Implementation of Regenerative Braking Systems in Brushless DC Motors

एक ऐसी दुनिया की कल्पना करें जहाँ आपके द्वारा चलाई जाने वाली गाड़ी न केवल चलने के लिए ऊर्जा का उपभोग करती है, बल्कि रुकने पर ऊर्जा को संचित भी करती है। यह इलेक्ट्रिक मोबिलिटी का वादा है, एक ऐसा क्षेत्र जो अतीत के प्रदूषणकारी इंजनों को स्वच्छ, कुशल इलेक्ट्रिक मोटरों से बदलने के लिए समर्पित है। कई आधुनिक इलेक्ट्रिक कारों के केंद्र में एक विशिष्ट प्रकार का इंजन होता है जिसे ब्रशलेस डीसी (brushless DC) मोटर के रूप में जाना जाता है। पुराने इलेक्ट्रिक मोटरों के विपरीत, जिनमें बिजली को चालू और बंद करने के लिए भौतिक ब्रशों का उपयोग किया जाता था, ये नए मोटर इलेक्ट्रॉनिक स्विच और चुंबकों का उपयोग करके घूमते हैं, जिससे वे हल्के, अधिक टिकाऊ और बिना घिसे लंबे समय तक चलने में सक्षम होते हैं। इन वाहनों को डिजाइन करने में एक महत्वपूर्ण चुनौती यह है कि कार की गति में संचित ऊर्जा को कैसे संभाला जाए। जब चालक ब्रेक पेडल दबाता है, तो उस आगे की गति को रोकना होता है। एक पारंपरिक कार में, यह ऊर्जा ब्रेक पैड में गर्मी के रूपas बर्बाद हो जाती है। एक इलेक्ट्रिक वाहन में, इंजीनियर इस ऊर्जा को कैप्चर करने और इसे वापस बैटरी में भेजने का प्रयास करते हैं, जिसे पुनर्योजी ब्रेकिंग (regenerative braking) कहा जाता है। लक्ष्य सरल है: धीमा होने की क्रिया को रिचार्ज करने की क्रिया में बदलना, जिससे एक बार चार्ज करने पर कार कितनी दूर चल सकती है, उसे बढ़ाया जा सके।

नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी, दिल्ली में कार्यरत एक शोधकर्ता, चेतना भारद्वाज ने यह पता लगाने के लिए अन्वेषण किया है कि ब्रशलेस डीसी मोटरों में अतिरिक्त जटिल या भारी उपकरण जोड़े बिना इस ऊर्जा रिकवरी प्रक्रिया को कुशलतापूर्वक कैसे काम कराया जाए। इस कार्य में संबोधित केंद्रीय प्रश्न यह है कि क्या कोई वाहन अतिरिक्त उपकरणों जैसे कि बूस्ट कन्वर्टर्स या विशेष सुपर-कैपेसिटर पर निर्भर रहने के बजाय, केवल मोटर और अपने मानक इलेक्ट्रॉनिक कंट्रोलर का उपयोग करके ब्रेकिंग के दौरान अपनी बैटरी को रिचार्ज कर सकता है। इन अतिरिक्त घटकों का उपयोग अक्सर मोटर द्वारा उत्पन्न बिजली के वोल्टेज को बढ़ाने के लिए किया जाता है ताकि वह बैटरी में प्रवेश करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हो सके, लेकिन वे वाहन में वजन, लागत और जटिलता जोड़ते हैं। अध्ययन एक ऐसी विधि प्रस्तावित करता है जहाँ मोटर के अपने आंतरिक इलेक्ट्रॉनिक्स को सावधानीपूर्वक प्रबंधित किया जाता है ताकि बिजली के प्रवाह को सीधे शक्ति स्रोत की ओर उल्टा किया जा सके। एक विशिष्ट प्रकार के नियंत्रण प्रणाली का उपयोग करके जो मोटर की गति और करंट की निरंतर निगरानी करती है, शोधकर्ताओं का लक्ष्य ड्राइविंग और ब्रेकिंग के बीच एक सुचारू संक्रमण बनाना था, यह सुनिश्चित करना था कि कार सुरक्षित रूप से धीमी हो जाए और साथ ही बैटरी में ऊर्जा वापस भेजती रहे।

इस विचार का परीक्षण करने के लिए, शोधकर्ता ने एक इलेक्ट्रिक वाहन प्रणाली का विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन बनाया। इस आभासी मॉडल में मोटर, बैटरी और बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करने वाले इलेक्ट्रॉनिक स्विच शामिल थे। सिमुलेशन को वास्तविक दुनिया की ड्राइविंग स्थितियों की नकल करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, जिसमें मोटर 1455 आरपीएम (revolutions per minute) की स्थिर गति पर चल रही थी, जो वाहन को आगे बढ़ाने के लिए बैटरी से शक्ति खींच रही थी। इस ड्राइविंग मोड में, मोटर लगभग 2.1 एम्पियर की कम मात्रा में करंट खींच रही थी और अपनी गति बनाए रखने के लिए 250 वॉट बिजली की खपत कर रही थी। सिस्टम को इस तरह सेट किया गया था कि चालक किसी भी समय वर्चुअल ब्रेक पेडल दबाकर रुकने की प्रक्रिया शुरू कर सके। जब सिमुलेशन में ब्रेक लगाया गया, तो कंट्रोल सिस्टम ने तुरंत मोटर के संचालन को बदल दिया। पहियों को घुमाने के लिए बिजली बाहर धकेलने के बजाय, मोटर एक जनरेटर के रूप में कार्य करने लगा, वाहन की शेष गति को बिजली में परिवर्तित करने लगा।

सिमुलेशन के परिणामों ने दिखाया कि सिस्टम बिल्कुल इच्छानुसार काम कर रहा था। जैसे ही ब्रेक दबाया गया, मोटर का व्यवहार पूरी तरह बदल गया। वह बल जो पहले कार को आगे धकेल रहा था, विपरीत दिशा में एक मजबूत खींचने वाले बल में बदल गया, जिससे -11 न्यूटन-मीटर का ब्रेकिंग टॉर्क उत्पन्न हुआ। इस उलटफेर के कारण बिजली मोटर से बैटरी की ओर, न कि बैटरी से मोटर की ओर, वापस बहने लगी। सिमुलेशन ने रिकॉर्ड किया कि बैटरी को महत्वपूर्ण मात्रा में बिजली प्राप्त होने लगी, जो -1000 वॉट के शिखर तक पहुँच गई, जो यह दर्शाता है कि ऊर्जा सफलतापूर्वक रिकवर की जा रही थी। बैटरी में बहने वाला करंट सकारात्मक 2.1 एम्पियर से बदलकर नकारात्मक 8.3 एम्पियर हो गया, जिससे पुष्टि हुई कि बैटरी चार्ज की जा रही थी। इस पूरी प्रक्रिया के दौरान, मोटर की गति अपनी प्रारंभिक 1455 आरपीएम से घटकर शून्य तक लगातार कम हुई, जो एक नियंत्रित और प्रभावी ठहराव को प्रदर्शित करती है।

इस कार्य का एक प्रमुख निष्कर्ष यह है कि ऊर्जा रिकवरी उस अतिरिक्त वोल्टेज-बढ़ाने वाले उपकरण की आवश्यकता के बिना हुई जिसे अक्सर आवश्यक माना जाता है। शोधकर्ताओं ने प्रदर्शित किया कि केवल मोटर कंट्रोलर के भीतर कौन से इलेक्ट्रॉनिक स्विच चालू और बंद किए जाने चाहिए, इसे समायोजित करके, वे मोटर के अपने आंतरिक चुंबकों द्वारा उत्पन्न वोल्टेज (जिसे बैक इलेक्ट्रोमोटिव फोर्स कहा जाता है) को बैटरी की जरूरतों के अनुरूप प्रबंधित कर सकते हैं। जैसे-जैसे मोटर धीमी हुई, उसके द्वारा उत्पन्न विद्युत दबाव स्वाभाविक रूप से कम होता गया, और कंट्रोल सिस्टम ने यह सुनिश्चित करने के लिए समायोजन किया कि यह ऊर्जा अभी भी बैटरी द्वारा स्वीकार की जा सके। सिमुलेशन ने दिखाया कि ड्राइविंग से ब्रेकिंग के बीच का संक्रमण सुचारू था, जिसमें मोटर ने अस्थिरता के बिना बिजली की दिशा के परिवर्तन को संभाला। अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि यह दृष्टिकोण एक सरल, हल्का और अधिक लागत प्रभावी इलेक्ट्रिक ड्राइव सिस्टम प्रदान करता है। एक मानक इन्वर्टर द्वारा प्रभावी ढंग से पुनर्योजी ब्रेकिंग को संभालने की क्षमता को सिद्ध करके, यह कार्य ऐसे इलेक्ट्रिक वाहनों की ओर संकेत करता है जिन्हें बनाना और बनाए रखना आसान है, जबकि वे उस ऊर्जा को भी कैप्चर कर सकते हैं जो हर बार कार के रुकने पर नष्ट हो जाती है।