मल्टी पल्स कन्वर्टर्स का इस्तेमाल करके THD कम करे | Multi-Pulse Ac To Dc Converter To Reduce Total Harmonic Distortion

हम एसी को डीसी में मल्टी-पल्स तरीके( Multi Pulse Method) से परिवर्तित करके टोटल हार्मोनिक डिस्टॉर्शन (THD) को कम करने के लिए एक तकनीक प्रस्तुत करते हैं। थ्री फेज मल्टीपल्स एसी टू डीसी कन्वर्जन सिस्टम में फेज शिफ्टिंग ट्रांसफॉर्मर (Phase Shifting Transformer) और थ्री फेज सोर्स ( Three Phase Source) होता है।

चूंकि इनमें से प्रत्येक कन्वर्टर 6-पल्स एसी-टू-डीसी रूपांतरण प्रणाली प्रदान करता है, इसलिए 6-पल्स सिस्टम के अधिक सेट प्राप्त करने के लिए फेज कोण को समान रूप से स्थानांतरित करना आवश्यक है। इस प्रकार, 12, 18, 24, 30, 36 और उससे भी अधिक पल्स फ्रीक्वेंसी यों वाले सिस्टम इस तरह से प्राप्त किए गए हैं। मल्टी-पल्स कन्वर्टर्स सप्लाई करंट में टोटल हार्मोनिक डिस्टॉर्शन (THD), DC वोल्टेज में रिपल्स के साथ-साथ फॉर्म फैक्टर (Form Factor) के मामले में अपने प्रदर्शन को बेहतर बनाते हैं।

इस ब्लॉग में हमारा उद्देश्य मल्टी-पल्स बेहतर पावर क्वालिटी एसी/डीसी कन्वर्टर्स (IPQC), तुलनात्मक फैक्टर और विशिष्टताओं के चयन के कॉन्फ़िगरेशन पर चर्चा करना है।

हमें मल्टी पल्स कन्वर्टर्स की जरुरत क्यों है ? (Why We Need Multi Pulse Converter?)

हाल ही के कुछ वर्षो में, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रगति ने इलेक्ट्रिकल कन्वर्टर्स (Power Converters) व्यापक उपयोग किया है, जिनकी रेटिंग कुछ वाट( Watt) से लेकर कुछ मेगावाट (Megawatt) तक है। आम तौर पर, अधिकांश पावर कनवर्टर अनुप्रयोगों में एसी-डीसी कन्वर्टर्स का उपयोग किया जाता है क्योंकि अधिकांश वितरित विद्युत शक्ति एसी पावर होती है, जबकि डीसी पावर के साथ-साथ डीसी आपूर्ति के आधार पर डीसी पावर के साथ-साथ वेरिएबल फ्रीक्वेंसी एसी सप्लाई की आवश्यकता होती है।

साधारणतः इस्तेमाल किये जाने वाले AC -DC कन्वर्टर्स के प्रोब्लेम्स (Problems With AC-DC Converters) 

एसी-डीसी कन्वर्टर्स अक्सर बड़े करंट हार्मोनिक्स और उपयोगिता इंटरफ़ेस पर खराब पावर फैक्टर से ग्रस्त हैं। ऐसे कई अनुप्रयोग हैं जिनमें इन एसी-डीसी कन्वर्टर्स को फ्रंट एंड में उपयोग करना पड़ता है। लोड की रेटिंग और प्रकृति के साथ-साथ प्रचलित ‘स्टैण्डर्ड ‘(Standards) आवश्यकताओं के आधार पर, उन्हें एसी आपूर्ति प्रणाली से विद्युत रूप से आइसोलेटेड किया जा सकता है या नहीं। विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रोकेमिकल, इलेक्ट्रोमेटेलर्जिकल और इलेक्ट्रिकल हीटिंग प्रक्रियाएं, HVDC सिस्टम, एडजस्टेबल स्पीड ड्राइव, बैटरी चार्जिंग, एयरोस्पेस और नेवल इक्विपमेंट, अनइंटरप्टिबल पावर सप्लाई (UPS), आदि, अपने उपकरणों के सामने के छोर पर AC-DC रूपांतरण का उपयोग करते हैं। इन उद्योगों के लिए एसी-डीसी कन्वर्टर्स और एडजस्टेबल स्पीड ड्राइव में बड़ी मात्रा में ऊर्जा शामिल होती है। इन एसी-डीसी कन्वर्टर्स में आवेदन, आकार और लागत के आधार पर डायोड, थाइरिस्टर या सेल्फ-कॉम्पैक्टिंग डिवाइस का उपयोग किया जाता है।

IEEE-519, 1992 जैसे विभिन्न स्टैंडर्ड्स  द्वारा निर्धारित अशिथिल( stringent) हार्मोनिक आवश्यकताओं के कारण थ्री-फेज मल्टीपल एसी-डीसी कन्वर्टर्स कई अनुप्रयोगों के लिए एक लोकप्रिय विकल्प बन रहे हैं। मल्टीपल्स कन्वर्टर में एक या एक से अधिक ब्रिज या फुल-वेव रेक्टिफायर (नियंत्रित या अनियंत्रित) होते हैं जो अल्टरनेटिंग करंट को डायरेक्ट करंट में बदलते हैं। मल्टीपल्स एसी-डीसी कन्वर्टर्स की एक प्रमुख विशेषता करंट हार्मोनिक डिस्टॉरशन को कम करने की उनकी क्षमता है .यह पॉवर की गुणवत्ता में सुधार के समकक्ष(Synchronous) है।

मल्टीपल्स AC -DC  कन्वर्टर्स क्यों लाभदायी है ? (Why Multipulse AC DC Converters Are best?)

मल्टीपल्स एसी-डीसी कन्वर्टर्स में फेज स्टैगिंगिंग (या फेज शिफ्टिंग) का उपयोग करके पल्सेस की संख्या (एसी आपूर्ति वोल्टेज के एक चक्र में एसी-डीसी कन्वर्टर्स के आउटपुट पर वोल्टेज रिपल एसी मेन के इनपुट पर स्टेप करंट ) को बढ़ाया जाता है। मल्टीफ़ेज़ (या फ़ेज़ मल्टिप्लिकेशन ), DC रिपल-रिइंजेक्शन (या पल्स मल्टीप्लिकेशन) और इन तकनीकों का हाइब्रिड। एसी-डीसी कन्वर्टर्स पर लागू होने वाली मल्टीपल्स तकनीकों के परिणामस्वरूप, ट्यून किए गए पैसिव (passive) और एक्टिव (Active) फ़िल्टर समाप्त हो जाते हैं, जैसे महंगे और जटिल हाइब्रिड फ़िल्टर, जो भारी, काम्प्लेक्स (Complex) और महंगे हैं।

इस अध्ययन में प्रस्तुत एसी-डीसी कन्वर्टर्स को मुख्य रूप से उनके ट्रांसफॉर्मर कॉन्फ़िगरेशन और उनके डायोड (diode) / थाइरिस्टर (Thyristor) अरेंजमेन के आधार पर वर्गीकृत किया गया था, इस प्रकार, एसी-डीसी कन्वर्टर्स को आइसोलेटेड और नॉन आइसोलेट , नियंत्रित और अनियंत्रित, फुल वेव (Full Wave ) और ब्रिज टाइप (Bridge Type) में वर्गीकृत किया गया है।

इन श्रेणियों में प्रयुक्त विभिन्न पल्स संख्या कॉन्फ़िगरेशन और तकनीकों के आधार पर विस्तृत जांच की जाती है। वर्गीकरण के परिणामस्वरूप, कुछ नए एसी-डीसी कनवर्टर कॉन्फ़िगरेशन सामने आए हैं जिनकी जांच पॉवर की गुणवत्ता (Power Improvement) में सुधार करने की उनकी क्षमता के लिए की जा रही है।

विभिन्न मल्टीपल्स एसी-डीसी कन्वर्टर्स की मदद से  हार्मोनिक ट्रबल  सुलझाने के लिए 3 फेज कनवर्टर सिस्टम का विश्लेषण किया जाता है। तुलना के लिए, माना जाने वाला प्रमुख कारक टोटल हार्मोनिक डिस्टॉरशन (THD) रिप्पल परसेंटेज , फॉर्म फैक्टर  और कनवर्टर का शक्ति कारक है।

Previous Written IEEE papers On Multi Pulse Converters 

मल्टी-पल्स कन्वर्टर्स के क्षेत्र में बड़ी संख्या में ब्लॉग लिखे हुए है , जिनमें से कई नई अवधारणाएं प्रस्तुत करते हैं और सिमुलेशन और प्रयोगों के साथ उनका समर्थन करते हैं।हेक्सागोनल ऑटोट्रांसफॉर्मर व्यवस्था का उपयोग करते हुए, Paice ने 12 पल्स एसी-डीसी कनवर्टर की दक्षता (Efficiency) को अधिकतम करने का प्रस्ताव दिया।

उच्च करंट डीसी पॉवर आपूर्ति ( High Current DC Power Supplies) में हार्मोनिक करंट  को कम करने और एसी पॉवर की गुणवत्ता में सुधार करने के लिए, Choi ने अपने पेपर में कम केवीए (KVA) क्षमताओं के साथ अद्यतन ऑटोट्रांसफॉर्मर डिजाइन प्रस्तुत किए हैं।

18-पल्स ट्रांसफॉर्मर व्यवस्था के आधार पर, Falcondes और Babri एक आइसोलेटेड हाई पावर फैक्टर 12 किलोवाट पॉवर की सप्लाई  का प्रस्ताव करते हैं। सरल नियंत्रण तकनीकों का इस्तेमाल किया जाता है।

एक स्टार/डेल्टा ट्रांसफॉर्मर इंटरकनेक्शन पर आधारित थ्री-फेज डायोड रेक्टिफायर का विश्लेषण और डिजाइन S.Kim Etal द्वारा पावर फैक्टर को बेहतर बनाने और हार्मोनिक्स को कम करने के लिए किया गया है।

3फेज सुधार के लिए, Chen Etal ने एक नया पैसिव 28-स्टेप करंट शेपर ( Current Shaper) प्रस्तावित किया है. एसी की तरफ फेज शिफ्टिंग ट्रांसफॉर्मर (Phase Shifting Transformer) के माध्यम से, प्रत्येक फेज के इनपुट करंट से एक साइनसॉइडल (Sinusoidal ) वेवफॉर्म उत्पन्न होता है।

बड़े ऑटोमोटिव ड्राइव के लिए, Tolbert का काम कैस्केड इनवर्टर (Cascaded Inverter) प्रदान करता है। इस पत्र में, हम बैक-टू-बैक डायोड क्लैम्प्ड कन्वर्टर्स के लिए सिमुलेशन और प्रयोगात्मक परिणाम प्रस्तुत करते हैं।

मल्टीपल-पल्स के तरीके ( Methods Of Multiple Pulse)

मल्टीपल्स मेथड(Multiple method) शब्द के लिए कोई सटीक परिभाषा प्रदान नहीं की गई है। इस शब्द की व्याख्या केवल एक से अधिक पल्स के संदर्भ में की जा सकती है। हालांकि, उचित उपयोग के साथ, यह शब्द 3 फेज कन्वर्टर्स को संदर्भित करता है जो पॉवर इलेक्ट्रॉनिक्स उद्योग में प्रति चक्र डीसी( DC Per Cycle) के छह से अधिक पल्सेस को प्रदान करते हैं।

मल्टी-पल्स मेथड  को कई कन्वर्टर्स के उपयोग की विशेषता है जो एक साथ इस तरह से जुड़े हुए हैं कि एक कनवर्टर द्वारा उत्पन्न हार्मोनिक्स अन्य कन्वर्टर्स द्वारा उत्पन्न हार्मोनिक्स द्वारा रद्द कर दिए जाते हैं। परिणाम कन्वर्टर्स की संख्या से जुड़े कुछ हार्मोनिक्स को खत्म कर देता है। आमतौर पर, मल्टी-पल्स कनवर्टर में डीसी लिंक एक फिल्टर का उपयोग करता है ताकि डीसी लोड के कारण होने वाली रिप्पल  डीसी करंट को न्यूनतम रूप से प्रभावित कर सकें।

मल्टी-पल्स कनवर्टर के निम्नलिखित फायदे हैं:

  1. यह एसी इनपुट लाइन करंट के हार्मोनिक्स को कम करता है।
  2. डीसी आउटपुट में वोल्टेज के उतार-चढ़ाव को कम करता है।

पॉवर व्यवस्था पर एक कनवर्टर के प्रभाव को ध्यान में रखते हुए, एसी इनपुट लाइन करंट हार्मोनिक्स (Current harmonics) को कम करना महत्वपूर्ण है।एक कॉमन  लोड की आपूर्ति मल्टीपल कन्वर्टर्स या सेमीकंडक्टर डिवाइसेस द्वारा मल्टीपल्स मेथड्स  के माध्यम से पूरी की जाती है।

हॉर्मोनिक्स करंट पेयर्स को रद्द करने के लिए फेज शिफ्टिंग ट्रांसफार्मर(Phase Shifting Transformer)  का उपयोग करना आवश्यक है, जैसे 5 वीं और 7 वीं हार्मोनिक, या 11 वीं और 13 वीं, और इसी तरह। इस प्रकार, फेज शिफ्टिंग ट्रांसफार्मर को हार्मोनिक करंट को कम करने के लिए मल्टीपल्स कन्वर्टर्स में फीड किया जाता है। हार्मोनिक करंट को कम करने के लिए एक उचित फेज शिफ्ट अपरिहार्य है।

ज़िगज़ैग फेज -शिफ्टिंग  ट्रांसफार्मर (ZIG-ZAG PHASE Shifting Transformer)

ज़िगज़ैग फेज -शिफ्टिंग  ट्रांसफार्मर( Zigzag Phase Shifting Transformer)  प्राइमरी वाइंडिंग के साथ थ्री-फेज ट्रांसफार्मर को लागू करते हैं, ज़िगज़ैग-कॉन्फ़िगरेशन (Zig Zag Configuration) की व्यवस्था की जाती है और सेकेंडरी वाइंडिंग को वांछित के रूप में कॉन्फ़िगर किया जाता है। इस मॉडल में थ्री सिंगल-फेज और थ्री-वाइंडिंग ट्रांसफार्मर हैं।

प्राइमरी वाइंडिंग 1 और 2 प्राइमरी वाइंडिंग बनाने के लिए ज़िगज़ैग कॉन्फ़िगरेशन में जुड़े हुए हैं। एक सेकेंडरी वाइंडिंग सिंगल फेज ट्रांसफॉर्मर के वाइंडिंग 3 से बनी होती है, और उन्हें निम्नानुसार जोड़ा जा सकता है: Y एक्सेसिबल न्यूट्रल ग्राउंडेड Y डेल्टा (D1) के साथ, डेल्टा लैगिंग Y बाय 30 डिग्री डेल्टा (D11), डेल्टा लीडिंग Y बाय 30डिग्री

यदि सेकेंडरी वाइंडिंग  को Y में जोड़ा जाता है, तो सेकेंडरी फेज  वोल्टेज हैं .ब्लॉक के मापदंडों में निर्दिष्ट “phi ” फेज एंगल  (Phi Phase Angle) द्वारा प्राइमरी  वोल्टेज को लीडिंग (Leading)  या लग्गिंग ( Lagging) होता है । यदि सेकेंडरी वाइंडिंग को डेल्टा (D11) में जोड़ा जाता है, तो फेज  एंगल में +30 डिग्री का फेज शिफ्ट जोड़ा जाता है।सेकेंडरी वाइंडिंग के फेज एंगल  में -30 डिग्री का फेज शिफ्ट जोड़ा जाता है तो इसे डेल्टा (D1) में जोड़ा जाता है ।

मल्टी पल्स कन्वर्टर्स ( Types of Multipulse Converters)

सिक्स-पल्स कन्वर्टर ( Six Pulse Converters)

एचवीडीसी ट्रांसमिशन ( HVDC Transmission)  के दौरान, बेसिक कन्वर्टर यूनिट का उपयोग रेक्टिफिकेशन (Rectification) के लिए किया जाता है, जहां इलेक्ट्रिकल पावर  AC  की ओर से DC  की ओर प्रवाहित होती है और जहां बिजली का प्रवाह DC  की ओर से AC  की ओर होता है वहां पर ये प्रोसेस उलटी होती है। 6 pulse Converter Bridge Simulation Model

जब एक थाइरिस्टर वाल्व द्वारा गेट पल्स प्राप्त किया जाता है, तो यह एक स्विच के रूप में कार्य करता है जो चालू होता है और करंट का संचालन करता है। 6-पल्स कन्वर्टर्स द्वारा उत्पन्न विशेषता एसी साइड करंट हार्मोनिक्स 6n ± 1 हैं, 6-पल्स कनवर्टर द्वारा उत्पन्न विशेषता डीसी साइड वोल्टेज हार्मोनिक्स ऑर्डर 6n ± 1 के हैं

बारह पल्स कन्वर्टर (Twelve Pulse Converters)12 pulse Converter Bridge Simulation Model

दो छह पल्स कनवर्टर पुल दो थ्री फेज प्रणालियों के साथ श्रृंखला में जुड़े हुए हैं जिनमें 30 इलेक्ट्रिकल  डिग्री के फेज अंतर हैं। फेज अंतर एसी और डीसी पक्षों पर छह-पल्स हार्मोनिक्स को रद्द कर देता है।
12 पल्स कनवर्टर का उपयोग करने से 5वें और 7वें हार्मोनिक्स समाप्त हो जाते हैं, लेकिन 11वें और 13वें हार्मोनिक्स अभी भी मौजूद हैं।

चौबीस पल्स कन्वर्टर ( Twenty Four Pulse Converter)24 pulse Converter Bridge Simulation Model

इस कनेक्शन से जुड़े चार छह-पल्स कन्वर्टर्स हैं, जिनका फेज अंतर 15 डिग्री है। यह एसी और डीसी पक्षों पर मल्टीपलत कम हार्मोनिक्स के साथ चौबीस पल्स रेक्टिफिकेशन की अनुमति देता है। इसके एसी आउटपुट वोल्टेज में 24n±1 ऑर्डर हार्मोनिक्स यानी 23वां, 25वां, 47वां, 49वां हार्मोनिक्स होता है ।

मल्टीपल पल्स कन्वर्टर्स के लिए प्राप्त सिमुलेशन परिणाम

डीसी आउटपुट वोल्टेज, करंट का अनुमान लगाने के लिए संबंधित मल्टीलेवल कन्वर्टर्स के लिए विभिन्न सिमुलेशन सेट-अप शुरू किए गए थे, और सोर्स करंट पर प्रभाव टेस्ट सर्किट के फॉर्म फैक्टर और रिपल फैक्टर की निगरानी के द्वारा निर्धारित किया जाता है।

सोर्स करंट का आउटपुट, लोड करंट, D.C. आउटपुट करंट

निम्नलिखित परिणामों ने क्रमशः सोर्स करंट (SC), लोड करंट (LC) और D.C आउटपुट वोल्टेज (OV) प्रदर्शित किया। आंकड़े 4 से 6 सभी कनवर्टर पुलों के लिए क्रमशः 6, 12 और 24 पल्सेस के लिए आउटपुट दिखाते हैं।

6 pulse Converter Bridge Waveforms 12 pulse Converter Bridge Waveforms 24 pulse Converter Bridge Waveforms

Conclusion

विभिन्न मल्टीपल पल्सेस कॉन्फ़िगरेशन के सिमुलेशन, मुख्य रूप से नॉन आइसोलेट , सिमुलिन / MATLAB के साथ किए गए हैं और परिणाम प्रस्तुत किए गए हैं। विभिन्न मल्टी-पल्स कन्वर्टर्स पर लोड भिन्नता के प्रभाव के परिणामस्वरूप, यह देखा जा सकता है कि आरएल लोड के साथ, करंट पर स्मूथिंग इफेक्ट (Smoothing Effect)  होता है, इसलिए करंट THD कम हो जाता है; जबकि आरसी लोड (RC load) के साथ, कैपेसिटर (Capacitor) का प्रभाव वोल्टेज रिपल को कम करना और एक सुचारू आउटपुट प्रदान करना है। उपयोग किए जाने वाले मल्टीपल-पल्स कनवर्टर के बावजूद, प्रभाव समान है।

वर्तमान कामका एक महत्वपूर्ण उद्देश्य मल्टी-पल्स कन्वर्टर्स के प्रदर्शन की जांच करना है। इन कन्वर्टर्स के लिए एसी मेन करंट और आउटपुट वोल्टेज टीएचडी के हार्मोनिक स्पेक्ट्रम का अध्ययन किया जाता है।
कुल मिलाकर, मल्टीपल पल्सेस मामलों में पल्सेस की संख्या में वृद्धि के साथ इन कन्वर्टर्स के प्रदर्शन मापदंडों में उल्लेखनीय सुधार हुआ है।

Reference:

International Journal of Scientific Research and Engineering Studies (IJSRES)
Volume 3 Issue 1, January 2016
ISSN: 2349-8862