4. DC-AC INVERTER & MOTORS FOR EV AND HEVs notes in hindi

 

4. DC-AC इन्वर्टर और मोटर्स EV और HEV के लिए

DC-AC इन्वर्टर और इलेक्ट्रिक मोटर्स इलेक्ट्रिक वाहनों (EVs) और हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों (HEVs) में महत्वपूर्ण घटक होते हैं। ये प्रणालियाँ उस विद्युत ऊर्जा को परिवर्तित और नियंत्रित करती हैं जो वाहन को चलाने के लिए आवश्यक होती हैं और यह सुनिश्चित करती हैं कि मोटर्स विभिन्न परिस्थितियों में प्रभावी ढंग से काम करें।

आइए प्रत्येक विषय को विस्तार से समझते हैं।

---

4.1 DC-AC कन्वर्टर्स

एक DC-AC कन्वर्टर, जिसे इन्वर्टर भी कहा जाता है, एक इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस है जो सीधे करंट (DC) बिजली को वैकल्पिक करंट (AC) बिजली में परिवर्तित करता है। EVs और HEVs में ये कन्वर्टर्स महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं क्योंकि वाहन की बैटरी में संग्रहीत ऊर्जा DC होती है, लेकिन जो मोटर पहियों को चलाने के लिए आवश्यक होती है, उसे आमतौर पर AC की आवश्यकता होती है।

DC-AC कन्वर्टर का कार्य:

1. इनपुट (DC): कन्वर्टर बैटरी से DC वोल्टेज प्राप्त करता है।
2. स्विचिंग प्रक्रिया: फिर, DC वोल्टेज को एक नियंत्रित तरीके से स्विचेस (आमतौर पर IGBTs या MOSFETs जैसे ट्रांजिस्टर) के माध्यम से AC सिग्नल में बदल दिया जाता है। इस प्रक्रिया को पल्स-विड्थ मॉड्यूलेशन (PWM) कहा जाता है, जिसमें स्विचिंग पैटर्न मोटर को भेजे जाने वाली औसत शक्ति को नियंत्रित करता है।
3. आउटपुट (AC): अंतिम परिणाम एक AC आउटपुट है जिसे मोटर को भेजा जा सकता है, जो इसका उपयोग घूर्णन गति उत्पन्न करने के लिए करता है।

इन कन्वर्टर्स का कार्य DC ऊर्जा को AC ऊर्जा में बदलना है, ताकि इसे इलेक्ट्रिक मोटर द्वारा उपयोग किया जा सके।

---

4.2 हाफ-ब्रिज DC-AC इन्वर्टर (R लोड, R-L लोड) का संचालन सिद्धांत

एक हाफ-ब्रिज इन्वर्टर एक प्रकार का DC-AC इन्वर्टर है जो दो स्विच का उपयोग करता है ताकि DC इनपुट से एक परिवर्तनीय AC आउटपुट उत्पन्न किया जा सके। यह बहुत सरल और प्रभावी होने के कारण कई EV और HEV अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है।

R लोड (प्रतिरोधी लोड) के साथ संचालन:

• प्रतिरोधी लोड (R लोड) का मतलब है कि लोड पूरी तरह से प्रतिरोधी है, जैसे हीटर या बल्ब। इस प्रकार के लोड में धारा और वोल्टेज समान रूप से जुड़े होते हैं।

• हाफ-ब्रिज इन्वर्टर एक वैकल्पिक धारा उत्पन्न करता है जिसे नियंत्रित तरीके से स्विच करके एक स्क्वायर वेव AC उत्पन्न की जाती है।

• लोड के पार वोल्टेज सकारात्मक और नकारात्मक के बीच बदलता है, जिससे एक वैकल्पिक धारा प्रवाह होती है।

• हाफ-ब्रिज ऑपरेशन में, एक समय में एक ट्रांजिस्टर चालू किया जाता है और धारा एक में से किसी एक मार्ग से गुजरती है और फिर DC स्रोत में लौट आती है।

R-L लोड (प्रतिरोधी-इन्डक्टिव लोड) के साथ संचालन:

• इन्डक्टिव लोड (L लोड), जैसे मोटर या ट्रांसफॉर्मर, में एक इंडक्टर होता है, जो ऊर्जा को एक चुंबकीय क्षेत्र के रूप में संग्रहित करता है।
• इस लोड के कारण वोल्टेज और धारा के बीच एक चरणांतर होता है (यानी, धारा वोल्टेज से पीछे रहती है)।
• जब हाफ-ब्रिज इन्वर्टर को R-L लोड के साथ उपयोग किया जाता है, तो स्विचिंग को अधिक सावधानी से नियंत्रित करना पड़ता है क्योंकि इन्डक्टिव लोड धारा में परिवर्तन का विरोध करता है। इससे वोल्टेज स्पाइक हो सकते हैं, इसलिए इन्वर्टर में स्नब्बर सर्किट जैसे तंत्र शामिल होते हैं ताकि नुकसान को रोका जा सके।

सारांश:

• R लोड: इन्वर्टर एक सरल AC तरंग प्रदान करता है, और धारा वोल्टेज के साथ एक ही चरण में होती है।
• R-L लोड: इन्वर्टर को चरणांतर और इंडक्टिव प्रभावों को ध्यान में रखते हुए अधिक जटिल स्विचिंग की आवश्यकता होती है।

---

4.3 सिंगल-फेज ब्रिज DC-AC इन्वर्टर R लोड, R-L लोड के साथ

एक सिंगल-फेज ब्रिज इन्वर्टर DC-AC इन्वर्टर का एक अधिक उन्नत रूप है। यह चार स्विच का उपयोग करता है और AC आउटपुट उत्पन्न करने के लिए ब्रिज कॉन्फ़िगरेशन का पालन करता है। इसे EVs और HEVs में सिंगल-फेज मोटर्स को चलाने के लिए उपयोग किया जाता है।

सिंगल-फेज ब्रिज इन्वर्टर का कार्य:

• ब्रिज कॉन्फ़िगरेशन: चार स्विचों को एक ब्रिज पैटर्न में व्यवस्थित किया जाता है, जिसमें दो स्विच ऊपर और दो स्विच नीचे होते हैं। स्विचों को नियंत्रित करके करंट प्रवाह की दिशा को बदला जाता है, जिससे DC से AC में अधिक कुशलता से रूपांतरण होता है।

• R लोड के साथ संचालन: इन्वर्टर एक साइनसॉइडल AC सिग्नल उत्पन्न करता है, जिसे प्रतिरोधी लोड (R लोड) पर लागू किया जा सकता है। धारा और वोल्टेज एक ही चरण में होती है, जिससे नियंत्रण सरल हो जाता है।

• R-L लोड के साथ संचालन: इन्डक्टिव लोड (R-L लोड) के मामले में, धारा वोल्टेज से पीछे रहती है। इन्वर्टर को ध्यान से स्विचिंग करना पड़ता है ताकि अत्यधिक करंट स्पाइक से बचा जा सके जो घटकों को नुकसान पहुंचा सकता है।

सिंगल-फेज ब्रिज इन्वर्टर के लाभ:

• स्मूथ AC आउटपुट: हाफ-ब्रिज इन्वर्टर के विपरीत, सिंगल-फेज ब्रिज इन्वर्टर अधिक साइनसॉइडल वेवफॉर्म प्रदान करता है, जो मोटर संचालन के लिए बेहतर होता है, जिससे शोर और कंपन कम होता है।
• बेहतर नियंत्रण: चार स्विचों के साथ, इन्वर्टर अधिक सटीक रूप से आउटपुट वेवफॉर्म को नियंत्रित कर सकता है, जो EV और HEV मोटरों के लिए वेरिएबल स्पीड और स्मूद ऑपरेशन के लिए आवश्यक है।

---

4.4 EVs और HEVs में उपयोग होने वाली इलेक्ट्रिक मशीनें

इलेक्ट्रिक मशीनें, या इलेक्ट्रिक मोटर्स, EV और HEV प्रणालियों के कोर होते हैं। ये मोटर्स विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करती हैं ताकि वाहन के पहियों को चलाया जा सके।

EVs और HEVs में उपयोग होने वाली मोटरों के प्रकार:

1. DC मोटर्स:

   • DC मोटर्स पारंपरिक रूप से EVs में उपयोग किए जाते थे, लेकिन अब इनका उपयोग कम हो गया है क्योंकि इनकी मेंटेनेंस की आवश्यकता होती है (ब्रश पहनने और आंसुओं के कारण)।
   • लाभ: सरल नियंत्रण, कम गति पर अच्छा टॉर्क।
   • नुकसान: ब्रश और कम्यूटेटर की आवश्यकता होती है, जिससे मेंटेनेंस की समस्याएं उत्पन्न होती हैं।

2. इंडक्शन मोटर्स (AC मोटर्स):

   • अधिकतर EVs और HEVs आजकल इंडक्शन मोटर्स का उपयोग करती हैं, जो AC मोटर का प्रकार है और ब्रश या कम्यूटेटर की आवश्यकता नहीं होती।
   • कार्य सिद्धांत: ये मोटर्स विद्युत चुम्बकीय प्रेरण पर काम करती हैं, जहां स्टेटर एक घूर्णन चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है जो रोटर में करंट उत्पन्न करता है और उसे घुमा देता है।
   • लाभ: मजबूत, न्यूनतम मेंटेनेंस की आवश्यकता, उच्च गति पर कुशल, और यह टेस्ला वाहनों में सामान्य है।
   • नुकसान: गति और टॉर्क को नियंत्रित करने के लिए जटिल नियंत्रण प्रणालियों की आवश्यकता होती है।

3. स्थायी चुम्बक समकालिक मोटर्स (PMSM):

   • ये मोटर्स रोटर में स्थायी चुम्बक का उपयोग करती हैं और उच्च-प्रदर्शन वाले EVs और HEVs में उपयोग की जाती हैं।
   • कार्य सिद्धांत: स्टेटर एक घूर्णन चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है, जो रोटर पर स्थित स्थायी चुम्बकों के साथ इंटरैक्ट करता है और टॉर्क उत्पन्न करता है।
   • लाभ: उच्च दक्षता, कॉम्पैक्ट आकार, और उच्च गति पर बेहतर प्रदर्शन।
   • नुकसान: स्थायी चुम्बक महंगे हो सकते हैं और अक्सर दुर्लभ पृथ्वी धातुओं से बने होते हैं।

4. स्विच्ड रलक्टेंस मोटर्स (SRM):

   • SRM कम सामान्य हैं, लेकिन EVs और HEVs में उपयोग के लिए इनका शोध किया गया है।
   • कार्य सिद्धांत: रोटर में स्थायी चुम्बक या वाइंडिंग्स नहीं होते हैं, यह केवल एक चुम्बकीय सामग्री का टुकड़ा होता है जिसे स्टेटर द्वारा उत्पन्न घूर्णन चुम्बकीय क्षेत्र की ओर आकर्षित किया जाता है।
   • लाभ: सरल डिजाइन, कम लागत, और मजबूत।
   • नुकसान: जटिल नियंत्रण की आवश्यकता होती है, शोर और कंपन की समस्याएं होती हैं।

इलेक्ट्रिक मोटर का चयन:

• EV या HEV में मोटर का चयन प्रदर्शन आवश्यकताओं (टॉर्क, गति), दक्षता, आकार और लागत के आधार पर किया जाता है।
• इंडक्शन मोटर्स और स्थायी चुम्बक समकालिक मोटर्स वर्तमान में EVs में सबसे सामान्य हैं क्योंकि ये उच्च दक्षता, कम मेंटेनेंस और विश्वसनीय प्रदर्शन प्रदान करती हैं।

---

सारांश

• DC-AC कन्वर्टर्स (इन्वर्टर्स): इन्वर्टर बैटरी से DC को AC में परिवर्तित करते हैं ताकि मोटर को शक्ति मिल सके।
• हाफ-ब्रिज DC-AC इन्वर्टर: दो स्विचों के साथ एक स्क्वायर AC वेवफॉर्म उत्पन्न करता है, जो सरल रूप से R लोड और R-L लोड के लिए उपयुक्त होता है।
• सिंगल-फेज ब्रिज DC-AC इन्वर्टर: चार स्विचों के साथ एक अधिक साइनसॉइडल AC वेवफॉर्म उत्पन्न करता है, जो मोटर संचालन के लिए बेहतर होता है।
• इलेक्ट्रिक मोटर्स: DC मोटर्स, इंडक्शन मोटर्स, और स्थायी चुम्बक समकालिक मोटर्स विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने के लिए उपयोग की जाती हैं।

इन प्रणालियों में इन्वर्टर्स और मोटर्स का प्रमुख कार्य ऊर्जा का प्रभावी रूप से प्रबंधन करना और EV और HEV मोटरों में स्मूथ और प्रतिक्रिया योग्य ड्राइविंग अनुभव प्रदान करना है।