डबल फेड इलेक्ट्रिक मशीन

द्वैत-संभरण (डबल फेड) विद्युत मशीन, सर्पी वलय जनित्र भी, विद्युत मोटर या विद्युत जनित्र होता हैं, जहां क्षेत्र चुंबक कुंडलन और आर्मेचर (विद्युतीय अभियांत्रिकी) कुंडलन दोनों अलग-अलग मशीन के बाहर उपकरण से जुड़े होते हैं।

क्षेत्र कुंडलन को समायोज्य आवृत्ति प्रत्यावर्ती धारा विद्युत प्रभरण, चुंबकीय क्षेत्र को घूर्णन करने के लिए बनाया जा सकता है, जिससे मोटर या जनित्र की गति में भिन्नता हो सकती है। यह उदाहरण के लिए पवन टर्बाइन (चक्की) में प्रयुक्त जनित्र के लिए उपयोगी है। द्वैत-संभरण विद्युत मशीन-आधारित पवन टर्बाइन, उनके नम्यता और सक्रिय और प्रतिघाती शक्ति को नियंत्रित करने की क्षमता के कारण, लगभग सबसे रोचक पवन टर्बाइन तकनीक हैं।

परिचय
द्वैत-संभरण विद्युत जनित्र प्रत्यावर्ती धारा विद्युत जनित्र के समान हैं, लेकिन इसमें अतिरिक्त विशेषताएं हैं जो उन्हें अपनी प्राकृतिक तुल्यकालिक गति से अल्प ऊपर या नीचे गति से संचलित होने की स्वीकृति देती हैं। यह बड़ी परिवर्तनशील गति वाली पवन टर्बाइनों के लिए उपयोगी है, क्योंकि वायु की गति अचानक बदल सकती है। जब वायु का एक आवेश पवन टरबाइन से संघट्टित होता है, तो ब्लेड (पंखाकृति) गति बढ़ाने का प्रयास करते हैं, लेकिन एक तुल्यकालिक जनित्र शक्ति ग्रिड की गति से अभिबद्ध हो जाता है और गति नहीं कर सकता। इसलिए केंद्र, गियरबॉक्स और जनित्र में अत्यधिक सामर्थ्य विकसित होती हैं क्योंकि शक्ति ग्रिड पीछे बाध्य करता है। यह तंत्र के विघर्षण और क्षति का कारण बनता है। यदि वायु के आवेश से प्रभावित होने पर टरबाइन को तुरंत गति देने की स्वीकृति दी जाती है, तो वायु के आवेश से बिजली के साथ दाब कम होता है जो अभी भी उपयोगी बिजली में परिवर्तित हो रहा है।

पवन टर्बाइन की गति को अलग-अलग करने की स्वीकृति देने के लिए एक दृष्टिकोण यह है कि जनित्र जो भी आवृत्ति उत्पन्न करता है, उसे दिष्ट धारा में परिवर्तित करें, और फिर प्रतिवर्तित्र का उपयोग करके वांछित निर्गम आवृत्ति पर प्रत्यावर्ती धारा में परिवर्तित करें। यह छोटे घरों और कृषिक्षेत्रो की पवन टर्बाइन के लिए सामान्य होता है। लेकिन मेगावाट-पैमाना पवन टर्बाइन के लिए आवश्यक प्रतिवर्तित्र बड़े और कीमती होते हैं।

द्वैत-संभरण जनित्र इस समस्या का एक और समाधान है। दिष्ट धारा के साथ संभरण किए जाने वाले सामान्य क्षेत्र कुंडलन के अतिरिक्त, और एक आर्मेचर (विद्युतीय अभियांत्रिकी) कुंडलन जहां उत्पन्न बिजली प्रवाहित होती है, और दो तीन-प्रावस्था कुंडलन होते हैं, एक स्थिर और एक घूर्णन, दोनों जनित्र के बाहर उपकरण से अलग से जुड़े हुए हैं। इस प्रकार, इस प्रकार की मशीनों के लिए द्वैत-संभरण शब्द का उपयोग किया जाता है।

कुंडलन प्रत्यक्ष रूप से निर्गम से जुड़ा होता है, और वांछित ग्रिड आवृत्ती पर 3-प्रावस्था प्रत्यावर्ती धारा विद्युत उत्पन्न करती है। अन्य कुंडलन पारंपरिक रूप से क्षेत्र कहा जाता है, लेकिन यहां दोनों कुंडलन निर्गम हो सकते हैं परिवर्तनशील आवृत्ति पर 3-प्रावस्था प्रत्यावर्ती धारा शक्ति से जुड़ी होती है। टरबाइन (पानी या भाप से चलने वाला यन्त्र) की गति में परिवर्तन की कमी पूरी करने के लिए इस निविष्ट शक्ति को आवृत्ति और प्रावस्था में समायोजित किया जाता है।

आवृत्ति और प्रावस्था को समायोजित करने के लिए प्रत्यावर्ती धारा से दिष्ट धारा से प्रत्यावर्ती धारा सम्परिवर्तक की आवश्यकता होती है। यह सामान्य रूप से बहुत बड़े आईजीबीटी अर्ध-चालक से निर्मित होता है। और सम्परिवर्तक द्विदिशिक होता है, और किसी भी दिशा में शक्ति पारित कर सकता है। इस कुंडलन के साथ-साथ निर्गम कुंडलन से भी बिजली प्रवाहित हो सकती है।

इतिहास
क्रमशः घूर्णक और स्थिरांग पर बहुप्रावस्था कुंडलन समूह के साथ कुंडलित घूर्णक मोटर में इसकी उत्पत्ति के साथ, जिसका आविष्कार निकोला टेस्ला द्वारा 1888 में किया गया था, द्वैत-संभरण विद्युत मशीन का घूर्णक कुंडलन समूह प्रारंभ करने के लिए बहुप्रावस्था सर्पी वलय के माध्यम से प्रतिरोधों के चयन से जुड़ा होता है। हालाँकि, प्रतिरोधों में सर्पण की शक्ति नष्ट हो गई थी। इस प्रकार सर्पण शक्ति को पुनर्प्राप्त करके परिवर्तनीय गति संचालन में दक्षता बढ़ाने के साधन विकसित किए गए। क्रैमर (या करेमेयर) परिचालन में घूर्णक एक प्रत्यावर्ती धारा और दिष्ट धारा मशीन समूह से जुड़ा था जो सर्पी वलय मशीन के विस्थापन से जुड़ी एक दिष्ट धारा मशीन को भरण करता था। इस प्रकार सर्पी विद्युत को यांत्रिक शक्ति के रूप में प्रतिगमित किया गया और परिचालन को दिष्ट धारा मशीनों की उत्तेजना धाराओं द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। क्रैमर परिचालन की कमी यह है कि अतिरिक्त परिसंचारी शक्ति को नियंत्रण करने के लिए मशीनों को अत्यधिक मात्रा में करने की आवश्यकता होती है। इस कमी को आर्थर शेरबियस परिचालन में सही किया गया था जहां मोटर जनित्र समूह द्वारा सर्पी विद्युत को प्रत्यावर्ती धारा ग्रिड में वापस भरण किया जाता है।

घूर्णक आपूर्ति के लिए उपयोग की जाने वाली घूर्णन तंत्र भारी और कीमती थी। इस संबंध में सुधार स्थिर शेरबियस परिचालन था जहां घूर्णक एक दिष्टकारी-प्रतिवर्तित्र समूह से जुड़ा था जो पहले पारद-आर्क वाल्व-आधारित उपकरणों द्वारा और बाद में अर्ध-चालक डायोड और थाइरिस्टर द्वारा निर्मित किया गया था। दिष्टकारी का उपयोग करने वाली योजनाओं में अनियंत्रित दिष्टकारी के कारण घूर्णक से ही बिजली का प्रवाह संभव था। इसके अतिरिक्त, मोटर के रूप में केवल उप-तुल्यकालिक संचालन संभव था।

स्थैतिक आवृत्ति सम्परिवर्तक का उपयोग करने वाली एक अन्य अवधारणा में घूर्णक और प्रत्यावर्ती धारा ग्रिड के बीच एक चक्र-परिवर्तक जुड़ा हुआ था। चक्र-परिवर्तक दोनों दिशाओं में बिजली संभरण सकता है और इस प्रकार मशीन को उप-और अति तुल्यकालिक गति दोनों में संचालित किया जा सकता है। यूरोप में 16+2⁄3 हर्ट्ज रेलवे ग्रिड को संभरण करने वाले एकल प्रावस्था जनित्र को संचालित करने के लिए बड़े चक्र-परिवर्तक-नियंत्रित, द्वि संभरण मशीनों का उपयोग किया गया है। चक्र-परिवर्तक संचालित मशीनें पंप वाले भंडारण संयंत्रों में टर्बाइन भी संचालित कर सकती हैं।

आज कुछ दसियों मेगावाट तक के अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले आवृत्ति परिवर्तक में दो निरंतर संयोजित विद्युत रोधित गेट द्विध्रुवी संक्रामक प्रतिवर्तित्र होते हैं।

संरक्षण की आवश्यकता वाले सर्पण के वलय को नष्ट करने के लिए कई ब्रश रहित अवधारणाएं भी विकसित की गई हैं।

द्वैत-संभरण प्रेरण जनित्र
द्वैत-संभरण प्रेरण जनित्र (डीएफआईजी), पवन टर्बाइन में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला एक उत्पन्न करने वाला सिद्धांत होता है। यह एक बहुप्रावस्था कुंडलित वाले घूर्णक के साथ एक प्रेरण जनित्र पर आधारित है और घूर्णक कुंडलन तक पहुँचने के लिए ब्रश के साथ एक बहुप्रावस्था सर्पी वलय समन्वायोजन है। बहुप्रावस्था सर्पी वलय समन्वायोजन से संरक्षित करना संभव है, लेकिन दक्षता, कीमत और आकार की समस्याएँ हैं। एक अपेक्षाकृत अधिक अच्छा विकल्प एक ब्रश रहित कुंडलित-घूर्णक द्वैत-संभरण विद्युत मशीन है।

द्वैत-संभरण विद्युत मशीन का सिद्धांत यह है कि स्थिरांग कुंडलन ग्रिड से जुड़े होते हैं और घूर्णक कुंडलन सर्पी वलय और निरंतर विद्युत-दाब स्रोत सम्परिवर्तक के माध्यम से सम्परिवर्तक से जुड़े होते हैं जो घूर्णक और ग्रिड धाराओं दोनों को नियंत्रित करते हैं। इस प्रकार घूर्णक (विद्युत) आवृत्ति ग्रिड आवृत्ति (50 या 60 हर्ट्ज) से स्वतंत्र रूप से भिन्न हो सकती है। घूर्णक धाराओं को नियंत्रित करने के लिए सम्परिवर्तक का उपयोग करके, जनित्र की चक्रण गति से स्वतंत्र रूप से स्थिरांग से ग्रिड को संभरण की गई सक्रिय और प्रतिघाती शक्ति को समायोजित करना संभव है। उपयोग किया जाने वाला नियंत्रण सिद्धांत या तो दो-अक्ष धारा सदिश नियंत्रण (मोटर) या प्रत्यक्ष बल-आघूर्ण नियंत्रण (डीटीसी) होती है। डीटीसी धारा सदिश नियंत्रण की तुलना में अपेक्षाकृत अधिक स्थिरता के लिए प्रमाणित हुआ है, विशेष रूप से जब जनित्र से उच्च प्रतिघाती धाराओ की आवश्यकता होती है। द्वैत-संभरण जनित्र घूर्णक सामान्य रूप से स्थिरांग के घूर्णक की संख्या से 2 से 3 गुना अधिक होते हैं। इसका तात्पर्य है कि घूर्णक विद्युत-दाब अधिक होगा और धाराएं क्रमशः कम होंगी। इस प्रकार समकालिक गति के आसपास सामान्य ± 30% परिचालन गति सीमा में, सम्परिवर्तक का निर्धारित धारा तदनुसार कम होता है जो सम्परिवर्तक की कम कीमत की ओर जाता है। दोष यह है कि निर्धारित घूर्णक विद्युत-दाब से अधिक होने के कारण परिचालन गति सीमा के बाहर नियंत्रित संचालन असंभव है। इसके अतिरिक्त, ग्रिड की क्षोभ (विशेष रूप से तीन और दो-प्रावस्था विद्युत-दाब अवपात) के कारण विद्युत-दाब के संक्रमण भी बढ़ जाएंगे। उच्च घूर्णक विद्युत-दाब (और इन विद्युत-दाब से उत्पन्न उच्च धाराओं) को विद्युत रोधित गेट द्विध्रुवी प्रतिरोधान्तरित्र और सम्परिवर्तक के डायोड को नष्ट करने से रोकने के लिए, एक संरक्षण परिपथ (अधिपारक (परिपथ) कहा जाता है) का उपयोग किया जाता है।

अत्यधिक धाराओं या विद्युत-दाब का पता चलने पर अधिपारक एक छोटे प्रतिरोध के माध्यम से घूर्णक कुंडलन को लघु-परिपथ करेगा। जितनी शीघ्र हो सके संचालन जारी रखने में सक्षम होने के लिए एक अधिपारक (क्रोबार) उपयोग किया जाना है। सक्रिय अधिपारक घूर्णक कमी को नियंत्रित तरीके से हटा सकता है और इस प्रकार घूर्णक पार्श्व सम्परिवर्तक को ग्रिड क्षोभ के प्रारंभ से 20-60 एमएस के बाद ही प्रारंभ किया जा सकता है जब शेष वोल्टेज अवास्तविक विद्युत-दाब के 15% से ऊपर रहता है। इस प्रकार, शेष विद्युत-दाब अवपात के समय ग्रिड में प्रतिघाती धारा उत्पन्न करना संभव है और इस तरह से ग्रिड को कमी से बाहर निकलने में सहायता मिलती है। शून्य विद्युत-दाब के पथ के लिए, अवपात समाप्त होने तक प्रतीक्षा करना सामान्य बात है क्योंकि यह अवस्था कोण को जानना संभव नहीं है जहां प्रतिघाती धारा अंतःक्षिप्त किया जाना चाहिए।

सारांश के रूप में, एक द्वैत-संभरण प्रेरण मशीन एक कुंडलित-घूर्णक द्वैत-संभरण विद्युत मशीन है और पवन ऊर्जा अनुप्रयोगों में एक पारंपरिक प्रेरण मशीन पर इसके कई लाभ होते हैं। सबसे पहले, घूर्णक परिपथ को एक विद्युत इलेक्ट्रॉनिक्स सम्परिवर्तक द्वारा नियंत्रित किया जाता है, प्रेरण जनित्र प्रतिघाती शक्ति को आयात और निर्यात करने में सक्षम होता है। इसके बिजली व्यवस्था की स्थिरता के लिए महत्वपूर्ण परिणाम हैं और मशीन को अत्यधिक विद्युत-दाब क्षोभ (निम्न वोल्टता पथ के लिए; एलवीआरटी) के समय ग्रिड का समर्थन करने की स्वीकृति देता है। दूसरा, घूर्णक विद्युत-दाब और धारा का नियंत्रण प्रेरण मशीन को ग्रिड के साथ तुल्‍यकालन (प्रत्यावर्ती धारा) बनाए रखने में सक्षम बनाता है जबकि पवन टर्बाइन की गति बदलती रहती है। एक परिवर्ती गति वाली पवन टर्बाइन विशेष रूप से हल्की वायु की स्थिति के समय, एक निश्चित गति वाली पवन टर्बाइन की तुलना में उपलब्ध पवन संसाधन का अधिक कुशलता से उपयोग करती है। तीसरा, सम्परिवर्तक की कीमत अन्य परिवर्ती गति समाधानों की तुलना में कम है क्योंकि यांत्रिक शक्ति का केवल एक अंश, सामान्य रूप से 25-30%, सम्परिवर्तक के माध्यम से ग्रिड को संभरण किया जाता है, शेष को स्थिरांग से प्रत्यक्ष रूप से ग्रिड को संभरण किया जाता है। इसी कारण से द्वैत-संभरण विद्युत मशीन की कार्यकुशलता बहुत अच्छी होती है।