रोटरी अवस्था परिवर्त्तक

रोटरी चरण कनवर्टर, संक्षिप्त आरपीसी, विद्युत मशीन है जो विद्युत को बहुचरण प्रणाली से दूसरे में परिवर्तित करती है, रोटरी गति के माध्यम से परिवर्तित करती है। विशिष्ट रूप से, एकल-चरण विद्युत शक्ति का उपयोग स्थानीय स्तर पर तीन-चरण विद्युत शक्ति का उत्पादन करने के लिए किया जाता है, जहां केवल एकल-चरण उपलब्ध है।

ऑपरेशन
आधारभूत तीन-चरण प्रेरण मोटर में तीन वाइंडिंग होंगे, प्रत्येक सिरा टर्मिनलों से जुड़ा होगा जो सामान्यतः (इच्छानुसार रूप से) L1, L2, एवं L3 एवं कभी-कभी T1, T2, T3 के रूप में गिने जाते हैं।

तीन-चरण प्रेरण मोटर को दो-तिहाई मूल्यांकन अश्वशक्ति पर किया जा सकता है, जो एकल घुमाव पर प्रारम्भ एकल-चरण शक्ति पर होता है, कई बार कुछ प्रविधियों से घूमता है। चरण पर चलने वाली तीन-चरण मोटर स्वयं को प्रारम्भ नहीं कर सकती है क्योंकि इसमें अन्य चरणों की कमी होती है, जो स्वयं में घुमाव बनाने के लिए होती है, अत्यधिक क्रैंक के रूप में जो मृत केंद्र पर होता है।

टर्मिनलों L1 एवं L2 पर प्रारम्भ एकल-चरण शक्ति के अनुसार घूमने वाली तीन-चरण प्रेरण मोटर, L1 एवं L2 के संबंध में टर्मिनल L3 में विद्युत क्षमता (वोल्टेज) उत्पन्न करेगी। चूँकि, L1 से L3 एवं L2 से L3 इनपुट वोल्टेज के साथ 120 डिग्री फेज से बाहर होंगे, इस प्रकार तीन चरण की शक्ति का निर्माण होगा। चूँकि, वर्तमान इंजेक्शन के बिना, विशेष आइडलर वाइंडिंग, या विनियमन के अन्य साधन, लोड प्रारम्भ होने पर वोल्टेज शिथिल हो जाएगा।

आरपीसी (RPC) का चयन करते समय शक्ति का कारक सुधार अत्यधिक महत्वपूर्ण विचार है। यह वांछनीय है क्योंकि आरपीसी जिसमें ऊर्जा घटक सुधार है, फेज कन्वर्टर एवं उसके लोड को पावर सप्लाई करने वाली सिंगल-फेज सर्विस से अल्प करंट का व्यय करता है।

तीन चरण शक्ति के साथ बड़ी सोच यह है कि प्रत्येक चरण समान वोल्टेज पर हो। चरणों के मध्य विसंगति को चरण असंतुलन के रूप में जाना जाता है। सामान्य दिशानिर्देश के रूप में, असंतुलित तीन चरण की शक्ति जो वोल्टेज भिन्नता में 4% से अधिक होती है, उस उपकरण को हानि पहुंचा सकती है जो इसे संचालित करने के लिए है।

इतिहास
20 वीं सदी के प्रारम्भ में, इलेक्ट्रिक रेलवे ट्रैक्शन करंट प्रणाली के दो मुख्य सिद्धांत थे: इन प्रणालियों में यूनिवर्सल मोटर श्रृंखला का उपयोग किया गया था। उन सभी को मानक 50 Hz इलेक्ट्रिक नेटवर्क से विद्युत लेने के लिए भिन्न आपूर्ति प्रणाली की आवश्यकता थी।
 * 1) डीसी प्रणाली
 * 2) 16⅔ हर्ट्ज सिंगल फेज़  प्रणाली

कांडो तुल्यकालिक चरण कनवर्टर
काल्मन कांडो ने माना कि विद्युत कर्षण प्रणाली को मानक विद्युत नेटवर्क से एकल-चरण 50 हर्ट्ज शक्ति द्वारा आपूर्ति की जानी चाहिए, एवं इसे लोकोमोटिव में कर्षण मोटर्स के लिए तीन-चरण शक्ति में परिवर्तित किया जाना चाहिए। उन्होंने इलेक्ट्रिक मशीन बनाई जिसे सिंक्रोनस फेज कन्वर्टर कहा जाता है, जो सिंगल-फेज सिंक्रोनस मोटर एवं कॉमन स्टेटर एवं रोटर के साथ थ्री-फेज सिंक्रोनस जनरेटर था।

इसकी दो स्वतंत्र वाइंडिंग्स थीं:
 * बाहरी घुमावदार एकल-चरण तुल्यकालिक मोटर है। मोटर अतिरिक्त रेखा से विद्युत लेती है।
 * आंतरिक वाइंडिंग तीन-चरण (या चर-चरण) तुल्यकालिक जनरेटर है, जो तीन- (या अधिक) चरण कर्षण मोटर्स के लिए शक्ति प्रदान करता है।

एकल-चरण की आपूर्ति
मानक विद्युत नेटवर्क से प्रत्यक्ष फ़ीड प्रणाली को पूर्व की प्रणालियों की तुलना में अल्प जटिल बना देता है एवं सरल स्वस्थता को संभव बनाता है।

सिंगल-फेज फीड सिंगल ओवरहेड लाइन का उपयोग करना संभव बनाता है। अधिक ओवरहेड लाइनें वित्त में वृद्धि करती हैं, एवं ट्रेनों की अधिकतम गति को सीमित करती हैं।

गति नियंत्रण
एसिंक्रोनस ट्रैक्शन मोटर फीडिंग करंट की आवृत्ति एवं लोडिंग टॉर्क द्वारा निर्धारित एकल आरपीएम (RPM) पर चलाई जा सकती है।

समाधान चरण कनवर्टर पर अधिक माध्यमिक वाइंडिंग का उपयोग करना था, एवं मोटर पर अधिक वाइंडिंग चुंबकीय ध्रुवों की विभिन्न संख्या का उपयोग करना था।

प्रकार
रोटरी फेज कन्वर्टर (RPC) को मोटर जनरेटर उपसमुच्चय के रूप में बनाया जा सकता है। ये सिंगल-फेज सप्लाई से भार को पूर्ण रूप से भिन्न कर देते हैं एवं संतुलित थ्री-फेज आउटपुट देते हैं। चूँकि, वजन, वित्त एवं दक्षता संबंधी विचार के कारण, अधिकांश आरपीसी इस रूप में नहीं बनाए जाते हैं।

इसके अतिरिक्त, वे तीन-चरण प्रेरण मोटर या जनरेटर से निर्मित होते हैं, जिसे आइडलर कहा जाता है, जिस पर दो टर्मिनल (आइडलर इनपुट) एकल-चरण लाइन से संचालित होते हैं। मोटर में चुंबकीय प्रवाह तीसरे टर्मिनल पर वोल्टेज उत्पन्न करता है। तीसरे टर्मिनल में वोल्टेज प्रेरित होता है जो पूर्व के दो टर्मिनलों के मध्य वोल्टेज से स्थानांतरित होता है। तीन-घुमावदार मोटर में, दो घुमाव मोटर के रूप में कार्य कर रहे हैं, एवं तीसरी घुमावदार जनरेटर के रूप में कार्य कर रही है। चूंकि दो आउटपुट एकल चरण इनपुट के समान हैं, उनका चरण संबंध 180 डिग्री है। यह इनपुट टर्मिनलों से संश्लेषित चरण को +/- 90 ° छोड़ देता है। इस गैर-आदर्श चरण संबंध को इस प्रकार के चरण कनवर्टर द्वारा संचालित मोटरों की थोड़ी शक्ति डी-रेटिंग की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, तीसरे, संश्लेषित चरण को अन्य दो से अलग तरीके से संचालित किया जाता है, लोड परिवर्तन के प्रति इसकी प्रतिक्रिया भिन्न हो सकती है, जिससे यह चरण लोड के तहत अधिक शिथिल हो जाता है। चूंकि प्रेरण मोटर्स वोल्टेज असंतुलन के प्रति संवेदनशील हैं, यह इस प्रकार के चरण कनवर्टर द्वारा संचालित मोटरों की डी-रेटिंग का एक अन्य कारक है। उदाहरण के लिए, चरण वोल्टेज में एक छोटे से 5% असंतुलन के लिए मोटर रेटेड पावर में 24% की कमी की आवश्यकता होती है। इस प्रकार अधिकतम भार के तहत समान चरण वोल्टेज के लिए एक रोटरी चरण कनवर्टर सर्किट को ट्यूनिंग करना काफी महत्वपूर्ण हो सकता है।

विद्युत की गुणवत्ता
आरपीसी या किसी चरण कनवर्टर द्वारा उत्पादित विद्युत की गुणवत्ता का एक सामान्य उपाय वोल्टेज संतुलन है, जिसे मापा जा सकता है, जबकि आरपीसी तीन चरण मोटर जैसे संतुलित भार चला रहा है। अन्य गुणवत्ता उपायों में उत्पादित शक्ति की हार्मोनिक सामग्री एवं आरपीसी मोटर संयोजन का शक्ति कारक शामिल है जैसा कि उपयोगिता द्वारा देखा गया है। किसी भी अनुप्रयोग के लिए सर्वश्रेष्ठ फेज़ कन्वर्टर का चयन इन कारकों के प्रति भार की संवेदनशीलता पर निर्भर करता है। तीन-चरण प्रेरण मोटर्स वोल्टेज असंतुलन के प्रति बहुत संवेदनशील हैं।

इस तरह के एक चरण कनवर्टर द्वारा उत्पन्न तीन चरण विद्युत की गुणवत्ता कई कारकों पर निर्भर करती है जिनमें निम्न शामिल हैं:
 * चरण कनवर्टर की शक्ति क्षमता (आइडलर हॉर्सपावर रेटिंग)।
 * आपूर्ति किए जा रहे उपकरणों की विद्युत स्तर की मांग। उदाहरण के लिए, भारी लोड वाली मशीनरी या अच्छी तरह से पंप जैसे हार्ड स्टार्टिंग लोड में समान अश्वशक्ति पर रेट किए गए अन्य भारों की तुलना में अधिक आवश्यकताएं हो सकती हैं।
 * आपूर्ति किए जा रहे उपकरणों की विद्युत की गुणवत्ता की मांग (चाप वेल्डिंग की तुलना में संख्यात्मक नियंत्रण में अधिक कठोर विद्युत की गुणवत्ता की आवश्यकताएं हो सकती हैं)
 * तीन पैरों के बीच वोल्टेज को संतुलित करने के लिए तकनीकों का उपयोग।

गुणवत्ता में सुधार
RPC निर्माता इन समस्याओं से निपटने के लिए कई तरह की तकनीकों का उपयोग करते हैं। कुछ तकनीकों में शामिल हैं,


 * एक विशेष भार पर शक्ति को संतुलित करने के लिए टर्मिनलों के बीच कैपेसिटर का सम्मिलन।
 * लोड की तुलना में उच्च शक्ति रेटिंग वाले आइडलर्स का उपयोग।
 * तीसरे टर्मिनल पर अधिक वाइंडिंग के साथ विशेष आइडलर मोटर्स का निर्माण वोल्टेज को बढ़ावा देने एवं लोड के कारण हुई शिथिलता की भरपाई करने के लिए।
 * लोड के आधार पर स्टार्ट अप के दौरान या अन्यथा कैपेसिटर में स्विच करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक्स का उपयोग।
 * फिल्टर का उपयोग।

सामान्य
थ्री-फेज मोटरों के उपयोग के कारण फेज कन्वर्टर्स की मांग बनी हुई है। विद्युत उत्पादन में वृद्धि के साथ, तीन-चरण मोटर्स में एकल-चरण मोटर्स के लिए बेहतर विशेषताएं हैं; उत्तरार्द्ध आकार में उपलब्ध नहीं है 15 hp एवं, हालांकि उपलब्ध है, शायद ही कभी इससे बड़ा देखा गया हो 5 hp. (तीन-चरण मोटर्स में उच्च दक्षता, कम जटिलता होती है, शुरू करने के संबंध में, एवं तीन चरण की शक्ति महत्वपूर्ण रूप से उपलब्ध होती है जहां उनका उपयोग किया जाता है।)

इलेक्ट्रिक रेलवे
रेलवे विद्युतीकरण प्रणाली में एकल ओवरहेड कंडक्टर के लिए एकल-चरण का उत्पादन करने के लिए रोटरी चरण कन्वर्टर्स का उपयोग किया जाता है। पांच यूरोपीय देशों (जर्मनी, ऑस्ट्रिया, स्विट्ज़रलैंड, नॉर्वे एवं स्वीडन), जहां विद्युत 50  हेटर्स ़ पर तीन-चरण एसी है, ने 15 केवी एसी रेलवे विद्युतीकरण पर एकल-चरण एसी पर मानकीकृत किया है|15 केवी$16 2/3$ रेलवे विद्युतीकरण के लिए हर्ट्ज़; इसलिए, चरण कन्वर्टर्स का उपयोग चरणों एवं आवृत्ति परिवर्तक दोनों को बदलने के लिए किया जाता है। सोवियत संघ में, कर्षण मोटर  कूलिंग ब्लोअर आदि के लिए  प्रेरण मोटर्स  चलाने के लिए एकल चरण, 50 Hz से 3-चरण में परिवर्तित करने के लिए एसी लोकोमोटिव पर उनका उपयोग किया गया था।

रोटरी कन्वर्टर्स के विकल्प
एकल-चरण विद्युत आपूर्ति पर तीन-चरण उपकरण के संचालन के लिए रोटरी चरण कन्वर्टर्स के विकल्प मौजूद हैं।

स्थिर चरण कन्वर्टर्स
ये एक विकल्प हो सकते हैं जहां पॉलीफ़ेज़ पावर के बजाय हाथ में समस्या एक मोटर शुरू कर रही है। स्टैटिक फेज कन्वर्टर का उपयोग थ्री-फेज मोटर को चालू करने के लिए किया जाता है। मोटर तब एक चरण पर एक संश्लेषित तीसरे ध्रुव के साथ चलती है। हालांकि, यह शक्ति संतुलन बनाता है, एवं इस प्रकार मोटर दक्षता, बेहद खराब, मोटर को डी-रेटिंग की आवश्यकता होती है (आमतौर पर 60% या उससे कम)। ओवरहीटिंग, एवं अक्सर मोटर का विनाश, ऐसा करने में विफल होने का परिणाम होगा। (कई निर्माता एवं डीलर विशेष रूप से कहते हैं कि स्टैटिक कन्वर्टर का उपयोग करने से कोई भी वारंटी समाप्त हो जाएगी।) एक ओवरसाइज़्ड स्टैटिक कन्वर्टर मोटर को डी-रेट करने की आवश्यकता को दूर कर सकता है, लेकिन बढ़ी हुई वित्त पर।

इन्वर्टर ड्राइव (वीएफडी)
चर आवृत्ति ड्राइव (VFD) की लोकप्रियता पिछले एक दशक में बढ़ी है, ख़ासकर होम-शॉप बाज़ार में। यह उनकी अपेक्षाकृत कम वित्त एवं एकल चरण इनपुट से तीन-चरण आउटपुट उत्पन्न करने की क्षमता के कारण है। एक वीएफडी एसी पावर को डीसी में परिवर्तित करता है एवं फिर इसे एच पुल के माध्यम से वापस एसी में परिवर्तित करता है, यह एक ऐसी तकनीक है जो स्विच-मोड विद्युत आपूर्ति के समान है। चूंकि वीएफडी डीसी बस से अपना एसी आउटपुट उत्पन्न करता है, इसलिए एकल-चरण स्रोत से तीन-चरण मोटर को शक्ति देना संभव है। फिर भी, वाणिज्यिक-ग्रेड वीएफडी का उत्पादन किया जाता है जिसके लिए तीन-चरण इनपुट की आवश्यकता होती है, क्योंकि ऐसी व्यवस्था के साथ कुछ दक्षता लाभ होते हैं।

पल्स-चौड़ाई मॉडुलन (PWM) के रूप में जाना जाता है के माध्यम से डीसी बस पर वोल्टेज को काटने के लिए ट्रांजिस्टर को तेजी से चालू एवं बंद करके एक विशिष्ट VFD कार्य करता है। पीडब्लूएम के उचित उपयोग के परिणामस्वरूप एसी आउटपुट होगा जिसका वोल्टेज एवं आवृत्ति काफी विस्तृत श्रृंखला में भिन्न हो सकती है। एक प्रेरण मोटर की घूर्णी गति इनपुट आवृत्ति के समानुपाती होती है, VFD की आउटपुट आवृत्ति में परिवर्तन से मोटर की गति बदल जाएगी। वोल्टेज को इस तरह से भी बदला जाता है जिससे मोटर उपयोगी गति सीमा पर अपेक्षाकृत स्थिर टोक़ का उत्पादन करती है।

एक गुणवत्ता VFD का उत्पादन कुछ उच्च आवृत्ति वाले लयबद्ध  के साथ साइन लहर का एक अनुमान है। हार्मोनिक सामग्री मोटर के तापमान को बढ़ाएगी एवं कुछ सीटी या कर्कश ध्वनि उत्पन्न कर सकती है जो आपत्तिजनक हो सकती है। अवांछित हार्मोनिक्स के प्रभाव को वर्तमान सीमित रिएक्टर # लाइन रिएक्टर के उपयोग से कम किया जा सकता है, जिसे बेहतर गुणवत्ता वाले वीएफडी में शामिल किया गया है। प्रतिक्रियाशील निस्पंदन उच्च आवृत्ति हार्मोनिक सामग्री को बाधित करता है लेकिन मौलिक आवृत्ति पर बहुत कम प्रभाव पड़ता है जो मोटर गति को निर्धारित करता है। परिणाम मोटर के लिए एक आउटपुट है जो एक आदर्श साइन लहर के करीब है।

अतीत में, VFDs जिनकी क्षमता इससे अधिक है 3 hp महंगे थे, इस प्रकार रोटरी फेज कन्वर्टर (RPC) को एक आकर्षक विकल्प बना दिया। हालांकि, आधुनिक VFD की वित्त में काफी गिरावट आई है, जिससे वे तुलनीय RPC की तुलना में अधिक किफायती हो गए हैं। VFD के पक्ष में काम करना इसकी विद्युत क्षमता के सापेक्ष इसका अधिक कॉम्पैक्ट आकार है। ए प्लस यह है कि कई वीएफडी एक सॉफ्ट स्टार्ट प्रभाव उत्पन्न कर सकते हैं (जिसमें धीरे-धीरे मोटर पर शक्ति लागू होती है), जो मशीन स्टार्ट-अप पर वितरित होने वाली वर्तमान की मात्रा को कम कर देता है।

यदि मोटर को ऐसे अनुप्रयोग के लिए रेट नहीं किया गया है, तो VFD के उपयोग से मोटर क्षति हो सकती है। यह मुख्य रूप से है क्योंकि अधिकांश इंडक्शन मोटर्स मोटर द्वारा संचालित पंखे या ब्लोअर द्वारा मजबूर-वायु-ठंडा होती हैं। इस तरह की मोटर को सामान्य से कम गति पर चलाने से कूलिंग एयरफ्लो काफी हद तक कम हो जाएगा, जिससे ओवरहीटिंग एवं वाइंडिंग की क्षति या विफलता की संभावना बढ़ जाएगी, विशेष रूप से पूर्ण लोड पर काम करते समय। एक निर्माता VFD द्वारा संचालित मोटर पर वारंटी रद्द कर सकता है जब तक कि मोटर इन्वर्टर रेटेड न हो। चूंकि वीएफडी नए वाणिज्यिक प्रतिष्ठानों में मोटरों को शक्ति देने का सबसे लोकप्रिय तरीका है, इसलिए आज बेची जाने वाली अधिकांश तीन-चरण मोटरें, वास्तव में, इन्वर्टर-रेटेड हैं।

यह भी देखें

 * फ्रिक्वेंसी परिवर्तक
 * कलामन कांडो
 * रोटरी कनवर्टर
 * तीन चरण विद्युत शक्ति

संदर्भ

 * Sitkei Gyula: A magyar elektrotechnika nagy alakjai. (Energetikai Kiadó Kht. 2005)