प्रेरण जनित्र (इंडक्शन जेनरेटर)

प्रेरण जनित्र (इंडक्शन जेनरेटर) या अतुल्यकालिक जनरेटर एक प्रकार का प्रत्यावर्ती धारा (एसी) विद्युत जनरेटर है जो विद्युत शक्ति का उत्पादन करने के लिए प्रेरण मोटर्स के सिद्धांतों का उपयोग करता है। तुल्‍यकालिक गति की तुलना में यांत्रिक रूप से अपने घूर्णकों को तेजी से घुमाते हुए काम करते हैं। नियमित एसी (AC) प्रेरण मोटर को प्रायः बिना किसी आंतरिक संशोधन के जनरेटर के रूप में प्रयोग किया जा सकता है। क्योंकि वे अपेक्षाकृत सरल नियंत्रणों के साथ ऊर्जा की वसूली कर सकते हैं,  मिनी हाइड्रो पावर प्लांट, पवन चक्की, या उच्च दाब गैस धाराओं को कम दाब में कम करने जैसे अनुप्रयोगों में उपयोगी होते हैं।

बाहरी स्रोत से प्रतिक्रियाशील उत्तेजना धारा खींचता है। में एक एसी (AC) घूर्णक होता है और तुल्‍यकालिक मशीनों के रूप में विऊर्जायन वितरण प्रणाली को ब्लैक स्टार्ट करने के लिए अवशिष्ट चुंबकीयकरण का उपयोग करके बूटस्ट्रैप नहीं कर सकता है। परिवर्तनीय प्रतिक्रियाशील उत्तेजना विद्युत की निरंतर मात्रा को निष्प्रभाव करने के लिए संधारित्र को सही करने वाले पावर कारक को बाह्य रूप से जोड़ा जा सकता है।  प्रारम्भ करने के बाद प्रतिक्रियाशील उत्तेजना विद्युत का उत्पादन करने के लिए संधारित्र बैंक का उपयोग कर सकता है, लेकिन पृथक बिजली व्यवस्था के वोल्टेज और आवृत्ति स्व-विनियमन नहीं कर रहे हैं और आसानी से अस्थिर हो जाते हैं।

संचालन का सिद्धांत
विद्युत शक्ति का उत्पादन करता है जब उसका घूर्णक तुल्‍यकालिक गति से तेज हो जाता है। 60 हर्ट्ज (Hz) स्रोत द्वारा संचालित चार-ध्रुव मोटर (स्थिरक पर ध्रुवों के दो जोड़े) के लिए, तुल्यकालिक गति 1800 घूर्णन प्रति मिनट (आरपीएम) और 1500 आरपीएम (RPM) 50 हर्ट्ज (Hz) पर संचालित होती है। मोटर हमेशा तुल्यकालिक गति से थोड़ी धीमी गति से घूमती है। तुल्यकालिक और संचालन गति के बीच के अंतर को "विसर्पण (स्लिप)" कहा जाता है और इसे प्रायः तुल्यकालिक गति के प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है। उदाहरण के लिए, 1500 आरपीएम (RPM) की तुल्यकालिक गति वाले 1450 आरपीएम (RPM) पर चलने वाली मोटर +3.3% की विसर्पण पर चल रही है।

मोटर के रूप में संचालन में, स्थिरक प्रवाह घूर्णन तुल्यकालिक गति पर होता है, जो घूर्णक गति से तेज होता है। यह स्थिरक प्रवाह को स्थिरक और घूर्णक के बीच पारस्परिक अधिष्ठापन के माध्यम से घूर्णक विद्युत को प्रेरित करने वाली विसर्पण आवृत्ति पर चक्र का कारण बनता है। प्रेरित धारा स्थिरक के विपरीत चुंबकीय ध्रुवीयता के साथ घूर्णक प्रवाह बनाती है। इस तरह, घूर्णक को स्थिरक प्रवाह के पीछे खींचा जाता है, घूर्णक में धाराओं के साथ विसर्पण आवृत्ति पर प्रेरित किया जाता है। मोटर उस गति से चलती है जहां प्रेरित घूर्णक धारा पिच्छाक्ष भार के बराबर बल आघूर्ण उत्पन्न करता है।

जेनरेटर संचालन में, मुख्य गतिमान (टरबाइन या इंजन) घूर्णक को तुल्यकालिक गति (ऋणात्मक विसर्पण) से ऊपर चलाता है। स्थिरक प्रवाह घूर्णक में धारा को प्रेरित करता है, लेकिन विरोधी घूर्णक प्रवाह अब स्थिरक कुंडली को काट रहा है, स्थिरक कुंडली में धारा को चुम्बकीय धारा के 270° पीछे, चुम्बकीय वोल्टेज के साथ चरण में प्रेरित किया जाता है। मोटर बिजली व्यवस्था को वास्तविक (चरणबद्ध/इन-फेज) शक्ति प्रदान करता है।

उत्तेजन
घूर्णक में धारा को प्रेरित करने के लिए प्रेरण मोटर को स्थिरक कुंडलन में बाहरी रूप से आपूर्ति की जाने वाली धारा की आवश्यकता होती है। क्योंकि प्रेरण में विद्युत समय के संबंध में वोल्टेज का अभिन्न अंग है, ज्यावक्रीय वोल्टेज तरंग के लिए विद्युत वोल्टेज को 90° पीछे कर देता है, और प्रेरण मोटर हमेशा प्रतिक्रियाशील शक्ति की खपत करती है, चाहे वह विद्युत शक्ति की खपत कर रहा हो और यांत्रिक शक्ति को मोटर के रूप में वितरित कर रहा हो या यांत्रिक शक्ति की खपत कर रहा हो और प्रणाली को विद्युत शक्ति प्रदान कर रहा हो।

घूर्णक धारा को प्रेरित करने के लिए स्थिरक के लिए प्रवाह (प्रतिक्रियाशील शक्ति) को चुम्बकित करने के लिए उत्तेजना धारा का स्रोत अभी भी आवश्यक है। इसकी आपूर्ति विद्युत ग्रिड से की जा सकती है या, एक बार जब यह धारिता प्रतिघात से बिजली का उत्पादन प्रारम्भ कर देता है। प्रेरण मोटरों के लिए उत्पादन मोड घूर्णक को उत्तेजित करने की आवश्यकता से जटिल होता है, जो वैकल्पिक धारा से प्रेरित होता है, बंद करने पर विचुंबकित होता है, जिसमें प्रारंभन (कोल्ड स्टार्ट) को बूटस्ट्रैप करने के लिए कोई अवशिष्ट चुंबकीकरण नहीं होता है। उत्पादन को आरंभ करने के लिए चुंबकीयकरण के बाहरी स्रोत को जोड़ना आवश्यक है। बिजली की आवृत्ति और वोल्टेज स्व-विनियमन नहीं हैं। जनरेटर कार्यात्मक पृथक बिजली प्रणाली के निर्माण के लिए अधिक बाहरी उपकरणों की आवश्यकता वाले वोल्टेज के साथ विद्युत चरण से बाहर आपूर्ति करने में सक्षम होता है। इसी तरह शक्ति कारक प्रतिकारक के रूप में सेवारत तुल्यकालिक मोटर के साथ समानांतर में प्रेरण मोटर का संचालन होता है। ग्रिड के समानांतर जेनरेटर मोड में एक विशेषता यह है कि घूर्णक की गति चालन अवस्था की तुलना में अधिक होती है। फिर सक्रिय ऊर्जा ग्रिड को दी जा रही है। प्रेरण मोटर जनरेटर का एक और नुकसान यह है कि यह महत्वपूर्ण चुंबकीयकरण वर्तमान I0 = (20-35)% की खपत करता है।

सक्रिय शक्ति
लाइन को दी गई सक्रिय शक्ति तुल्यकालिक गति से ऊपर विसर्पण के समानुपाती होती है। जेनरेटर की पूर्ण निर्धारित शक्ति बहुत कम विसर्पण मान (मोटर पर निर्भर, प्रायः 3%) पर पहुंच जाती है। 1800 आरपीएम (rpm) की तुल्यकालिक गति पर, जनरेटर कोई शक्ति उत्पन्न नहीं करेगा। जब चालन की गति 1860 आरपीएम (विशिष्ट उदाहरण) तक बढ़ा दी जाती है, तो पूर्ण निर्गमन शक्ति का उत्पादन होता है। यदि मुख्य गतिमान जनरेटर को पूरी तरह से चलाने के लिए पर्याप्त शक्ति का उत्पादन करने में असमर्थ है, तो गति 1800 और 1860 आरपीएम (rpm) सीमा के बीच रहेगी।

आवश्यक धारिता
स्वचलित मोड में उपयोग किए जाने पर संधारित्र बैंक को मोटर को प्रतिक्रियाशील शक्ति की आपूर्ति करनी चाहिए। आपूर्ति की गई प्रतिक्रियाशील शक्ति उस प्रतिक्रियाशील शक्ति के बराबर या उससे अधिक होनी चाहिए जो कि जनरेटर सामान्य रूप से मोटर के रूप में काम करते समय खींचती है।

बल आघूर्ण बनाम विसर्पण
प्रेरण जनित्र का मूल आधार यांत्रिक ऊर्जा से विद्युत ऊर्जा में रूपांतरण है। इसके लिए घूर्णक पर लगाए गए बाहरी बल आघूर्ण को तुल्यकालिक गति से तेज गति से घुमाने की आवश्यकता होती है। हालाँकि, अनिश्चित काल तक बढ़ते बल आघूर्ण से बिजली उत्पादन में अनिश्चितकालीन वृद्धि नहीं होती है। आर्मेचर से उत्तेजित घूमने वाला चुंबकीय क्षेत्र बल आघूर्ण घूर्णक की गति का मुकाबला करने और विपरीत दिशा में प्रेरित गति के कारण अधिक गति को रोकने का काम करता है। जैसे ही मोटर की गति बढ़ती है, प्रतिबलाघूर्ण बल आघूर्ण (भंजन बल आघूर्ण) के अधिकतम मान तक पहुंच जाता है, जो तब तक काम कर सकता है, जब तक कि संचालन स्थितियां अस्थिर न हो जाएं। आदर्श रूप से, बिना-भार स्थिति और अधिकतम बल आघूर्ण क्षेत्र के बीच स्थिर क्षेत्र में सबसे अच्छा काम करते हैं।

मूल्यांकित विद्युत
जनरेटर के रूप में संचालित प्रेरण मोटर द्वारा उत्पादित अधिकतम शक्ति जनरेटर की कुंडलन के मूल्यांकित विद्युत द्वारा सीमित होती है।

ग्रिड और स्वचलित संयोजन
प्रेरण जनित्र में, वायु अन्तराल चुंबकीय प्रवाह को स्थापित करने के लिए आवश्यक प्रतिक्रियाशील शक्ति मशीन से जुड़े संधारित्र बैंक द्वारा प्रदान की जाती है, स्वचलित प्रणाली की स्थिति में और ग्रिड संयोजन की स्थिति में यह अपने वायु अन्तराल प्रवाह को बनाए रखने के लिए ग्रिड से प्रतिक्रियाशील शक्ति खींचता है। ग्रिड से जुड़ी प्रणाली के लिए, मशीन पर आवृत्ति और वोल्टेज इलेक्ट्रिक ग्रिड द्वारा निर्धारित किया जाएगा, क्योंकि यह पूरी प्रणाली की तुलना में बहुत छोटा है। स्वचलित प्रणाली के लिए, आवृत्ति और वोल्टेज मशीन पैरामीटर, उत्तेजना के लिए उपयोग की जाने वाली क्षमता, और भार मान तथा प्रकार के जटिल कार्य हैं।

उपयोग
अलग-अलग घूर्णक गति पर उपयोगी शक्ति का उत्पादन करने की उनकी क्षमता के कारण प्रायः पवन टर्बाइनों और कुछ सूक्ष्म हाइड्रो संस्थापनों में उपयोग किए जाते हैं।  अन्य जनरेटर प्रकारों की तुलना में यांत्रिक और विद्युत रूप से सरल होते हैं। वे अधिक ऊबड़-खाबड़ भी हैं, जिनमें ब्रश या दिक्परिवर्तको की आवश्यकता नहीं होती है।

सीमाएं
संधारित्र प्रणाली से जुड़ा स्वयं संचालित करने के लिए पर्याप्त प्रतिक्रियाशील शक्ति उत्पन्न कर सकता है। जब भार विद्युत चुंबकन प्रतिक्रियात्मक शक्ति और भार शक्ति दोनों की आपूर्ति करने के लिए जनरेटर की क्षमता से अधिक हो जाता है, तो जनरेटर तुरंत बिजली का उत्पादन करना बंद कर देगा। दूसरे शब्दों में- शून्य (0) में ऋणात्मक "विसर्पणों" से विसर्पण (s) और यह जेनरेटर मोड से बाहर निकलने और मोटर मोड में प्रवेश करने के लिए तैयार करने के लिए "कगार पर" प्रेरण मशीन सेट करता है। इसके अलावा विसर्पण (s) का "सकारात्मककरण" प्रेरण अतुल्यकालिक मशीन को मोटर मोड में चलाता है। परिणाम- शक्ति प्रवाह दिशा (अनुभव) बदल देता है प्रेरण मशीन देने के स्थान पर ग्रिड से बिजली की खपत करती है। भार को हटा दिया जाना चाहिए और  को बाहरी डीसी (DC) मोटर या अन्तर्भाग में अवशिष्ट चुंबकत्व के साथ फिर से प्रारम्भ किया जाना चाहिए।

विशेष रूप से पवन उत्पादन स्टेशनों के लिए उपयुक्त होते हैं क्योंकि इस स्थिति में गति हमेशा एक चर कारक होती है। तुल्यकालिक मोटरों के विपरीत, भार पर निर्भर होते हैं और ग्रिड आवृत्ति नियंत्रण के लिए अकेले उपयोग नहीं किए जा सकते।

उदाहरण अनुप्रयोग
उदाहरण के रूप में, अतुल्यकालिक जनरेटर के रूप में 10 एचपी (hp), 1760 आर/मिनट (r/min), 440 वी (V), तीन-चरण प्रेरण मोटर (अतुल्यकालिक जनरेटर व्यवस्था में अन्य नाम ​​प्रेरण विद्युत मशीन) के उपयोग पर विचार करें। मोटर का पूर्ण-भार धारा 10 A है और पूर्ण-भार शक्ति कारक 0.8 है।

यदि संधारित्र डेल्टा में जुड़े हुए हैं तो प्रति चरण आवश्यक धारिता
 * प्रत्यक्ष शक्ति $$S = \sqrt{3} E I = 1.73 * 440 * 10 = 7612 VA $$
 * सक्रिय शक्ति $$ P = S \cos(\theta) = 7612 * 0.8 = 6090 W $$
 * प्रतिक्रियाशील शक्ति $$Q = \sqrt{S^2-P^2} = 4567 VAR $$

मशीन को अतुल्यकालिक जनरेटर के रूप में चलाने के लिए, संधारित्र बैंक को न्यूनतम 4567/3 चरण = 1523 वीएआर (VAR) प्रति चरण की आपूर्ति करनी चाहिए। संधारित्र प्रति वोल्टेज 440 वी (V) है क्योंकि संधारित्र डेल्टा में जुड़े हुए हैं।


 * धारितीय विद्युत आईसी (Ic) = Q/E = 1523/440 = 3.46 A
 * धारितीय प्रतिघात प्रति चरण (Xc) = E/Ic = 127 Ω

न्यूनतम धारिता प्रति चरण
 * C = 1 / (2*π*f*Xc) = 1 / (2 * 3.141 * 60 * 127) = 21 माइक्रोफैराड।

यदि लोड भी प्रतिक्रियाशील शक्ति को अवशोषित करता है, तो क्षतिपूर्ति करने के लिए संधारित्र बैंक को आकार में बढ़ाया जाना चाहिए।

60 हर्ट्ज(Hz) की आवृत्ति उत्पन्न करने के लिए मुख्य गतिमान गति का उपयोग किया जाना चाहिए।

प्रायः, जब मशीन मोटर के रूप में चल रही हो, तो विसर्पण पूर्ण-भार मान के समान होनी चाहिए, लेकिन ऋणात्मक (जनरेटर संचालन)-
 * यदि Ns = 1800, कोई N=Ns+40 rpm चुन सकता है
 * आवश्यक मुख्य गतिमान गति N = 1800 + 40 = 1840 rpm.

यह भी देखें

 * विद्युत जनरेटर।
 * प्रेरण मोटर।

संदर्भ

 * Electrical Machines, Drives, and Power Systems, 4th edition, Theodore Wildi, Prentice Hall, ISBN 0-13-082460-7, pages 311–314.

बाहरी कड़ियाँ

 * Testing of stand-alone and grid connected asynchronous generator