हार्मोनिक्स एवं हार्मोनिक्स संबंधी समस्याओं के

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1. हार्मोनिक क्या है? विद्युत प्रणाली में हार्मोनिक्स उत्पन्न होने का मूल कारण, गैर-रैखिक लोड ही है। जब धारा लोड से होकर बहती है, तो वह लगाए गए वोल्टेज के साथ रैखिक संबंध में नहीं रहती; इस प्रकार गैर-साइन आकार की धारा उत्पन्न होती है, जिससे हार्मोनिक्स उत्पन्न होते हैं। हार्मोनिक आवृत्ति, मूल आवृत्ति का पूर्णांक गुणज होती है। फ्रांसीसी गणितज्ञ एम. फूरियर के सिद्धांत के अनुसार, कोई भी दोहराई जाने वाली तरंग-आकृति को, मूल आवृत्ति एवं मूल आवृत्ति के गुणजों के रूप में व्यक्त होने वाली हार्मोनिक आवृत्तियों वाले साइन तरंग घटकों में विभाजित किया जा सकता है। हार्मोनिक्स, साइन तरंगें होती हैं; प्रत्येक हार्मोनिक की अपनी विशिष्ट आवृत्ति, आयाम एवं चरण कोण होता है। हार्मोनिक्स को जोड़-संख्या एवं विषम-संख्या में वर्गीकृत किया जा सकता है। 3वें, 5वें, 7वें आदि क्रम के हार्मोनिक्स विषम-संख्या वाले हार्मोनिक्स हैं, जबकि 2वें, 4वें, 6वें, 8वें आदि क्रम के हार्मोनिक्स जोड़-संख्या वाले हार्मोनिक्स हैं। उदाहरण के लिए, यदि आधार आवृत्ति 50 हर्ट्ज है, तो 2वाँ हार्मोनिक 100 हर्ट्ज होगा, जबकि 3वाँ हार्मोनिक 150 हर्ट्ज होगा। सामान्य तौर पर, विषम क्रम के हार्मोनिक्स से होने वाला नुकसान, सम क्रम के हार्मोनिक्स की तुलना में अधिक एवं गंभीर होता है। संतुलित त्रिफेजीय प्रणाली में, सममिति के कारण सम-क्रम के हार्मोनिक्स नष्ट हो जाते हैं; केवल विषम-क्रम के हार्मोनिक्स ही अस्तित्व में रहते हैं। त्रिफेजीय रेक्टिफाइड लोडों के मामले में, उत्पन्न होने वाली हार्मोनिक धाराएँ 6n±1 क्रम की होती हैं; जैसे 5, 7, 11, 13, 17, 19 आदि। फ्रीक्वेंसी कन्वर्टर से मुख्य रूप से 5वीं एवं 7वीं क्रम की हार्मोनिक धाराएँ ही उत्पन्न होती हैं। ““हार्मोनिक” शब्द की उत्पत्ति ध्वनििकी से हुई है। 18वीं एवं 19वीं शताब्दी में हार्मोनिक्स से संबंधित गणितीय विश्लेषण की अच्छी नींव रखी गई। फूरिये एवं अन्य लोगों द्वारा प्रस्तावित हार्मोनिक विश्लेषण विधियों का उपयोग आज भी व्यापक रूप से किया जाता है। विद्युत प्रणाली में हार्मोनिक समस्याओं के बारे में 20वीं शताब्दी के 20 एवं 30 के दशकों में ही लोगों का ध्यान आकर्षित हुआ। उस समय जर्मनी में, स्थिर पारा-आर्क कन्वर्टरों के उपयोग के कारण वोल्टेज एवं धारा के तरंगरूपों में विकृति आ गई थी। वर्ष 1945 में, जे.सी. रीड द्वारा प्रकाशित, कन्वर्टरों से संबंधित हार्मोनिक्स पर लिखा गया शोधपत्र, हार्मोनिक्स संबंधी अध्ययनों में एक क्लासिक शोधपत्र माना जाता है। 50 एवं 60 के दशकों में, उच्च-वोल्टेज डीसी परिवहन तकनीकों के विकास के कारण, कन्वर्टरों के कारण बिजली प्रणाली में उत्पन्न होने वाली हार्मोनिक समस्याओं से संबंधित कई शोधपत्र प्रकाशित हुए। 1970 के दशक से, विद्युत-इलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी में हुई तेज़ प्रगति के कारण, विद्युत प्रणालियों, उद्योगों, परिवहन एवं घरेलू उपयोगों में विभिन्न विद्युत-इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का उपयोग लगातार बढ़ रहा है। इसके कारण हार्मोनिक्स से होने वाले नुकसान भी लगातार बढ़ते जा रहे हैं। दुनिया भर के सभी देश, हार्मोनिक्स संबंधी समस्याओं पर पूरा ध्यान देते हैं। अंतरराष्ट्रीय स्तर पर हार्मोनिक्स से संबंधित कई शैक्षणिक सम्मेलन आयोजित किए गए हैं। कई अंतरराष्ट्रीय शैक्षणिक संगठनों ने विद्युत प्रणालियों एवं विद्युत उपकरणों में हार्मोनिक्स को नियंत्रित करने हेतु मानक एवं नियम भी निर्धारित किए हैं। हार्मोनिक्स संबंधी अनुसंधान का महत्व इसलिए है, क्योंकि हार्मोनिक्स के कारण होने वाले नुकसान बहुत गंभीर होते हैं। हार्मोनिक्स, विद्युत ऊर्जा के उत्पादन, संचरण एवं उपयोग की दक्षता को कम कर देते हैं। इसके कारण विद्युत उपकरण अत्यधिक गर्म हो जाते हैं, कंपन एवं शोर पैदा होता है, इंसुलेशन पुराना हो जाता है, उपकरणों का जीवनकाल कम हो जाता है, एवं कभी-कभी तो वे खराब भी हो जाते हैं या जल भी जाते हैं। हार्मोनिक्स, विद्युत प्रणाली में स्थानीय समानांतर/श्रृंखला-अनुनाद का कारण बन सकते हैं; इससे हार्मोनिक्स की मात्रा बढ़ जाती है, जिसके कारण कैपेसिटर जैसे उपकरण नष्ट हो सकते हैं। हार्मोनिक्स के कारण रिले सुरक्षा एवं स्वचालित उपकरणों में गलत कार्य हो सकता है, जिससे विद्युत ऊर्जा के मापन में भ्रम पैदा हो जाता है। विद्युत प्रणाली के बाहर, हार्मोनिक्स संचार उपकरणों एवं इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में गंभीर बाधाएँ पैदा करते हैं। 2. हार्मोनिक अवरोधन के लिए, विद्युत-इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों एवं अन्य हार्मोनिक स्रोतों से होने वाले हार्मोनिक प्रदूषण की समस्या को हल करने हेतु दो मुख्य तरीके हैं। एक तरीका है हार्मोनिक क्षतिपूर्ति उपकरणों का उपयोग करके हार्मोनिकों की भरपाई करना; यह तरीका सभी प्रकार के हार्मोनिक स्रोतों के लिए उपयुक्त है। ； दूसरा तरीका यह है कि विद्युत-इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में सुधार किया जाए, ताकि वे कोई हार्मोनिक तरंगें न उत्पन्न करें, एवं शक्ति-गुणांक को 1 पर नियंत्रित किया जा सके। यह तरीका निश्चित रूप से केवल उन्हीं विद्युत-इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों पर ही लागू होता है, जो मुख्य हार्मोनिक तरंगों का स्रोत होते हैं। हार्मोनिक क्षतिपूर्ति उपकरणों को स्थापित करने की पारंपरिक विधि, LC ट्यूनिंग फिल्टरों का उपयोग करना है। यह विधि हार्मोनिक्स की भरपाई के साथ-साथ अक्षम शक्ति की भी भरपाई कर सकती है; इसकी संरचना भी सरल है, इसलिए इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इस विधि का मुख्य नुकसान यह है कि इसकी क्षतिपूर्ति क्षमता, विद्युत नेटवर्क के इम्पीडेंस एवं संचालन स्थितियों से प्रभावित होती है। इस कारण सिस्टम में समानांतर अनुनाद उत्पन्न हो सकता है, जिससे हार्मोनिक्स का स्तर बढ़ जाता है। इसके परिणामस्वरूप LC फिल्टर पर अतिभार पड़ सकता है, या वह नष्ट भी हो सकता है। इसके अलावा, यह केवल निश्चित आवृत्ति वाले हार्मोनिक्स की ही भरपाई कर सकता है, एवं इसका प्रभाव भी बहुत अच्छा नहीं होता। 3. अक्रिय शक्ति का समझना – सक्रिय शक्ति को समझना तो आसान है; लेकिन अक्रिय शक्ति को गहराई से समझना इतना आसान नहीं है। साइन वोल्टेज सर्किटों में, अवास्तविक शक्ति की अवधारणा स्पष्ट है; लेकिन हार्मोनिक्स वाले सर्किटों में, अभी तक अवास्तविक शक्ति की कोई सर्वमान्य परिभाषा नहीं है। लेकिन, वास्तविक शक्ति संबंधी अवधारणा के महत्व, एवं वास्तविक शक्ति की पूर्ति के महत्व को लेकर सभी की राय एक ही है। वास्तविक शक्ति की पूर्ति में, मूल आवृत्ति से संबंधित वास्तविक शक्ति की पूर्ति के साथ-साथ हार्मोनिक आवृत्तियों से संबंधित वास्तविक शक वास्तविक शक्ति, बिजली आपूर्ति प्रणाली एवं लोडों के संचालन हेतु अत्यंत महत्वपूर्ण है। विद्युत ऊर्जा प्रणाली के नेटवर्क घटकों का प्रतिरोध मुख्य रूप से अनुप्रेरकीय होता है। अतः, सरल शब्दों में कहें तो, प्रभावी शक्ति को स्थानांतरित करने हेतु, विद्युत आपूर्ति करने वाले एवं विद्युत प्राप्त करने वाले उपकरणों के वोल्टेज में एक चरण-ांतर होना आवश्यक है; ऐसा काफी व्यापक सीमा में संभव है। ； और वास्तविक शक्ति को प्रसारित करने हेतु, दोनों सिरों पर वोल्टेज में एक अंतर होना आवश्यक है; ऐसा केवल बहुत ही सीमित सीमा में ही संभव है। न केवल अधिकांश नेटवर्क घटक अक्रिय शक्ति का उपभोग करते हैं, बल्कि अधिकांश लोडों को भी अक्रिय शक्ति की आवश्यकता होती है। नेटवर्क के घटकों एवं लोडों को आवश्यक अप्रत्यक्ष शक्ति, नेटवर्क के किसी न किसी हिस्से से ही प्राप्त करनी होती है। जाहिर है, यदि इस सभी अप्रयोगी ऊर्जा को जनरेटरों द्वारा ही उत्पन्न किया जाए एवं लंबी दूरी तक पहुँचाया जाए, तो यह अव्यावहारिक है; आम तौर पर ऐसा करना असंभव भी है। उचित तरीका यह है कि जहाँ वास्तविक शक्ति की आवश्यकता होती है, वहीं पर वास्तविक शक्ति ही उत्पन्न की जाए। यही वास्तव में “वास्तविक शक्ति का पूरक” है। वास्तविक न होने वाली ऊर्जा की भरपाई के मुख्य उद्देश्य निम्नलिखित हैं: (1) बिजली आपूर्ति प्रणाली एवं लोडों के पावर फैक्टर को बेहतर बनाना, उपकरणों की क्षमता को कम करना, एवं ऊर्जा हानि को कम करना। (2) विद्युत आपूर्ति प्राप्त करने वाले उपकरणों एवं बिजली नेटवर्क में वोल्टेज को स्थिर रखना, ताकि विद्युत आपूर्ति की ग लंबी दूरी वाली ट्रांसमिशन लाइनों में उपयुक्त स्थानों पर डायनामिक वार्प कंपेंसेशन उपकरण लगाने से ट्रांसमिशन प्रणाली की स्थिरता में सुधार होता है, एवं ट्रांसमिशन क्षमता भी बढ़ जाती है। (3) विद्युतीकृत रेलमार्गों जैसे, जहाँ तीन फेजों में लोड संतुलनहीन होता है, वहाँ उचित रीएक्टिव पावर का उपयोग करके तीनों फेजों में वास्तविक एवं रीएक्टिव लोडों को संतुलित किया जा सकता है।