जनरेटर के मुख्य घटक और जलविद्युत संयंत्र में इसकी कार्यप्रणाली
एक जलविद्युत संयंत्र (पीएलटीए) बिजली उत्पन्न करने के लिए पानी की स्थितिज और गतिज ऊर्जा का उपयोग करता है। इस प्रणाली का एक सबसे महत्वपूर्ण घटक जनरेटर है, जो विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के सिद्धांत के माध्यम से टरबाइन के घूर्णन से प्राप्त यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। कुशल ऊर्जा रूपांतरण सुनिश्चित करने के लिए, एक जलविद्युत जनरेटर कई प्रमुख घटकों से मिलकर बना होता है जो एकीकृत रूप से कार्य करते हैं। यह लेख इन घटकों पर चर्चा करता है और बताता है कि एक जलविद्युत संयंत्र के संदर्भ में जनरेटर कैसे कार्य करता है।
जलविद्युत विद्युत प्रणाली का संक्षिप्त अवलोकन
जनरेटर के बारे में विस्तार से जानने से पहले, जलविद्युत संयंत्र में ऊर्जा प्रवाह को समझना महत्वपूर्ण है। जलाशय या बांध से पानी एक पेनस्टॉक के माध्यम से टरबाइन तक बहता है। पानी के दबाव और प्रवाह दर के कारण टरबाइन घूमने लगता है। टरबाइन का घूर्णन सीधे जनरेटर से जुड़े शाफ्ट में संचारित होता है। जनरेटर फिर बिजली उत्पन्न करता है, जिसे ट्रांसफार्मर के माध्यम से वोल्टेज में बढ़ाया जाता है और पारेषण नेटवर्क में वितरित किया जाता है।
इस लेख का मुख्य फोकस ऊर्जा के यांत्रिक से विद्युत में रूपांतरण की अवस्था पर है, अर्थात् जनरेटर में होने वाले रूपांतरण पर।
जनरेटर के मूल सिद्धांत: विद्युतचुंबकीय प्रेरण
जनरेटर फैराडे के नियम के आधार पर काम करते हैं, जिसके अनुसार किसी चालक में चुंबकीय प्रवाह में परिवर्तन से विद्युत-प्रेरक बल (EMF) उत्पन्न होता है। जनरेटर में, चुंबकीय क्षेत्र और चालक कुंडलियों के बीच सापेक्ष गति के कारण चुंबकीय प्रवाह में यह परिवर्तन होता है। जैसे ही रोटर घूमता है, चुंबकीय क्षेत्र स्टेटर कुंडलियों के सापेक्ष घूमता है, जिससे कुंडलियों में वोल्टेज उत्पन्न होता है। लोड या नेटवर्क सिस्टम से जुड़ने पर यह वोल्टेज विद्युत धारा उत्पन्न करता है।
जलविद्युत संयंत्रों में आमतौर पर तीन-चरण सिंक्रोनस जनरेटर का उपयोग किया जाता है क्योंकि यह बड़ी मात्रा में, स्थिर बिजली और उच्च दक्षता के लिए उपयुक्त होता है।
जलविद्युत संयंत्रों में जनरेटर के मुख्य घटक
1. स्टेटर (स्थिर भाग)
स्टेटर जनरेटर का वह भाग है जो घूमता नहीं है। यहीं पर मुख्य प्रेरित वोल्टेज उत्पन्न होता है। स्टेटर में निम्नलिखित भाग होते हैं:
– स्टेटर फ्रेम: एक यांत्रिक संरचना जो आंतरिक घटकों को सहारा देती है।
– स्टेटर कोर: एड़ी करंट हानि को कम करने के लिए सिलिकॉन स्टील की परतों से बना होता है। ये परतें पतली चादरें होती हैं जिन्हें एड़ी करंट के मार्ग को तोड़ने के लिए एक के ऊपर एक रखा जाता है।
– स्टेटर वाइंडिंग: स्टेटर कोर के खांचों में रखी चालक तार (आमतौर पर तांबा) की एक कुंडली। यह कुंडली आमतौर पर तीन-फेज आउटपुट उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन की जाती है।
स्टेटर विद्युत ऊर्जा के बाहर निकलने के लिए एक "स्थान" के रूप में कार्य करता है, क्योंकि प्रेरित वोल्टेज इसकी कुंडली में उत्पन्न होता है।
2. रोटर (घूमने वाला भाग)
रोटर जनरेटर का वह भाग है जो टरबाइन शाफ्ट के साथ घूमता है। सिंक्रोनस हाइड्रोइलेक्ट्रिक जनरेटर में, रोटर मुख्य चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। रोटर दो सामान्य प्रकार के होते हैं:
– सेलियंट पोल रोटर: यह जलविद्युत संयंत्रों में आम है क्योंकि जल टरबाइन आमतौर पर अपेक्षाकृत कम गति से घूमते हैं। इस प्रकार के रोटर में उभरे हुए चुंबकीय ध्रुव होते हैं, जो कई ध्रुवों के लिए उपयुक्त होते हैं, जिससे कम गति पर वांछित आवृत्ति प्राप्त की जा सकती है।
– बेलनाकार रोटर (गैर-प्रमुख): उच्च गति वाले थर्मल जनरेटरों में अधिक सामान्य है, लेकिन कुछ शर्तों के तहत इसका उपयोग भी किया जा सकता है।
रोटर में एक फील्ड वाइंडिंग भी लगी होती है जिसे चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए डीसी करंट की आपूर्ति की जाती है।
3. उत्तेजना प्रणाली
रोटर द्वारा चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए, जनरेटर को एक उत्तेजना प्रणाली की आवश्यकता होती है जो रोटर कॉइल्स को डीसी धारा की आपूर्ति करती है। उत्तेजना प्रणाली महत्वपूर्ण है क्योंकि यह निर्धारित करती है:
– जनरेटर के आउटपुट वोल्टेज का आकार,
– जनरेटर की प्रतिक्रियाशील शक्ति (VAR) की आपूर्ति या अवशोषण करने की क्षमता,
– लोड में बदलाव होने पर परिचालन स्थिरता बनी रहती है।
उत्तेजना के सामान्य प्रकार:
– ब्रश रहित एक्साइटर: अधिक विश्वसनीय, कम रखरखाव वाला, आधुनिक जलविद्युत संयंत्रों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
– ब्रश युक्त एक्साइटर (ब्रश/स्लिप रिंग): यह सरल है लेकिन इसमें रखरखाव की आवश्यकता होती है क्योंकि संपर्क घटक आपस में रगड़ खाते हैं।
इसके अतिरिक्त, वोल्टेज को स्थिर रखने के लिए उत्तेजना को आमतौर पर एवीआर (ऑटोमैटिक वोल्टेज रेगुलेटर) द्वारा नियंत्रित किया जाता है।
4. शाफ्ट और क्लच
शाफ्ट टरबाइन और जनरेटर रोटर के बीच का यांत्रिक संपर्क बिंदु है। बड़े पैमाने के जलविद्युत संयंत्रों में, शाफ्ट में निम्नलिखित विशेषताएं होनी चाहिए:
– मरोड़ के प्रति उच्च शक्ति,
– कंपन के प्रति प्रतिरोध,
– अत्यधिक घिसाव से बचने के लिए सटीक संरेखण।
कपलिंग (यदि उपयोग किया जाता है) टरबाइन और जनरेटर को जोड़ने में मदद करता है, और कंपन या मामूली गलत संरेखण के प्रभावों को कम करता है।
5. बियरिंग्स
रोटर की उच्च घूर्णन गति के लिए शाफ्ट की स्थिरता बनाए रखने और घर्षण को कम करने के लिए एक बेयरिंग प्रणाली की आवश्यकता होती है। बेयरिंग मुख्य रूप से दो प्रकार की होती हैं:
– गाइड बेयरिंग: शाफ्ट की स्थिति को सीधा रखता है और उसे एक तरफ खिसकने नहीं देता।
– थ्रस्ट बेयरिंग: यह टरबाइन पर पानी के बल और रोटर के वजन के कारण उत्पन्न होने वाले अक्षीय बल (धक्का) का प्रतिरोध करता है।
ओवरहीटिंग को रोकने के लिए बेयरिंग लुब्रिकेशन (तेल लुब्रिकेशन) और कूलिंग सिस्टम आमतौर पर एकीकृत होते हैं।
6. जनरेटर शीतलन प्रणाली
जलविद्युत जनरेटर उच्च शक्ति उत्पादन पर संचालित होते हैं, जिससे विद्युत और यांत्रिक हानियों के कारण ऊष्मा उत्पन्न होती है। कॉइल इन्सुलेशन बनाए रखने और उच्च दक्षता बनाए रखने के लिए शीतलन की आवश्यकता होती है, उदाहरण के लिए:
– आंतरिक पंखे के साथ एयर कूलिंग,
– हीट एक्सचेंजर में जल शीतलन,
कुछ इकाइयों में, क्षमता के अनुसार अधिक जटिल शीतलन प्रणाली का उपयोग किया जा सकता है।
बेहतर शीतलन से स्टेटर और रोटर के इन्सुलेशन का जीवनकाल बढ़ जाता है।
7. पृथक्करण एवं सुरक्षा प्रणाली
स्टेटर और रोटर कॉइल में एक मजबूत इन्सुलेशन प्रणाली होनी चाहिए जो उच्च वोल्टेज, तापमान और आर्द्रता को सहन कर सके। इसके अलावा, जनरेटर क्षति से बचाव के लिए सुरक्षा उपायों से सुसज्जित है, जैसे कि:
– शॉर्ट सर्किट और ओवरकरंट से सुरक्षा,
– वाइंडिंग तापमान संरक्षण,
– कंपन से सुरक्षा,
ग्राउंड फॉल्ट प्रोटेक्शन,
– उत्तेजना से सुरक्षा का नुकसान।
ये सिस्टम आमतौर पर कंट्रोल पैनल और SCADA सिस्टम से जुड़े होते हैं।
8. आउटपुट टर्मिनल और स्टेप-अप ट्रांसफार्मर (संबंधित अनुभाग)
जनरेटर का आउटपुट आमतौर पर मध्यम वोल्टेज (जैसे, डिज़ाइन के आधार पर 6-20 केवी) पर होता है। इसके बाद बिजली को एक स्टेप-अप ट्रांसफार्मर में भेजा जाता है ताकि इसे ट्रांसमिशन वोल्टेज (जैसे, 70 केवी, 150 केवी, 275 केवी, या इससे अधिक) तक बढ़ाया जा सके, जिससे ट्रांसमिशन हानि कम से कम हो।
हालांकि ट्रांसफार्मर जनरेटर का आंतरिक घटक नहीं है, फिर भी यह जलविद्युत वितरण श्रृंखला का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है।
जलविद्युत संयंत्रों में जनरेटर कैसे काम करते हैं: प्रक्रिया अनुक्रम
1. दबावयुक्त पानी टरबाइन को घुमाता है।
जल ऊर्जा को टरबाइन शाफ्ट के घूर्णन के रूप में यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।
2. टरबाइन शाफ्ट जनरेटर रोटर को घुमाता है।
चुंबकीय क्षेत्र से युक्त रोटर एक विशिष्ट गति से घूमता है। इस गति को सिस्टम की आवृत्ति (इंडोनेशिया में 50 हर्ट्ज़) के अनुरूप नियंत्रित किया जाता है।
3. रोटर का चुंबकीय क्षेत्र स्टेटर कॉइल्स को "काटता" है।
रोटर के घूमने के कारण, स्टेटर कॉइल्स की स्थिति के सापेक्ष चुंबकीय प्रवाह में परिवर्तन होता है। इसी कारण स्टेटर वाइंडिंग में प्रेरित वोल्टेज उत्पन्न होता है।
4. स्टेटर टर्मिनलों पर त्रि-चरण वोल्टेज दिखाई देता है।
क्योंकि स्टेटर कॉइल को 120 डिग्री के विद्युत शिफ्ट के साथ तीन-फेज के रूप में डिजाइन किया गया है, इसलिए जनरेटर का आउटपुट बड़े लोड के लिए एक स्थिर तीन-फेज एसी सिस्टम है।
5. एवीआर वोल्टेज को बनाए रखने के लिए उत्तेजना को नियंत्रित करता है।
लोड में उतार-चढ़ाव होने पर, एवीआर आउटपुट वोल्टेज को सिस्टम मानक के भीतर रखने के लिए रोटर उत्तेजना धारा को बदल देता है।
6. ट्रांसफार्मर और नेटवर्क को विद्युत शक्ति वितरित की जाती है।
जनरेटर से निकलने वाली ऊर्जा एक स्टेप-अप ट्रांसफार्मर में प्रवेश करती है, फिर उसे पारेषण और वितरण नेटवर्क के माध्यम से उपभोक्ताओं तक भेजा जाता है।
पेनुतुप
एक जलविद्युत जनरेटर एक महत्वपूर्ण उपकरण है जो टरबाइन से प्राप्त यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के माध्यम से विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। इसके मुख्य घटकों में स्टेटर, रोटर, उत्तेजना प्रणाली, शाफ्ट, बियरिंग, शीतलन प्रणाली, इन्सुलेशन और सुरक्षा उपकरण शामिल हैं। ये सभी घटक मिलकर ग्रिड को संचरण हेतु स्थिर, कुशल और सुरक्षित त्रि-चरण विद्युत का उत्पादन करते हैं। जलविद्युत जनरेटर के घटकों और कार्यप्रणाली को समझने से यह स्पष्ट होता है कि किसी जलविद्युत संयंत्र का सफल संचालन न केवल जल की उपलब्धता पर निर्भर करता है, बल्कि जनरेटर के भीतर स्थित जटिल विद्युत-यांत्रिक प्रणाली की विश्वसनीयता पर भी निर्भर करता है।
