर और उन रीजेनरेटिव लिफ्ट सिस्टम के लिए सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर स्थापित करना शुरू कर रही हैं। मुख्य कारण क्या है? ये फिल्टर वेरिएबल स्पीड सर्किट में हार्मोनिक अनुनाद को रोकते हैं, जिसके कारण पहले केबल अत्यधिक गर्म हो जाते थे या संधारित्र खराब हो जाते थे। स्मार्ट भवनों पर किए गए हालिया अध्ययनों में दिखाया गया है कि इन फिल्टरों की स्थापना के बाद रखरखाव के लिए आने वाली कॉल में लगभग 25-30% की कमी आई है। लंबी अवधि की लागतों पर भी नज़र डालें तो यह तकनीक अधिक उचित लगती है, क्योंकि कम खराबी का मतलब समय के साथ कम बंद रहने और मरम्मत लागत से होता है। स्थायित्व और संचालन लागत को कम रखने को लेकर चिंतित संपत्ति प्रबंधकों के लिए यह तकनीक काफी आवश्यक बन गई है।

सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर की शक्ति गुणवत्ता और लंबे समय के संचालन लाभ

वोल्टेज स्थिरीकरण और तरंग रूप विकृति का निराकरण

सक्रिय फ़िल्टर, प्रमुख हार्मोनिक आवृत्तियों को रद्द करके, 96% औद्योगिक स्थापनाओं में नाममात्र स्तरों के ±1% के भीतर वोल्टेज को स्थिर करते हैं (EPRI 2023)। ये विशेष रूप से 5वीं और 7वीं क्रम हार्मोनिक्स को लक्षित करते हैं - तरंग रूप विकृति के सबसे सामान्य स्रोत - निष्क्रिय समाधानों से जुड़ी अनुनाद समस्याओं को रोकते हैं और यह सुनिश्चित करते हैं कि उपकरण डिज़ाइन पैरामीटर के भीतर संचालित हों।

सिस्टम विश्वसनीयता में सुधार और अनियोजित बंद होने के समय को कम करना

जब कंपनियां अपनी विद्युत प्रणालियों में हार्मोनिक समस्याओं का सामना करती हैं, तो उन्हें वास्तविक लाभ दिखाई देते हैं। यांत्रिक तनाव में काफी कमी आती है, जिसका अर्थ है कि मोटरों में कम कंपन होता है और ट्रांसफार्मर इतना जोर से गुनगुनाते नहीं हैं - उद्योग के मापनों के अनुसार लगभग 40% से लेकर दो तिहाई तक कमी आती है। उन सुविधाओं पर एक नज़र डालिए जहां पावर कंडीशनिंग के लिए सक्रिय फिल्टर लगाए गए हैं। 2022 में एक प्रमुख ऊर्जा आपूर्तिकर्ता ने लगभग 60% कम अवरोधों की सूचना दी थी, जो खराब बिजली की गुणवत्ता के कारण हुए थे। उन उद्योगों के लिए, जहां तकनीकी रूप से छोटी से छोटी विद्युत उतार-चढ़ाव मायने रखती है, इस तरह की स्थिरता सबकुछ बदल सकती है। अर्धचालक निर्माता इसे अच्छी तरह से जानते हैं, क्योंकि उत्पादन के दौरान अप्रत्याशित वोल्टेज स्पाइक से उत्पादन के लिए तैयार हजारों के कच्चे माल की बर्बादी हो सकती है।

ऊर्जा बचत और हार्मोनिक नियंत्रण के माध्यम से शक्ति गुणक में सुधार

सही ढंग से स्थापित होने पर, एक्टिव हार्मोनिक फिल्टर आमतौर पर प्रत्येक 100 स्थापनाओं में से लगभग 89 में पावर फैक्टर को 0.97 से ऊपर बढ़ा देते हैं। इससे अधिकांश मामलों में लगभग 18 प्रतिशत तक प्रतिक्रियाशील शक्ति शुल्कों को कम करने में मदद मिलती है। ये उपकरण तब काम करते हैं जब हार्मोनिक धाराओं को हटा दिया जाता है, जो मूल रूप से बिजली को बर्बाद कर देते हैं और सिस्टम के लिए कोई उपयोगी काम नहीं करते हैं। परिणामस्वरूप, कंडक्टर अधिक कुशलतापूर्वक चलते हैं, जिससे अधिकांश स्थलों पर लगभग 92% कम हार्मोनिक्स के स्तर में गड़बड़ी देखी जाती है। एक हालिया अध्ययन में 47 विभिन्न विनिर्माण संयंत्रों की जांच की गई और पाया गया कि इन फिल्टरों को स्थापित करने के बाद उन्होंने अपने संचालन में प्रति वर्ष बारह हजार डॉलर से लेकर पचासी हजार डॉलर तक की बचत की।

उपकरण के जीवन को बढ़ाने के लिए ट्रांसफार्मर और केबलों पर तापीय तनाव को कम करना

हार्मोनिक-प्रेरित हीटिंग को समाप्त करने से उपयोगी लंबाई में वृद्धि होती है:

• ट्रांसफार्मर का संचालन तापमान 14–22°C तक कम हो जाता है
• केबल इन्सुलेशन की आयु 3–5 गुना बढ़ जाती है
• कैपेसिटर बैंक प्रतिस्थापन 73% कम हो जाता है

ये सुधार अफ़िल्टर्ड सिस्टम में देखी जाने वाली वार्षिक दक्षता हानि के सामान्य 11% को रोकते हैं और समय के साथ संपत्ति की अखंडता को बनाए रखते हैं।

दीर्घकालिक आरओआई: कम रखरखाव लागत और कम ऊर्जा खपत

एक्टिव हार्मोनिक फ़िल्टर में 2.3 वर्ष की माध्य वापसी अवधि होती है (आईईईई ट्रांजेक्शन्स 2024), जिसके कारण हैं:

• पैसिव फ़िल्टर की तुलना में 33% कम वार्षिक रखरखाव
• किलोवाट-घंटे खपत में 8–15% की कमी
• पावर क्वालिटी ऑडिट में 50% कम आवश्यकता

एक दशक में, संचयी बचत मध्यम-वोल्टेज अनुप्रयोगों में प्रारंभिक निवेश से 4:1 अनुपात में अधिक हो जाती है, जो एक्टिव फ़िल्टर को एक रणनीतिक दीर्घकालिक संपत्ति के रूप में स्थापित करती है।

सामान्य प्रश्न

एक्टिव हार्मोनिक फ़िल्टर क्या है?

एक्टिव हार्मोनिक फ़िल्टर एक ऐसा उपकरण है जिसका उपयोग विद्युत प्रणालियों में हार्मोनिक्स के कारण होने वाले व्यवधानों को समाप्त करने के लिए किया जाता है, जो अवांछित आवृत्तियों को रद्द करने के लिए क्षतिपूर्ति धाराओं को डालकर काम करता है।

एक्टिव हार्मोनिक फ़िल्टर कैसे काम करता है?

यह निरंतर विद्युत भार की निगरानी करके काम करता है और आईजीबीटी (IGBTs) का उपयोग करके विपरीत धाराओं को उत्पन्न करता है जो हार्मोनिक विरूपण को नकार देता है।

निष्क्रिय लोगों की तुलना में सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर चुनने क्यों?

सक्रिय फिल्टर अधिक अनुकूलनीयता और सटीकता प्रदान करते हैं, कुल हार्मोनिक विरूपण को 5% से नीचे कम करना प्रभावी ढंग से कम कर देता है, जबकि निष्क्रिय फिल्टर केवल 15-20% के बीच स्थिर हो सकते हैं।

सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर का उपयोग करने के क्या लाभ हैं?

सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर सिस्टम दक्षता में सुधार, उपकरणों के जीवन को बढ़ाएं, अनियोजित बंद होने के समय को कम करें, और महत्वपूर्ण ऊर्जा बचत और शक्ति कारक में सुधार को सुगम बनाएं।

क्या सक्रिय हार्मोनिक फिल्टर सभी अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं?

जबकि सक्रिय फिल्टर गतिशील और तेजी से बदलते भार वातावरण में उत्कृष्ट प्रदर्शन करते हैं, निष्क्रिय फिल्टर अभी भी स्थिर भार के साथ छोटे सेटअप के लिए लाभदायक हो सकते हैं।