VFD (इन्वर्टर) से बिजली बचत: पंखे और पंप की स्पीड का गणित
आपकी फ़ैक्टरी में किसी पंखे या पंप पर VFD (variable frequency drive) लगाने का प्रस्ताव आया है, और उसमें लिखा है कि बिजली आधी हो जाएगी। जापानी कागज़ों में इसी मशीन को "inverter" (inbata) कहते हैं, और बचत का आँकड़ा yen के रेट और 50 Hz या 60 Hz की मान्यता पर टिका होता है. मंज़ूरी की फ़ाइल में ये आँकड़े डालने से पहले जानना ज़रूरी है कि ये कब सही बैठते हैं।
छोटा जवाब: सिद्धांत में पंखे की स्पीड 80% करने पर shaft power रेटेड वैल्यू की 51.2% रह जाती है, क्योंकि पावर स्पीड के घन (cube) के हिसाब से घटती है। यह आँकड़ा तभी सही है जब पूरी रुकावट सिर्फ़ फ़्रिक्शन की हो। Static head या constant-torque load हो तो बचत घट जाती है, और जो मशीन हमेशा रेटेड स्पीड पर चलती है, उसकी बिजली उलटा बढ़ भी सकती है।
इस गाइड में एक ही मशीन के दो नाम, affinity laws, VFD और damper या throttling valve का फ़र्क़, और static head के कारण घन नियम कहाँ टूटता है, ये बातें हैं। इसके बाद बचत निकालने के तीन तरीके, एक checklist और जापानी सप्लायर से पूछने के सवाल दिए हैं।
विषय-सूची
- Inverter या VFD: एक मशीन, दो नाम
- Affinity laws: पावर स्पीड के घन से क्यों गिरती है
- VFD बनाम damper या throttling valve
- Static head: जहाँ घन नियम टूटता है
- VFD कहाँ फ़ायदा देता है और कहाँ नहीं
- VFD से बिजली बचत का हिसाब: तीन तरीके
- जापानी आँकड़े और स्पेसिफ़िकेशन कैसे पढ़ें
- लगाने से पहले क्या जाँचें
- Checklist: आँकड़ा देने से पहले
- जापानी सप्लायर से पूछने के सवाल
- इस गाइड की सीमाएँ
- FAQ
- स्रोत
Inverter या VFD: एक मशीन, दो नाम
जापानी ड्रॉइंग, कैटलॉग और सरकारी energy-saving गाइड में इस मशीन को आम तौर पर inverter (inbata) कहते हैं। भारत की फ़ैक्टरियों में आपने इसे VFD, VSD (variable speed drive), AC drive या सिर्फ़ "drive" के नाम से सुना होगा। सख़्ती से देखें तो VFD, VSD की सबसे आम किस्म है।
आगे इस लेख में "VFD" लिखा है। जापानी दस्तावेज़ में मोटर के साथ "inverter" लिखा हो, तो उसका मतलब यही मशीन है।
ड्राइव की ज़रूरत क्यों पड़ती है, यह एक फ़ॉर्मूले से समझ आता है। Synchronous speed (rpm) = 120 × frequency ÷ पोल की संख्या, इसलिए 4-पोल मोटर 50 Hz पर लगभग 1,500 rpm और 60 Hz पर लगभग 1,800 rpm से चलती है। तय frequency वाली लाइन पावर पर induction motor असल में एक ही स्पीड से चलती है।
VFD मोटर को जाने वाली बिजली को दोबारा बनाकर यह सीमा हटा देता है, जैसा Figure 1 में दिखाया है।
ड्राइव लाइन पावर को पहले DC में बदलता है, फिर ज़रूरी frequency की AC बनाकर मोटर को भेजता है।
ड्राइव के अंदर AC को DC में बदला जाता है और capacitor से smooth किया जाता है। फिर semiconductor switch नई frequency और वोल्टेज की AC बनाते हैं। आधार: Japan Electrical Manufacturers' Association का दस्तावेज़।
frequency घटने के साथ ड्राइव वोल्टेज भी उसी अनुपात में घटाता है। इसे constant V/f control कहते हैं, और इससे स्पीड बदलने पर भी मोटर के अंदर का चुंबकीय flux स्थिर रहता है। यह गाइड फ़ैक्टरियों की सबसे आम जोड़ी पर है: 3-फ़ेज़ induction motor और VFD।
Affinity laws: पावर स्पीड के घन से क्यों गिरती है
Affinity laws (जापानी दस्तावेज़ों में sojisoku) बताते हैं कि स्पीड बदलने पर पंखे या centrifugal पंप का क्या होता है। Flow स्पीड के सीधे अनुपात में बदलता है, pressure स्पीड के वर्ग (square) से, और shaft power स्पीड के घन (cube) से। पावर, flow और pressure के गुणनफल के बराबर होती है, इसलिए पहली और दूसरी घात मिलकर तीसरी घात बन जाती है।
स्पीड N1 से N2 करने पर नतीजे ये होंगे:
- Flow: Q2 = Q1 × (N2/N1)
- Pressure: P2 = P1 × (N2/N1)²
- Shaft power: L2 = L1 × (N2/N1)³
Figure 2 में तीनों कर्व दिखाए हैं। जापान के पर्यावरण मंत्रालय (MOE) की फ़ैक्ट शीट में यही 80% वाला उदाहरण है, और अमेरिकी ऊर्जा विभाग (DOE) इसे ऐसे कहता है कि स्पीड 20% घटाने पर input power लगभग 50% घटती है।
80% स्पीड पर flow 80%, pressure 64% और shaft power रेटेड वैल्यू की 51.2% होती है।
ये नियम तब मान्य हैं जब impeller वही रहे, fluid की density न बदले, हर operating point पर efficiency लगभग बराबर रहे, और रुकावट सिर्फ़ पाइप या duct की फ़्रिक्शन से हो (flow शून्य तो रुकावट भी शून्य)। अगर तय lift या back pressure मौजूद हो, तो pressure उतना नहीं गिर पाता और पावर घन से धीमे गिरती है।
Figure 2 में आदर्श कर्व हैं। असली power meter मोटर और ड्राइव का loss भी गिनता है, और कम स्पीड पर efficiency गिरती है, इसलिए नापी गई पावर हिसाब से कुछ ऊपर आती है। DOE के अनुसार load घटने पर VFD की efficiency घटती है, ख़ासकर छोटे ड्राइव में।
ये loss पहली नज़र से कम मायने रखते हैं। DOE के एक उदाहरण में 20 hp (लगभग 15 kW) का exhaust fan आधी स्पीड पर, मोटर efficiency 77.8% और ड्राइव efficiency 86% के साथ भी 16.4 kW की जगह सिर्फ़ 2.8 kW लेता है।
Variable-torque और constant-torque load
पंखे, पंप और blower variable-torque load हैं: टॉर्क स्पीड के वर्ग से घटता है, इसलिए पावर घन से घटती है। जापानी दस्तावेज़ों में इसे nijo teigen toruku (2 की घात से घटने वाला टॉर्क) कहते हैं।
Constant-torque load अलग तरह से चलते हैं। इनका टॉर्क किसी भी स्पीड पर लगभग एक-सा रहता है, इसलिए पावर सिर्फ़ स्पीड के अनुपात में घटती है। Conveyor, extruder, mixer, positive displacement पंप और screw air compressor इसी समूह में आते हैं, और इन पर घन नियम लागू नहीं होता।
VFD बनाम damper या throttling valve
VFD के बिना flow आम तौर पर पंखे के आउटलेट का damper या पंप के discharge का वाल्व बंद करके घटाया जाता है। मोटर लगभग पूरी स्पीड पर चलती रहती है और ऊपर से जोड़ी गई रुकावट flow घटाती है। वाल्व पर जो energy बर्बाद होती है, वह भी उसी बिजली में गिनी जाती है जिसका आप बिल भरते हैं।
VFD पंप या पंखे का कर्व ही नीचे कर देता है, इसलिए कोई रुकावट जोड़नी नहीं पड़ती। DOE की गाइड कहती है कि flow कंट्रोल के लिए स्पीड कंट्रोल हमेशा control valve से ज़्यादा efficient होता है। एक centrifugal fan के लिए यह फ़र्क़ कितना बड़ा हो सकता है, Figure 3 में है।
एक ही 80% हवा पर shaft power damper से 95% और स्पीड घटाने से 51% होती है।
ये वैल्यू centrifugal fan की हैं, जैसा MOE की फ़ैक्ट शीट में Energy Conservation Center, Japan (ECCJ) की data sheet के एक चार्ट से मानी गई है।
Damper से थोड़ी बचत इसलिए होती है कि centrifugal fan की shaft power flow घटने के साथ कुछ गिरती है। इसी data sheet में inlet damper, inlet vane और fluid coupling के कर्व भी हैं। मौजूदा कंट्रोल का तरीका बचत बदल देता है, इसलिए पहले उसे पहचानें।
फ़र्क़ इस टेबल में एक जगह है।
| तुलना का पॉइंट | Damper या वाल्व कंट्रोल | VFD कंट्रोल |
|---|---|---|
| Flow कैसे घटता है | रुकावट जोड़कर | स्पीड घटाकर |
| मोटर की स्पीड | लगभग पूरी स्पीड | ज़रूरी flow के हिसाब से घटती है |
| Pressure | जितना रोकें उतना बढ़ता है | स्पीड के वर्ग से गिरता है |
| 80% हवा पर shaft power (centrifugal fan का उदाहरण) | लगभग 95% | लगभग 51% |
| उपकरण का ख़र्च | कम: सिर्फ़ damper या वाल्व | ड्राइव और इंस्टॉलेशन का काम चाहिए |
पंप कर्व पर यही तुलना
पंप वहाँ चलता है जहाँ उसका performance कर्व सिस्टम कर्व से कटता है। वाल्व बंद करने पर सिस्टम कर्व तीखा हो जाता है और operating point ऊपर-बाएँ खिसकता है: flow घटता है, पर हेड बढ़ता है। स्पीड घटाने पर पंप का कर्व नीचे आता है, इसलिए उतना ही flow बहुत कम हेड पर मिल जाता है।
Figure 4 में J-Net21 का एक हल किया उदाहरण है। J-Net21 जापान की सरकार-समर्थित साइट है जो छोटी और मझोली कंपनियों की मदद करती है। इस पंप का shut-off head रेटेड हेड का 1.4 गुना और static head रेटेड हेड का 0.3 गुना है, और flow रेटेड का आधा किया गया है।
आधे flow पर वाल्व कंट्रोल हेड 1.3 पर और VFD कंट्रोल हेड 0.475 पर चलता है (रेटेड हेड = 1.0)।
यह J-Net21 के उदाहरण की ही शर्तों पर बनाया गया सरल चित्र है: shut-off head रेटेड हेड का 1.4 गुना, static head रेटेड हेड का 0.3 गुना, flow रेटेड का आधा।
इस उदाहरण में वाल्व कंट्रोल को रेटेड पावर की 65% और स्पीड कंट्रोल को 24% चाहिए। J-Net21 इसे 63% की बचत बताता है। यह 63% रोके गए (throttled) केस से तुलना है, रेटेड पावर से नहीं। जापानी बचत का प्रतिशत पढ़ते समय हमेशा देखें कि तुलना किससे की गई है।
Static head: जहाँ घन नियम टूटता है
कुल हेड के दो हिस्से होते हैं। Static head (jitsu-yotei) वह ऊँचाई है जितना liquid को उठाना है, या आगे की जगह पर तय back pressure; और friction head flow के वर्ग से बदलता है। बंद लूप वाले circulating सिस्टम में सिर्फ़ friction head होता है, और घन नियम ठीक यही शर्त मानकर चलता है कि रुकावट सिर्फ़ फ़्रिक्शन की है।
Flow जितना भी घटा लें, static head वैसा ही रहता है, इसलिए हेड का वह हिस्सा घटाया नहीं जा सकता। पंखों में भी यही सीमा आती है, जब duct के सिरे पर तय static pressure रखना हो।
DOE की गाइड कहती है कि static head वाले सिस्टम में बचत के लिए affinity laws लगाना आम ग़लती है, जिससे बड़ी चूक हो सकती है। आधे flow पर फ़र्क़ कितना है, Figure 5 में है।
50% flow पर ज़रूरी पावर आदर्श घन नियम में 12.5%, रेटेड हेड के 30% static head के साथ लगभग 24%, और वाल्व कंट्रोल में 65% है।
J-Net21 के उदाहरण की शर्तों (shut-off head 1.4, static head 0.3) पर पंप efficiency को स्थिर मानकर बना सरल चित्र। असल में कम flow पर efficiency गिरती है, इसलिए पावर चित्र से ज़्यादा आती है।
स्पीड कंट्रोल फिर भी वाल्व से बेहतर है, पर कर्व घन की रेखा से काफ़ी दूर है। J-Net21 के अनुसार स्पीड कंट्रोल तब सबसे अच्छा चलता है जब static head छोटा हो और flow का अनुपात लगभग 30–80% हो। उसके उदाहरण में सबसे बड़ी बचत लगभग 60% flow के पास आती है।
स्पीड की निचली सीमा: पंप को static head से ऊपर रहना है
Shut-off head स्पीड के वर्ग से गिरता है। जब यह static head से नीचे चला जाए, तो पंप flow नहीं दे पाता, और check valve न हो तो liquid उलटा बह सकता है। इस सीमा का पहला अनुमान √(static head ÷ shut-off head) से मिलता है।
ऊपर वाले 1.4 shut-off head पर static head 0.3 हो तो सीमा लगभग 46% स्पीड और static head 0.6 हो तो लगभग 65% है। ये हमारा अपना हिसाब है, और असली न्यूनतम स्पीड इससे ऊपर होती है। इसे पंप सप्लायर को reduced-speed कर्व और minimum continuous flow से तय करना चाहिए।
Static head हो तो flow स्पीड से तेज़ गिरता है। इसी मॉडल में आधा flow पाने के लिए static head 0.3 पर लगभग 64% स्पीड और 0.6 पर लगभग 76% स्पीड चाहिए। इसलिए ऐसे सिस्टम में यह न मानें कि flow का अनुपात और स्पीड का अनुपात बराबर हैं।
जिस पानी की सप्लाई में कुल हेड बड़ा चाहिए, वहाँ MOE स्पीड की जगह पंप स्टेजिंग (daisu seigyo, यानी कितने पंप चलें यह बदलना) से flow कंट्रोल करने की सलाह देता है, क्योंकि कम स्पीड पर हेड कम पड़ सकता है। मोटे कंट्रोल के लिए स्टेजिंग और बारीक ट्रिम के लिए VFD, यह जोड़ी भी देखने लायक है।
VFD कहाँ फ़ायदा देता है और कहाँ नहीं
नतीजा मोटे तौर पर तीन बातों से तय होता है: load का प्रकार, flow कितना बदलता है, और रुकावट किस चीज़ की है। सबसे अच्छे उम्मीदवार वे variable-torque मशीनें हैं जो लंबे घंटे रोके हुए flow पर चलती हैं और जिनमें ज़्यादातर रुकावट फ़्रिक्शन की है। Figure 6 में आम उपकरण छाँटे गए हैं।
पंखे और पंप में भी नतीजा इस पर टिका है कि मशीन कैसे चलती है और रुकावट किस चीज़ की है।
ज़्यादा बचत
कम बचत
जो मशीनें रेटेड flow के पास चलती हैं, उनमें स्पीड घटाने की जगह नहीं होती, और ड्राइव का अपना conversion loss बिल में जुड़ जाता है। इसीलिए MOE सुझाता है कि पंप रेटेड flow पर चल रहा हो तो उसे लाइन पावर (shoyo dengen) पर चलाया जाए। इस इंतज़ाम को आम तौर पर VFD bypass कहते हैं, और इसका डिज़ाइन योग्य इलेक्ट्रिकल इंजीनियर को करना चाहिए।
VFD से बिजली बचत का हिसाब: तीन तरीके
हिसाब मशीन की आज की खपत से शुरू करें, नेमप्लेट से नहीं। मोटरें अक्सर रेटेड load से कम पर चलती हैं, इसलिए रेटेड kW को असली खपत मान लेने से बचत ज़्यादा दिखती है। J-Net21 इसी वजह से 90% load factor (fukaritsu) लेता है, और power meter की रीडिंग इससे भी बेहतर है।
पूरा क्रम Figure 7 में है। Step 3 का सही फ़ॉर्मूला इस पर निर्भर है कि मशीन आज कैसे कंट्रोल होती है और static head कितना है।
साइट पर दर्ज किए आँकड़ों को सही स्पीड या पावर अनुपात और efficiency से kWh में बदलें, फिर अपना रेट लगाएँ।
Static head या तय back pressure हो तो बचत घन नियम के अनुमान से कम होती है।
तरीका A: वाल्व पूरा खुला, सिर्फ़ फ़्रिक्शन
यह तरीका तब लें जब वाल्व या damper पहले से पूरा खुला हो, static head लगभग शून्य हो, और आप बस कम flow चाहते हों।
नई kWh = मौजूदा kWh × (स्पीड अनुपात)³ ÷ ड्राइव efficiency
J-Net21 ने 37 kW (लगभग 50 hp) का cooling water पंप हल किया है: 92.5% efficiency (यहाँ मोटर efficiency माना गया), 90% load factor, रोज़ 24 घंटे और साल में 310 दिन। मौजूदा खपत लगभग 267,800 kWh है। 85% स्पीड और 95% ड्राइव efficiency पर यह 267,800 × 0.85³ ÷ 0.95, यानी लगभग 173,100 kWh हो जाती है।
बचत साल में लगभग 94,700 kWh, यानी लगभग 35% है। JPY 22.0/kWh पर J-Net21 इसे लगभग JPY 2.08 million (लगभग 20.8 लाख yen) बताता है। उदाहरण में static head 0 m माना गया है, इसलिए इसे सबसे अच्छा केस समझें।
तरीका B: आज damper या वाल्व से रोका जा रहा है
आज की रीडिंग में रोकने का loss पहले से शामिल है, इसलिए उसे सीधे स्पीड के घन से गुणा न करें। उसी flow पर दोनों कंट्रोल के अनुपात का भाग लें, जो fan curve या data sheet से मिलता है।
नई kWh = मौजूदा kWh × (VFD का shaft power अनुपात ÷ रोके हुए केस का shaft power अनुपात) ÷ ड्राइव efficiency
जापान का MOE 22 kW (लगभग 30 hp) के exhaust fan का मॉडल लेता है: 80% हवा, साल में 6,480 घंटे, मोटर efficiency 95% और ड्राइव efficiency 90%। मौजूदा खपत 142,600 kWh निकलती है। Shaft power अनुपात 51% और 95% लेकर नतीजा 142,600 × (51 ÷ 95) ÷ 0.90, यानी लगभग 85,000 kWh आता है।
बचत साल में लगभग 57,600 kWh, यानी लगभग 40% है। 95% और 51% वाली वैल्यू centrifugal fan के damper के एक ही चार्ट से हैं। दूसरे कंट्रोल के अपने कर्व होते हैं।
तरीका C: static head वाला सिस्टम
Static head हो तो पावर का अनुमान स्पीड से नहीं, flow और हेड से लगाएँ। hs को रेटेड हेड का static हिस्सा और Q को flow का अनुपात मानें, तो सिस्टम कर्व पर हेड hs + (1 − hs) × Q² होता है।
पावर अनुपात ≈ Q × (hs + (1 − hs) × Q²), फिर ड्राइव efficiency से भाग दें।
टेबल में यही फ़ॉर्मूला लगाया है। 50% flow पर वाल्व और hs = 0.3 की वैल्यू J-Net21 के उदाहरण से मिलती हैं, जो 23.8% को 24% लिखता है। बाक़ी वैल्यू उसी मॉडल पर हमारा अपना हिसाब हैं।
| Flow | वाल्व कंट्रोल | VFD, hs = 0 (घन नियम) | VFD, hs = 0.3 | VFD, hs = 0.6 |
|---|---|---|---|---|
| 90% | 96.8% | 72.9% | 78.0% | 83.2% |
| 80% | 91.5% | 51.2% | 59.8% | 68.5% |
| 70% | 84.3% | 34.3% | 45.0% | 55.7% |
| 60% | 75.4% | 21.6% | 33.1% | 44.6% |
| 50% | 65.0% | 12.5% | 23.8% | 35.0% |
VFD वाले कॉलम को आशावादी मानें। DOE की गाइड चेताती है कि ज़्यादा static head वाले सिस्टम में स्पीड में थोड़ी कमी भी flow और पंप efficiency, दोनों को बहुत घटा देती है। जो आँकड़ा आपको मंज़ूरी की फ़ाइल में बचाना है, उसके लिए सप्लायर से घटी स्पीड पर पंप कर्व, efficiency के साथ, माँगें।
kWh को अपने रुपये में बदलें
मुख्य नतीजा kWh में रखें, क्योंकि जापानी उदाहरणों के yen वाले आँकड़े आपके यहाँ सीधे लागू नहीं होते। MOE के fan उदाहरण में JPY 22.76/kWh है।
नीचे की टेबल उसी 57,600 kWh पर दूसरे रेट लगाती है। ये रेट बाज़ार भाव नहीं, सिर्फ़ मिसाल हैं, इसलिए अपने बिल का रेट डालें।
| प्रति kWh रेट | 57,600 kWh पर साल की बचत |
|---|---|
| JPY 22.76 (MOE का उदाहरण) | लगभग JPY 1,310,000 (लगभग 13.1 लाख yen) |
| ₹8 (सिर्फ़ मिसाल) | ₹4,60,800 |
| ₹10 (सिर्फ़ मिसाल) | ₹5,76,000 |
| आपका रेट: ____ | 57,600 × आपका रेट |
अपनी finance टीम से पूछें कि मंज़ूरी में कौन-सा रेट लिया जाए। J-Net21 बेस चार्ज वाला मिला-जुला रेट लेता है, पर फ़िक्स्ड चार्ज kWh के साथ नहीं घटते। भारत में बिल में demand charge भी होता है, इसलिए बचत को सिर्फ़ kWh × रेट मानने से पहले अपने बिल का ढाँचा देख लें।
Simple payback के लिए लगाई गई कुल लागत को साल की बचत से भाग दें। इसमें ड्राइव, इंस्टॉलेशन, कोई reactor या filter और मोटर बदलने का ख़र्च जोड़ें, और ये क़ीमतें quotation से लें।
लगाने के बाद एक जैसी शर्तों में नापी गई kWh की तुलना करें। अनुमान और माप का फ़र्क़ आपके अगले अनुमान को बेहतर करेगा।
जापानी आँकड़े और स्पेसिफ़िकेशन कैसे पढ़ें
जापान में दो frequency चलती हैं: पूर्व में, टोक्यो समेत, 50 Hz और पश्चिम में, ओसाका समेत, 60 Hz। इसलिए जापान में बनी मशीन किसी भी एक के लिए रेटेड हो सकती है, और उसकी अपनी frequency आपके प्लांट से अलग हो सकती है। भारत में सप्लाई 50 Hz है।
घन नियम के कारण यह असली मुद्दा है। 50 Hz के लिए रेटेड centrifugal मशीन 60 Hz पर चलाई जाए तो 20% तेज़ घूमती है और उसे लगभग 73% ज़्यादा shaft power चाहिए (1.2³ = 1.73)। 60 Hz की मशीन 50 Hz पर चले तो लगभग 17% धीमी घूमती है, पावर लगभग 58% और pressure लगभग 69% रह जाते हैं।
कोई भी आँकड़ा मिलाने से पहले रेटेड frequency पक्की कर लें। ये अनुपात affinity laws से हमारा अपना हिसाब हैं। सप्लायर से पूछें कि मशीन और मोटर आपकी frequency पर चल भी सकती हैं या नहीं।
देशों के फ़र्क़ के लिए यह टेबल शुरुआत है।
| जगह | मेन्स की frequency | Harmonics के लिए शुरुआती संदर्भ |
|---|---|---|
| जापान | 50 Hz (पूर्व), 60 Hz (पश्चिम) | हाई-वोल्टेज उपभोक्ताओं के लिए 1994 का गाइडलाइन, तकनीकी गाइडलाइन JEAG 9702 के साथ |
| भारत | 50 Hz | अपनी बिजली कंपनी (DISCOM) और electrical इंजीनियर से पूछें; यहाँ पुष्टि नहीं की गई |
| अमेरिका और दूसरे 60 Hz वाले देश | 60 Hz | अमेरिका में IEEE 519-2022 का हवाला आम है; अपनी utility की ज़रूरत पूछें |
जापानी energy-saving दस्तावेज़ों और स्पेसिफ़िकेशन में ये शब्द बार-बार आते हैं।
| Romaji | मतलब |
|---|---|
| sho-ene | Energy saving (बिजली बचत) |
| inbata | Inverter, यानी VFD |
| sojisoku | Affinity laws |
| jiku-doryoku | Shaft power |
| kaitensu seigyo | स्पीड कंट्रोल |
| jitsu-yotei / zen-yotei | Static head / कुल हेड |
| furyo | हवा की मात्रा (airflow) |
| shoyo dengen | लाइन (utility) पावर |
| kochoha | Harmonics |
| daisu seigyo | पंप स्टेजिंग |
Top Runner मोटर और frequency सेटिंग
अप्रैल 2015 से जापान में ज़्यादातर औद्योगिक 3-फ़ेज़ induction मोटरों को Top Runner मानक पर खरा उतरना ज़रूरी है, जिसे International Energy Agency IE3 स्तर का बताती है। भारत में भी IS 12615:2018 (IE code) वाली 3-फ़ेज़ squirrel cage induction मोटरें BIS certification के Quality Control Order के तहत हैं, जो 1 अक्टूबर 2017 से लागू बताया गया है। जापान के Top Runner और भारत की IE class को एक जैसा न मानें; data sheet पर efficiency देखें और सप्लायर से पूछें।
Semiconductor Equipment Association of Japan के अनुसार इन मोटरों में slip कम होता है और ये थोड़ी तेज़ घूमती हैं। उसका सुझाव है कि इनके साथ चलने वाले VFD की सेटिंग जाँची या बदली जाए। पावर स्पीड के घन से बढ़ती है, इसलिए मोटर बदली जा रही हो और साथ में VFD भी लग रहा हो, तो सप्लायर या योग्य इंजीनियर से frequency सेटिंग की समीक्षा करवाएँ।
लगाने से पहले क्या जाँचें
VFD अपने आप फ़ायदा नहीं देता। ग़लत मशीन पर यह कम flow, गर्म मोटर या वाइब्रेशन ला सकता है। जाँच इस क्रम में करें: चलने के आँकड़े, प्रोसेस की सीमाएँ, मोटर और मैकेनिकल सीमाएँ, फिर इलेक्ट्रिकल सिस्टम।
चलने के आँकड़े और प्रोसेस की सीमाएँ
एक हफ़्ते से एक महीने तक damper या वाल्व की पोज़िशन, flow और pressure का उतार-चढ़ाव और चलने के घंटे दर्ज करें। जो मशीन लगभग पूरी खुली रहती है, उसमें बचत कम होती है। DOE की गाइड duration diagram सुझाती है, जो दिखाता है कि साल में हर flow पर कितने घंटे चले, ताकि हर हालत का अलग हिसाब करके जोड़ा जा सके।
फिर पक्का करें कि प्रोसेस को कम से कम कितना flow और pressure चाहिए। Pressure स्पीड के वर्ग से गिरता है: MOE बताता है कि 90% flow पर discharge pressure 19% कम हो जाता है। लाइन के आख़िरी सिरे पर ज़रूरी pressure तय करता है कि स्पीड कितनी नीचे जा सकती है।
न्यूनतम स्पीड, कूलिंग और वाइब्रेशन
ज़्यादातर induction मोटरें शाफ़्ट पर लगे पंखे से अपने आप को ठंडा करती हैं, इसलिए कम स्पीड पर लंबे समय चलने से ठंडी हवा घट जाती है। मोटर बनाने वाले से पूछें कि लगातार चलने की स्पीड की कितनी रेंज मान्य है और अलग से चलने वाला cooling fan चाहिए या नहीं।
वेरिएबल स्पीड में चलने की रेंज के अंदर ढाँचे की resonance से टकराने की संभावना भी बढ़ती है। कई ड्राइव एक frequency बैंड को छोड़कर आगे बढ़ सकते हैं, इसलिए कमीशनिंग में वाइब्रेशन और आवाज़ देखें।
पंखों में कुछ स्पीड रेंज में surging जैसी अस्थिर चाल का ख़तरा भी होता है।
मोटर की इन्सुलेशन और ड्राइव की जगह
DOE की गाइड के अनुसार 400 V नेटवर्क पर VFD ज़्यादातर मौजूदा मोटरों में फ़िट हो जाता है। अमेरिका और 440 V से ऊपर वाली जगहों पर ऐसा आम तौर पर नहीं होता, वहाँ मज़बूत इन्सुलेशन वाली "inverter duty" मोटरें अक्सर चाहिए। लंबी केबल मोटर के टर्मिनल पर वोल्टेज बढ़ा सकती है, और बड़ी मोटरों में shaft voltage से बेयरिंग ख़राब हो सकती है। भारत की आम 415 V सप्लाई 400 V वाली बात के क़रीब है, फिर भी अपनी मोटर के लिए मोटर बनाने वाले से पुष्टि करें।
पूछते समय दो मानकों का नाम काम आता है: inverter-रेटेड मोटरों के लिए NEMA MG 1 Part 31, और converter से चलने वाली मशीनों के मार्गदर्शन के लिए IEC TS 60034-25:2022। ड्राइव की जगह भी देखें। इलेक्ट्रॉनिक्स corrosive और नम जगहें कम सहता है, और DOE की गाइड कहती है कि विस्फोटक माहौल की संभावना वाली जगह में VFD चलाना आम तौर पर संभव नहीं होता।
Harmonics और पावर सिस्टम
ड्राइव का smoothing capacitor चार्ज होने से इनपुट करंट बिगड़ जाता है, जिससे मेन्स frequency के पूर्ण गुणकों पर harmonics बनते हैं। अमेरिका में IEEE 519-2022 आम संदर्भ है। वह अपनी सीमाएँ हर ड्राइव पर नहीं, point of common coupling पर, यानी utility और उपभोक्ता के जोड़ पर, लगाता है।
2022 संस्करण के एक प्रकाशित सार में voltage total harmonic distortion की सीमा 1 kV तक 8% और 1 kV से ऊपर 69 kV तक 5% दी गई है। करंट की सीमाएँ short-circuit करंट और load करंट के अनुपात पर निर्भर हैं। इन वैल्यू को मानक से ही मिलाकर पक्का करें।
जापान में हाई या स्पेशल हाई वोल्टेज पर बिजली लेने वाले उपभोक्ताओं का 1994 का गाइडलाइन JEAG 9702 के साथ लागू होता है, और जापानी ड्राइव कैटलॉग में हिसाब के लिए conversion factor दिया होता है। उपायों में AC या DC reactor और pulse-width-modulated converter आते हैं।
अपने electrical इंजीनियर और utility से ये बातें जाँच करवाएँ, क्योंकि harmonics पावर-फ़ैक्टर सुधारने वाले capacitor पर भी असर डालते हैं। ड्राइव के पैनल में काम, wiring या bypass का काम योग्य व्यक्ति का है, और उससे पहले कंपनी की LOTO प्रक्रिया लागू होती है। भारत में सुरक्षा के नियम (Factories Act 1948 और 2020 की OSH Code) लागू हैं या कैसे, यह राज्य के हिसाब से अलग हो सकता है, इसलिए अपने safety विभाग से पूछें।
Checklist: आँकड़ा देने से पहले
VFD का प्रस्ताव, आपका हो या vendor का, इस सूची से जाँचें।
- Load का प्रकार: variable-torque पंखा या centrifugal पंप, constant-torque मशीन नहीं
- आज का कंट्रोल: outlet damper, inlet damper, vane, वाल्व, या पूरा खुला
- बेसलाइन: नापी हुई kW या kWh, नेमप्लेट की kW नहीं
- Flow का प्रोफ़ाइल: दर्ज आँकड़ों से हर flow पर साल के घंटे
- Static head: रेटेड हेड का हिस्सा, और उसके हिसाब से तरीका (A, B या C)
- प्रोसेस की सीमाएँ: न्यूनतम flow, न्यूनतम pressure और आख़िरी सिरे पर ज़रूरी हेड
- Efficiency: असली पार्ट-लोड पर ड्राइव और मोटर की efficiency, सिर्फ़ फ़ुल लोड की नहीं
- रेटेड frequency: मशीन, मोटर और आपके प्लांट की 50 Hz या 60 Hz
- मोटर: VFD के लिए रेटेड, कम स्पीड पर कूलिंग, और बड़ी मोटरों में बेयरिंग की सुरक्षा
- इलेक्ट्रिकल: harmonics की समीक्षा, capacitor, केबल की लंबाई और ड्राइव की जगह
- पैसा: अपना प्रति kWh रेट, पूरी लगाई गई लागत और simple payback
- जाँच: पहले और बाद की नापी हुई kWh की तुलना की योजना
जापानी सप्लायर से पूछने के सवाल
उपकरण या बचत का आँकड़ा जापान से आया हो, तो ये सवाल जल्दी भेजें। इन्हें ईमेल में चिपकाया जा सकता है, और ज़रूरत हो तो अपने इंजीनियर से अंग्रेज़ी में भिजवाएँ।
- मशीन और मोटर की रेटेड frequency क्या है? कृपया 50 Hz और 60 Hz दोनों के performance कर्व भेजें।
- कृपया घटी स्पीड पर performance कर्व भेजें, जिनमें efficiency और minimum continuous flow दिखे।
- लगातार चलने की मान्य स्पीड रेंज क्या है? कम स्पीड पर मोटर की अलग कूलिंग चाहिए?
- क्या मोटर VFD के लिए रेटेड है? किस मानक के तहत (जैसे NEMA MG 1 Part 31 या IEC TS 60034-25)?
- पार्ट-लोड पर ड्राइव की efficiency कितनी है? क्या ड्राइव में AC या DC reactor बना है? Harmonics का कौन-सा डेटा दे सकते हैं?
- Resonance या अस्थिर चाल की वजह से किन स्पीड रेंज से बचना चाहिए?
- आपकी बिजली बचत के आँकड़े में बेसलाइन कंट्रोल का तरीका, static head, ड्राइव efficiency, चलने के घंटे और बिजली का रेट क्या माने गए हैं?
- क्या इस मशीन पर VFD retrofit से वारंटी पर असर पड़ता है?
इस गाइड की सीमाएँ
- हल किए उदाहरण जापान की सार्वजनिक गाइडों से हैं और मान ली गई वैल्यू पर चलते हैं। ये नापे हुए नतीजे या गारंटी नहीं हैं।
- तरीका C पंप efficiency को स्थिर मानता है। कम flow पर efficiency गिरे तो असली बचत कम होगी।
- न्यूनतम स्पीड के हिसाब पहला अनुमान हैं। सप्लायर के कर्व को प्राथमिकता दें।
- Positive displacement पंप, कंप्रेसर और दूसरी constant-torque मशीनों का अलग विश्लेषण चाहिए।
- Harmonics की सीमाएँ और मोटर मानक दूसरे स्रोतों से सार रूप में लिए हैं। इन्हें मौजूदा मानक और अपनी utility के नियमों से मिलाएँ।
- भारत के BIS मानकों की बात सिर्फ़ IS 12615 तक जाँची गई है। बाक़ी की समतुल्यता सप्लायर या BIS से पूछें।
- बिजली के रेट, टैरिफ़ और प्रोत्साहन देश और साइट के हिसाब से बदलते हैं, और यह गाइड उन्हें कवर नहीं करती।
FAQ
पंखे या पंप पर VFD कितनी बिजली बचाता है?
कोई एक प्रतिशत हर जगह लागू नहीं होता। जापान के सार्वजनिक उदाहरणों में 22 kW के fan पर, damper कंट्रोल से VFD पर जाने पर, उसी 80% हवा पर लगभग 40% और 85% स्पीड पर 37 kW के पंप पर लगभग 35% बचत है। आपका नतीजा आज के कंट्रोल, flow प्रोफ़ाइल और static head पर निर्भर है।
पंप में static head हो तो क्या affinity laws लगते हैं?
सिस्टम की बचत के लिए नहीं। ये अब भी बताते हैं कि स्पीड के साथ पंप कर्व कैसे खिसकता है, पर सिस्टम कर्व शून्य से शुरू नहीं होता, इसलिए flow स्पीड के साथ-साथ नहीं गिरता। J-Net21 के उदाहरण में 50% flow पर पावर रेटेड की लगभग 24% है, घन नियम वाली 12.5% नहीं।
जो पंखा हमेशा पूरी स्पीड पर चलता है, उस पर VFD बिजली बचाएगा?
नहीं। स्पीड घटाने की जगह न हो तो ड्राइव का अपना conversion loss बिजली की खपत बढ़ा देता है। जापान का MOE रेटेड flow पर चल रहे पंप को लाइन पावर पर चलाने का सुझाव देता है, जिसका इंतज़ाम electrical इंजीनियर का काम है।
VFD ख़ुद कितनी बिजली खाता है?
जापान के सार्वजनिक उदाहरण 90–95% ड्राइव efficiency मानते हैं। DOE के अनुसार load घटने पर efficiency गिरती है, ख़ासकर छोटे ड्राइव में, इसलिए सप्लायर से पार्ट-लोड की वैल्यू माँगें।
VFD लें या पंप स्टेजिंग?
VFD उन सिस्टमों के लिए ठीक है जिनमें static head कम हो और ज़्यादातर रुकावट फ़्रिक्शन की हो। ऊँचाई पर पानी की सप्लाई जैसे बड़े कुल हेड के लिए MOE स्टेजिंग की सलाह देता है। मोटे कंट्रोल के लिए स्टेजिंग और बारीक ट्रिम के लिए VFD भी एक विकल्प है।
स्रोत
- Fan के affinity laws, damper से तुलना और 22 kW fan का उदाहरण: Japan Ministry of the Environment, "Introduction of Variable Exhaust Fans" (जापानी), ECCJ की data sheet पर आधारित
- पंप का flow, pressure और पावर; static head; स्टेजिंग; रेटेड flow पर लाइन पावर: Japan Ministry of the Environment, "Optimizing Flow and Pressure of Water Supply and Drainage Pumps" (जापानी)
- वाल्व कंट्रोल और 37 kW cooling water पंप का उदाहरण: J-Net21, पंप और blower की स्पीड कंट्रोल, भाग 2 (जापानी)
- Static head वाला पंप, संख्यात्मक उदाहरण और असरदार रेंज: J-Net21, ज़्यादा static head वाले पंप में inverter से बचत कम क्यों (जापानी)
- Static और friction head, affinity law की ग़लतियाँ, resonance, मोटर इन्सुलेशन और duration diagram: US DOE, Hydraulic Institute और Europump, "Variable Speed Pumping: A Guide to Successful Applications, Executive Summary"
- Variable और constant torque load, पार्ट-लोड ड्राइव efficiency और 20 hp का उदाहरण: US DOE, Motor Systems Tip Sheet #11, "Adjustable Speed Drive Part-Load Efficiency"
- Variable-torque load: Mitsubishi Electric, FREQROL-F800 series (जापानी)
- Top Runner मोटर और ड्राइव सेटिंग: Semiconductor Equipment Association of Japan, मोटर efficiency (जापानी)
- जापान की IE3 ज़रूरत: International Energy Agency, "Minimum Energy Efficiency of Motors"
- भारत में IS 12615:2018 और BIS certification (Quality Control Order, 1 अक्टूबर 2017): BIS, IS 12615:2018 के लागू होने की सूचना
- जापान के harmonics गाइडलाइन, JEAG 9702 और reactor: Japan Electrical Manufacturers' Association, general-purpose inverter और servo amplifier के harmonic उपाय, अप्रैल 2022 (जापानी)
- IEEE 519-2022 की सीमाएँ और PCC: Comsys, "Power Quality: IEEE 519-2022"; IEEE Xplore, IEEE 519-2022
- NEMA MG 1 Part 30 और 31: dV/dt Filter, "NEMA MG 1-2016 Standard for Voltage Stress in Motors and Drives"
- IEC TS 60034-25:2022: IEC Webstore
- देशों की मेन्स frequency: Miki Pulley, "Power Supply Situations Around the World"
- न्यूनतम स्पीड और static head: Pump Industry Magazine, "Pump Curves 16: How Low Can You Go?"
- जापान की 50/60 Hz की सीमा: KEK, "Japanese Electricity"
मूल जापानी लेखयह गाइड जापान के पाठकों के लिए लिखे गए MONOSCOPE के एक लेख पर आधारित है: インバータで省エネになる仕組み｜ファン・ポンプの回転数と電力の3乗則
संपादक के बारे में
MONOSCOPE संपादकीय टीमFOUNDER & EDITORप्लांट उपकरण निर्माता और प्लांट इंजीनियरिंग कंपनी में लगभग दस साल तक उपकरणों के प्रस्ताव, डिज़ाइन और कमीशनिंग का काम करने के बाद डिजिटल मार्केटिंग में आए। आज B2B निर्माताओं को वेब कंसल्टिंग देते हैं, ताकि वे अपने उत्पाद और तकनीक आसानी से समझा सकें। जापान के राष्ट्रीय लाइसेंस Energy Manager और तृतीय श्रेणी चीफ़ इलेक्ट्रिकल इंजीनियर धारक।
2017 से एक इंजीनियरिंग ब्लॉग (500 से ज़्यादा लेख) और लगभग 20,000 सब्सक्राइबर वाला जापानी YouTube चैनल चलाते हैं। हर गाइड जापानी शॉप फ़्लोर के नज़रिए से लिखा जाता है और उद्धृत मानकों से मिलाकर जाँचा जाता है।
