डबल-फेड इलेक्ट्रिक मशीन

डबल-फेड विद्युत् यंत्र एक स्लिप-वलय जनित्र विद्युत् मोटर या विद्युत् जनित्र हैं, जहां चुंबकीय क्ष्रेत्र कुंडली और आर्मेचर (इलेक्ट्रिकल इंजीनियवलय) 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 पवन-चक्की में उपयोग किए जाने वाले जनित्र के लिए उपयोगी होता है। डीएफआईजी आधारित पवन-चक्की उनके नम्य, कार्यरत और प्रतिघाती ऊर्जा को नियंत्रित करने की क्षमता के कारण लगभग सबसे रोचक पवन-चक्की तकनीक हैं।

परिचय
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 पवन-चक्की के लिए उपयोगी है, क्योंकि वायु की गति अचानक परिवर्तित हो सकती है। जब वायु के एक आवेश से जब पवन-चक्की 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।

पवन-चक्की 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 पवन-चक्की के लिए सामान्य होती है। लेकिन मेगावाट-स्केल पवन-चक्की 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 चरण कुंडली हैं, एक स्थिर और एक घूर्णन दोनों जनित्र के बाहरी उपकरण मे अलग से जुड़े हुए होते हैं। इस प्रकार की मशीनों के लिए डबल फेड शब्द का उपयोग किया जाता है। एक कुंडली सीधे दूसरी कुंडली से जुड़ी होती है और अपेक्षित ग्रिड आवृत्ति पर 3-चरण एसी विद्युत उत्पन्न करती है। अन्य कुंडली (परंपरागत रूप से क्षेत्र कहा जाता है, लेकिन यहां दोनों कुंडली आउटपुट हो सकते हैं) परिवर्ती आवृत्ति पर 3-चरण एसी ऊर्जा से जुड़ी होती है। पवन-चक्की की गति में परिवर्तन की क्षतिपूर्ति के लिए इस इनपुट ऊर्जा को आवृत्ति और चरण में समायोजित किया जाता है।

आवृत्ति और चरण 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।

इतिहास
घूर्णक और स्थिरांग पर क्रमशः बहु-चरण कुंडली समूह के साथ कुंडलित-घूर्णक प्रेरण मोटर में इसकी उत्पत्ति के साथ, जिसका आविष्कार निकोला टेस्ला द्वारा 1888 में किया गया था। डबल-फेड विद्युत् यंत्र का घूर्णक कुंडली सेट प्रारम्भ करने के लिए बहु-चरण स्लिप वलय के माध्यम से प्रतिरोधों के चयन से जुड़ा होता है। हालाँकि, प्रतिरोधों में स्लिप वलय की ऊर्जा नष्ट हो जाती है। इस प्रकार स्लिप वलय ऊर्जा को पुनर्प्राप्त करके परिवर्तनीय गति संचालन में दक्षता बढ़ाने के साधन विकसित किए गए। क्रेमर ड्राइव में घूर्णक एक एसी और डीसी मशीन सेट से जुड़ा था। जो स्लिप वलय मशीन के किरणपुंज से जुड़ी एक डीसी मशीन को प्रेषित करता था। इस प्रकार स्लिप ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा के रूप में पुनः ड्राइव को डीसी मशीनों की विनिमय धाराओं द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। क्रैमर ड्राइव की कमी यह है कि अतिरिक्त परिसंचारी ऊर्जा से सामना करने के लिए मशीनों को अत्यधिक प्रेषण करने की आवश्यकता होती है। इस कमी को शेरबियस ड्राइव में ठीक किया गया था जहां मोटर जनित्र सेट द्वारा स्लिप ऊर्जा को एसी ग्रिड में वापस सिंचित किया जाता है।

घूर्णक आपूर्ति के लिए उपयोग की जाने वाली घूर्णन यंत्रगति अधिक और कीमती थीं। इस संबंध में एक सुधार स्थैतिक शेरबियस ड्राइव था जहां घूर्णक एक शोधक-परिवर्तक सेट से जुड़ा था, जो पहले मर्करी आर्क-आधारित उपकरणों द्वारा और बाद में अर्धचालक डायोड और थाइरिस्टर के साथ बनाया गया था। परिशोधक का उपयोग करने वाली योजनाओं में अनियंत्रित परिशोधक के कारण घूर्णक से ही विद्युत का प्रवाह संभव था। इसके अतिरिक्त, मोटर के रूप में केवल उप-समकालिक परिचालन संभव था।

स्थैतिक आवृत्ति परिवर्तक का उपयोग करने वाली एक अन्य अवधारणा में घूर्णक और एसी ग्रिड के बीच एक साइक्लो परिवर्तक जुड़ा हुआ था। साइक्लो परिवर्तक दोनों दिशाओं में विद्युत ऊर्जा संचित कर सकता है और इस प्रकार मशीन को उप और प्रसारित समकालिक गति दोनों में चलाया जा सकता है। यूरोप में $16 2/3$ हर्ट्ज रेलवे ग्रिड को संचित करने वाले एकल चरण जनित्र को चलाने के लिए बड़े साइक्लो-परिवर्तक नियंत्रित, डबल-फेड मशीनों का उपयोग किया गया है। साइक्लो परिवर्तक संचालित मशीनें ऊर्जा संग्रहण में पवन चक्की भी चला सकती हैं। वर्तमान मे कुछ 10 मेगावाट तक के अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले आवृत्ति परिवर्तक में दो एक के बाद एक संबद्ध आईजीबीटी परिवर्तक होते हैं।

संरक्षण की आवश्यकता वाले स्लिप वलय के छल्ले से मुक्त होने के लिए कई ब्रशलेस अवधारणाएं भी विकसित की गई हैं।

डबल-फेड प्रेरण जनित्र
डबल-फेड प्रेरण जनित्र (डीएफआईजी), पवन-चक्की में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला एक जनरेटिंग सिद्धांत, यह एक बहु-चरण कुंडलित वाले घूर्णक के साथ एक प्रेरण जनित्र पर आधारित होता है और घूर्णक कुंडली तक अभिगमन के लिए ब्रश के साथ एक बहु-चरण स्लिप वलय असेंबली होती है। बहु-चरण स्लिप वलय असेंबली से संरक्षण करना संभव होता है, लेकिन दक्षता, व्यय और आकार की समस्याएँ होती हैं। इस समस्या के संरक्षण के लिए एक अपेक्षाकृत विकल्प ब्रशलेस कुंडलित-घूर्णक डबल-फेड विद्युत् यंत्र होता है।

डीएफआईजी का सिद्धांत यह है कि स्थिरांग कुंडली ग्रिड से जुड़े होते हैं और घूर्णक कुंडली स्लिप वलय और एक के बाद एक वोल्टेज स्रोत परिवर्तक के माध्यम से परिवर्तक से जुड़े होते हैं, जो घूर्णक और ग्रिड धाराओं दोनों को नियंत्रित करते हैं। इस प्रकार घूर्णक आवृत्ति ग्रिड आवृत्ति (50 या 60 हर्ट्ज) से स्वतंत्र रूप से भिन्न हो सकती है। घूर्णक धाराओं को नियंत्रित करने के लिए परिवर्तक का उपयोग करके, जनित्र की घुमाव गति से स्वतंत्र रूप से स्थिरांग से ग्रिड को संचित की जाने वाली कार्यरत और प्रतिघातक ऊर्जा को समायोजित करना संभव होता है। इसमे उपयोग किया जाने वाला नियंत्रण सिद्धांत या तो दो-अक्ष धारा सदिश नियंत्रण (मोटर) या प्रत्यक्ष आघूर्ण नियंत्रण (डीटीसी) है। डीटीसी धारा सदिश नियंत्रण की तुलना में अपेक्षाकृत स्थिरता के लिए परिवर्तित होता है, विशेष रूप से जब जनित्र से उच्च प्रतिघातक धाराओं की आवश्यकता होती है। डबल-फेड जनित्र घूर्णक समान्यतः स्थिरांग के घूर्णन की संख्या के 2 से 3 गुना के साथ कुंडलित होते हैं। इसका तात्पर्य यह है कि घूर्णक वोल्टेज अधिक होगा और धाराएं क्रमशः कम होंगी। इस प्रकार समकालिक गति के आसपास सामान्य ± 30% परिचालन गति सीमा में, परिवर्तक की निर्धारित धारा स्थिति के अनुसार कम होती है जो परिवर्तक की कम कीमत की ओर अग्रषित हो होता है। कमी यह है कि निर्धारित घूर्णक वोल्टेज से अधिक होने के कारण परिचालन गति सीमा के बाहर नियंत्रित संचालन असंभव होता है। इसके अतिरिक्त, ग्रिड की उत्तेजना (विशेष रूप से तीन और दो-चरण वोल्टेज कमी) के कारण वोल्टेज के संक्रमण भी अधिक हो जाते है। उच्च घूर्णक वोल्टेज (और इन वोल्टेज से उत्पन्न उच्च धाराओं) को विद्युतरोधी गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर और परिवर्तक के डायोड को नष्ट करने से रोकने के लिए, एक सुरक्षा परिपथ का उपयोग किया जाता है। जिसे समान्यतः क्राउबर कहा जाता है।

अत्यधिक धाराओं या वोल्टेज का पता चलने पर क्रॉबर एक छोटे प्रतिरोध के माध्यम से घूर्णक कुंडली को लघु-परिपथ करता है। जिससे जितनी शीघ्रता से हो सके, संचालन को प्रारम्भ रखने में सक्षम होने के लिए एक कार्यरत क्रॉबार का उपयोग करना होता है। कार्यरत क्रॉबर घूर्णक लघु-परिपथ को नियंत्रित तरीके से अलग किया जा सके और इस प्रकार घूर्णक साइड परिवर्तक को ग्रिड कमी के प्रारम्भ से 20-60 एमएस के बाद ही प्रारम्भ किया जा सकता है जब शेष वोल्टेज अंकित वोल्टेज के 15% से ऊपर रहता है। इस प्रकार, शेष वोल्टेज डिप के दौरान ग्रिड में प्रतिघातक धारा उत्पन्न करना संभव होता है और इस तरह से ग्रिड को त्रुटि से पुनः प्राप्ति में सहायता मिलती है। शून्य वोल्टेज एलवीआरटी के लिए, डिप समाप्त होने तक प्रतीक्षा करना साधारण होता है क्योंकि चरण कोण का विभिन्न प्रकार से अनुभव करना संभव नहीं होता है, जहां पर प्रतिघातक धारा मे अन्तःक्षेप करना होता है।

संक्षेप में, एक डबल-फेड प्रेरण मशीन एक कुंडलित-घूर्णक डबल-फेड विद्युत् यंत्र है। और पवन ऊर्जा अनुप्रयोगों में एक पारंपरिक प्रेरण मशीन पर इसके कई फायदे होते हैं। सबसे पहले, घूर्णक परिपथ को एक ऊर्जा इलेक्ट्रॉनिक्स परिवर्तक द्वारा नियंत्रित किया जाता है, तथा प्रेरण जनित्र प्रतिघातक ऊर्जा को आयात और निर्यात करने में सक्षम होता है। इसकी विद्युत व्यवस्था की स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण परिणाम हैं तथा मशीन को अधिक वोल्टेज या कम वोल्टेज एलवीआरटी के दौरान ग्रिड का समर्थन करने की स्वीकृति देता है।  464-469,  दूसरा, घूर्णक वोल्टेज और धाराओं का नियंत्रण प्रेरण मशीन को ग्रिड के साथ समकालिक रहने में सक्षम बनाता है जबकि पवन-चक्की की गति परिवर्तित होती रहती है। एक परिवर्ती गति वाली पवन-चक्की विशेष रूप से कम वायु की स्थिति के दौरान, एक निश्चित गति वाली पवन-चक्की की तुलना में उपलब्ध पवन संसाधन का अधिक कुशलता से उपयोग करती है। तीसरा, परिवर्तक की कीमत अन्य परिवर्ती गति समाधानों की तुलना में कम होती है क्योंकि यांत्रिक ऊर्जा का केवल एक भाग समान्यतः 25-30%, परिवर्तक के माध्यम से ग्रिड को संचित किया जाता है, अतिरिक्त ऊर्जा को स्थिरांग से सीधे ग्रिड को संचित किया जाता है। इसी कारण से डीएफआईजी की कार्यकुशलता बहुत अच्छी होती है।