متغیر لوڈ کی صنعتی سہولیات کے لیے انورٹر کی موثریت کے منحن کو کیسے بہتر بنایا جائے؟

تیاری کی بجلی کی حرکیات کا تعارف

تیاری کی سہولتیں بہت ہی متحرک اور غیر مستقل بجلی کے لوڈ کی خصوصیت رکھتی ہیں۔ ایک عام 24 گھنٹے کے چکر کے دوران، جب تیاری کی لائنوں کا آغاز ہوتا ہے، سی این سی مشینیں کاٹنے کے طریقوں کے ذریعے چکر مکمل کرتی ہیں، ہوا کے کمپریسر چکر مکمل کرتے ہیں، اور سہولت کی روشنی چالو/بند کی جاتی ہے، تو بجلی کی خوراک میں اضافہ اور کمی آتی رہتی ہے۔ ایسے متغیر ماحول کے لیے آف گرڈ یا بیک اپ بجلی کے نظام کی ترتیب دینا صرف یہ یقینی بنانا کافی نہیں ہوتا کہ نظام زیادہ سے زیادہ ممکنہ لوڈ کو برداشت کر سکے۔

بہترین معاشی کارکردگی حاصل کرنے اور بجلی یا ایندھن کے اخراجات کو کم سے کم کرنے کے لیے، سسٹم انٹیگریٹرز کو پاور الیکٹرانک انورٹرز کی کارکردگی کی خصوصیات کا تجزیہ کرنا ضروری ہوتا ہے۔ کسی انورٹر کی کارکردگی مستقل نہیں ہوتی؛ بلکہ یہ فعال لوڈ کے مطابق شدید طور پر تبدیل ہو جاتی ہے۔ انورٹر کو اس کی بہترین کارکردگی کی حد سے بہت دور چلانا توانائی کے قابلِ ذکر ضیاع کا باعث بن سکتا ہے۔

اس مضمون میں انورٹر کی کارکردگی کے منحنوں کا تکنیکی تجزیہ پیش کیا گیا ہے اور یہ وضاحت کی گئی ہے کہ متغیر صنعتی ماحول کے لیے متعدد انورٹر سسٹمز کو کیسے ڈیزائن اور بہتر بنایا جا سکتا ہے۔

سوال: نظام کے ڈیزائنرز صنعتی فیکٹریوں میں جن کے لوڈ انتہائی غیر مستقل ہوں، انورٹر کی کارکردگی کے منحنوں کو کیسے بہتر بناسکتے ہیں؟

متغیر لوڈ والے صنعتی اداروں میں انورٹر کی موثریت کے منحن کو بہتر بنانے کے لیے، انجینئرز کو بجلائی لوڈ کا تفصیلی اظہار کرنا ہوگا، ایک بہت بڑے انورٹر کو زیادہ سائز دینے سے گریز کرنا ہوگا، ماڈولر متوازی انورٹر آرکیٹیکچر لاگو کرنا ہوگا، اور پویز شیڈنگ (یا ماسٹر-سلیو اسٹیجنگ) کو فعال کرنا ہوگا۔ یہ اسٹیجنگ فعال انورٹرز کو ان کے اعلیٰ موثریت کے بہترین علاقے (عام طور پر درجہ بند شدہ صلاحیت کے 50% سے 80% کے درمیان) میں کام کرتے رہنے دیتی ہے، جبکہ غیر فعال اکائیوں کو صفر استعمال کی نیند کی حالت میں منتقل کردیتی ہے۔ جی یو آئی این ایس کے اعلیٰ کارکردگی والے صنعتی انورٹرز کے ساتھ ڈیزائن کرنا پورے لوڈ اسپیکٹرم میں زیادہ سے زیادہ موثریت کو یقینی بناتا ہے۔

انورٹر کی موثریت کے منحن کا تشکیل

موثریت کو بہتر بنانے کے لیے، ہمیں سب سے پہلے ان ریاضیاتی اور جسمانی نقصانات کو سمجھنا ہوگا جو انورٹر کے عمل کی وضاحت کرتے ہیں۔ کسی انورٹر کی موثریت (ایٹا) درج ذیل طریقے سے حساب لگائی جاتی ہے:

ایٹا = (ای سی پاور آؤٹ پُٹ ÷ ڈی سی پاور ان پُٹ) × 100%

یہ تناسب تین اہم اقسام کے داخلی طاقت کے نقصانات سے متاثر ہوتا ہے، جو لوڈ کی حد کے اندر مختلف طریقوں سے تبدیل ہوتے ہیں:

• بلا لوڈ (مستقل) نقصانات: یہ وہ توانائی کے نقصانات ہیں جو انورٹر کو فعال رکھنے کے لیے درکار ہوتے ہیں، جن میں کنٹرول بورڈ کی بجلی، ٹھنڈا کرنے والے پنکھوں اور کم فریکوئنسی کے ٹرانسفارمرز میں مقناطیسی کور (لوہے) کے نقصانات شامل ہیں۔ یہ نقصانات مکمل طور پر لوڈ سے منسلک نہیں ہیں۔ بہت ہلکے لوڈ (مثلاً درجہ بندی شدہ صلاحیت سے 10 فیصد سے کم) کے تحت، مستقل نقصانات اس مساوات کو غلبہ دے دیتے ہیں، جس کی وجہ سے کارکردگی کا منحنی انتہائی کم سطح تک تیزی سے گرتا ہے (عام طور پر 50 فیصد سے بھی کم)۔
• ہدایت (I^2 R) نقصانات: جب کرنٹ (I) انورٹر کے اندرونی اجزاء، جیسے PCB کے تانبا ٹریسز، ٹرمینل بلاکس، فلٹر انڈکٹرز اور MOSFETs کے اندرونی چینل ریزسٹنس کے ذریعے بہتا ہے، تو توانائی حرارت کی شکل میں ضائع ہو جاتی ہے۔ ہدایت کے نقصانات لوڈ کرنٹ کے مربع کے تناسب میں ہوتے ہیں۔ زیادہ لوڈ کی صورت میں (مثلاً 90% سے زیادہ صلاحیت)، ہدایت کے نقصانات نمایاں طور پر بڑھ جاتے ہیں، جس کی وجہ سے کارکردگی کا منحن قدرے کم ہو جاتا ہے۔
• سوئچنگ نقصانات: یہ وہ توانائی کے نقصانات ہیں جو سیمی کنڈکٹر MOSFETs یا IGBTs میں 'آن' اور 'آف' حالت کے درمیان منتقل ہونے کے دوران پیدا ہوتے ہیں۔ سوئچنگ نقصانات سوئچنگ فریکوئنسی اور وولٹیج کے تناسب میں ہوتے ہیں۔ یہ لوڈ کی حد کے دوران نسبتاً لکیری رہتے ہیں۔

جب ان نقصانات کو ایک گراف پر پلاٹ کیا جاتا ہے جس میں X محور پر لوڈ کا فیصد اور Y محور پر کارکردگی کا فیصد ظاہر کیا گیا ہو، تو ایک واضح کرُو (curve) وجود میں آتی ہے۔ ایک عام اعلیٰ معیار کے صنعتی انورٹر کے لیے زیادہ سے زیادہ کارکردگی (جو اکثر 93% سے 96% تک پہنچ جاتی ہے) 50% سے 80% لوڈ کے درمیان ایک خاص 'سویٹ اسپاٹ' میں حاصل ہوتی ہے۔ 20% لوڈ سے کم پر کارکردگی مستقل نقصانات کی وجہ سے تیزی سے کم ہو جاتی ہے۔ 90% لوڈ سے زیادہ پر کارکردگی تھوڑی سی کم ہو جاتی ہے کیونکہ موصلیت کے نقصانات میں اضافہ ہو جاتا ہے۔

متغیر لوڈ کے ماحول میں سائز کرنے کے غلطیاں

سسٹم انٹیگریٹرز کے درمیان ایک عام غلطی یہ ہے کہ سہولت کی مکمل ابتدائی زیادہ سے زیادہ طلب کی بنیاد پر ایک واحد بہت بڑے انورٹر کا سائز طے کرنا۔

مثال کے طور پر، اگر ایک ورک شاپ میں ایک بہت بڑے دستی اخراجی آلے (ڈسٹ ایکسٹریکٹر) کو چلانے پر ابتدائی زیادہ سے زیادہ طلب 30 کلو واٹ ہو، لیکن اس کا 90% کام کا وقت صرف 3 کلو واٹ کے مستقل پس منظر کے لوڈ پر گزرتا ہو، تو ڈیزائنر ایک واحد 40 کلو واٹ انورٹر لگا سکتا ہے۔

اگرچہ یہ 40 کلو واٹ انورٹر 30 کلو واٹ کے اچانک اضافے کو آسانی سے سنبھال لیتا ہے، لیکن دن کے زیادہ تر حصے کے لیے یہ صرف:

(3 کلوواٹ‏/40 کلوواٹ) 100% = 7.5% لوڈ۔

7.5% لوڈ پر انورٹر کی کارکردگی انتہائی کم ہوتی ہے— جو اس کے اعلیٰ داخلی بےکار استعمال (جو مسلسل 200 واٹ کا استعمال ہو سکتا ہے) کی وجہ سے تقریباً 65% ہو سکتی ہے۔ اس کا مطلب ہے کہ نظام دن بھر میں بہت زیادہ توانائی ضائع کر رہا ہے، جس کی وجہ سے بڑے شمسی ارایز کی ضرورت ہوتی ہے اور بیٹری کی پہننے کی شرح تیز ہو جاتی ہے۔ اسے 'بہت زیادہ سائز کی عدم کارکردگی' کہا جاتا ہے۔

کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے انجینئرنگ کی حکمت عملیاں

اس مسئلے کو حل کرنے کے لیے جدید صنعتی ڈیزائنرز کئی جدید سسٹم سطحی حکمت عملیوں کو استعمال کرتے ہیں:

• 1. اعلیٰ وضاحت والی لوڈ کی تشخیص

ہارڈ ویئر کا انتخاب کرنے سے پہلے، ایک طاقت کی معیاری میٹر نصب کریں تاکہ ادارے کے فعال لوڈ (کلوواٹ) اور ظاہری لوڈ (کلوولٹ ایمپیئر) کو ایک منٹ کے وقفے پر ایک عام ہفتے تک ریکارڈ کیا جا سکے۔ بنیادی بےکار لوڈ، اوسط آپریٹنگ لوڈ، اور چوٹی کے آغاز کے دورانیہ اور تعدد کو دریافت کریں۔ یہ اعداد و شمار انورٹر سسٹم کے مقصد کے آپریٹنگ علاقے کو متعین کرتے ہیں۔

• 2. ماڈیولر متوازی انورٹر اسٹیکنگ

40 کلوواٹ کے ایک واحد انورٹر کے بجائے، چار 10 کلوواٹ کے جے یائی انس پیرلیل قابل انورٹرز کا ماڈولر نظام پیشہ ورانہ انتخاب ہے۔ جب سہولت اپنے اوسط دن کے 8 کلوواٹ کے لوڈ پر کام کر رہی ہو تو، یہ نظام لوڈ کو تقسیم کر سکتا ہے۔ اس سے بھی اہم بات یہ ہے کہ یہ غیر ضروری یونٹس کو خود بخود غیر فعال کر سکتا ہے۔

• 3. ڈائنامک فیز شیڈنگ (ماسٹر-سلیو اسٹیجنگ)

ہائی اسپیڈ پیرلیل مواصلات کے ذریعے منسلک ایک اسمارٹ ماڈولر نظام میں، سسٹم کنٹرولر حقیقی وقت میں فعال لوڈ کی طلب کو نگرانی کرتا ہے۔

• 8 کلوواٹ سے کم لوڈ کے تحت، صرف ایک 10 کلوواٹ کا 'ماسٹر' انورٹر فعال رہتا ہے۔ یہ ماسٹر یونٹ 80 فیصد صلاحیت پر لوڈ کیا گیا ہے، جس کی وجہ سے یہ اس کی زیادہ سے زیادہ 94 فیصد کارکردگی کے بہترین نقطہ پر آ جاتا ہے۔
• بقیہ تین 10 کلوواٹ کے 'سلیو' انورٹرز کو صفر استعمال کی نیند کی حالت میں رکھا جاتا ہے، جس سے ان کے مستقل بے لوڈ نقصانات ختم ہو جاتے ہیں۔
• جب دست کشتر شروع ہوتا ہے اور لوڈ 28 کلو واٹ تک فوری طور پر بڑھ جاتا ہے، تو کنٹرولر فوراً تین سوئیچ کردہ انورٹرز کو (ملی سیکنڈ کے اندر) بیدار کر دیتا ہے تاکہ لوڈ کی حمایت کی جا سکے۔ جب اس اضافی بوجھ کا دور گزر جاتا ہے اور لوڈ دوبارہ کم ہو جاتا ہے، تو ماتحت انورٹرز کو دوبارہ نیند کی حالت میں لے آیا جاتا ہے۔ یہ پویں مرحلہ وار کام کرنے کا طریقہ پورے 24 گھنٹے کے دوران نظام کی کارکردگی کو زیادہ سے زیادہ بہتر بناتا ہے۔
• 4. منصوبہ بند لوڈز کے لیے سپلٹ-بس تقسیم

اگر کچھ طاقت ور مشینیں صرف مخصوص اوقات پر ہی استعمال ہوتی ہیں (جیسے کہ ہفتے میں ایک بار استعمال ہونے والے بلند درجہ حرارت کے کیورنگ آؤونز)، تو ان مشینوں کو ایک الگ، علیحدہ اے سی ذیلی تقسیم پینل سے جوڑیں۔ اس ذیلی پینل کو ایک الگ انورٹر بینک سے طاقت فراہم کی جا سکتی ہے جسے غیر استعمال کے وقت کانٹیکٹرز کے ذریعے جسمانی طور پر بند کر دیا جا سکتا ہے، تاکہ یہ یقینی بنایا جا سکے کہ روزانہ کے بنیادی لوڈ کے لیے مرکزی انورٹر بینک کا سائز کبھی بھی زیادہ نہ ہو۔

نتیجہ

متغیر لوڈ والے صنعتی اداروں میں انورٹر کی کارکردگی کے منحن کو بہتر بنانا آپریٹنگ اخراجات کو کم کرنے اور بجلی کے نظام کی قابل اعتمادی کو بڑھانے کا ایک اہم مرحلہ ہے۔ انورٹر کے نقصان کے جسمانی وجوہات—ہلکے لوڈ کے تحت بےکار نقصان اور بھاری لوڈ کے تحت موصلیت کے نقصان—کو سمجھ کر ڈیزائنرز واحد یونٹ کو زیادہ سائز دینے کے جال میں پھنسنے سے بچ سکتے ہیں۔ جے یو آئی این ایس کے صنعتی ہارڈ ویئر کا استعمال کرتے ہوئے ماڈولر متوازی انورٹر آرکیٹیکچر لاگو کرنا اور ماسٹر-سلیو کے ذریعے حرکت پذیر فیز اسٹیجنگ کا انتظام کرنا یقینی بناتا ہے کہ نظام ہمیشہ اپنی زیادہ سے زیادہ کارکردگی کے بہترین علاقے میں کام کرے۔ یہ فعال توانائی کا انتظام سرمایہ کے سرمایہ کاری کے تحفظ کو یقینی بناتا ہے، بیٹری کے استعمال کو بہتر بناتا ہے، اور قابلِ ذکر طویل المدتی مالی بچت فراہم کرتا ہے۔