कपॅसिटर आणि इन्व्हर्टर

क्लिष्ट गणिताचा संदर्भ टाळून या विषयीची माहिती सोप्या शब्दात देण्याचा हा एक अल्प प्रयत्न आहे. ते करतांना तपशीलात कांही तांत्रिक त्रुटी आल्या असल्या तरी या विषयाचा मुख्य गाभा शक्य तो शाबूत ठेवण्याचा प्रयत्न मी या लेखात केला आहे.
आपल्या घरी जो वीजपुरवठा असतो तो एसी (आल्टर्नेटिंग करंट) या प्रकारचा म्हणजे आलटून पालटून दोन्ही दिशांना वाहणारा असतो. विजेच्या ज्या दोन तारा आपल्या घरातल्या दिव्याला जोडलेल्या असतात त्यांचा उल्लेख 'फेज' व 'न्यूट्रल' असा करतांना आपण कदाचित इलेक्ट्रीशियनकडून ऐकले असेल. रेफ्रिजरेटरसारख्या यंत्रांना जोडलेल्या वायरीमध्ये तीन तारा असतात. त्या तिस-या तारेला 'ग्राउंड' असे म्हणतात. ती फक्त जमीनीशी जोडलेली असते आणि यंत्रात कांही बिघाड झाला तर त्याची तीव्रता कमी करण्याच्या उपयोगात ती येते. एरवी तिच्यातून विद्युतप्रवाह वहात नाही. 'फेज' व 'न्यूट्रल' या तारांमधून वाहणा-या विजेचा दाब (व्होल्टेज) व प्रवाह (करंट) सतत बदलत असतात. हा दाब शून्यापासून वाढत वाढत सर्वोच्च पातळी गाठल्यानंतर तो कमी कमी होत पुन्हा शून्यावर येतो, त्यानंतर उलट दिशेने वाढत वाढत सर्वोच्च पातळी गाठतो आणि पुन्हा कमी कमी होत पुन्हा शून्यावर येऊन दिशा बदलतो आणि विरुध्द दिशेने वाढत वाढत वाहतो. अशा एका आवर्तनाला 'सायकल' म्हणतात आणि एका सेकंदात अशी पन्नास आवर्तने होतात. विजेचा दाब ज्या प्रमाणात वाढत किंवा कमी होत जातो त्याच प्रमाणात विजेचा प्रवाहसुध्दा कमी व जास्त होत असतो. पण ही आवर्तने इतक्या जलद गतीने होत असल्यामुळे
मानवी संवेदनांना ती समजत नाहीत.
दिवा, गीजर व शेगडी यासारख्या उपकरणात विशिष्ट धातूंपासून तयार केलेली फिलॅमेंट किंवा कॉइल बसवलेली असते. विजेच्या प्रवाहाला तिच्यातून जातांना कसून विरोध होतो आणि त्या विरोधाला न जुमानता त्यातून वीज वहात राहते. विजेच्या प्रवाहाला होणा-या विरोधामुळे त्यात जो संघर्ष होतो त्यातून ऊष्णता निर्माण होते. कोणत्याही दिशेने वीज वहात असली तरी त्याला तितक्याच निकराने विरोध केला जातो आणि या विरोधावर मात करून विजेचा प्रवाह होत राहिला तरी त्या विरोधाची धार यत्किंचितही कमी होत नाही. त्यामुळे दिव्याचा प्रकाश आणि इस्त्रीतली धग टिकून राहते. या भाराला 'रेझिस्टिव्ह लोड' म्हणतात. यात दाब आणि प्रवाह हे दोन्ही साथसाथच कमी व जास्त होत असतात. त्यातून जेवढी ऊर्जा तयार होते तेवढी वीज 'खर्च' झाली असे आपण समजतो आणि त्याचे बिल भरतो. प्रत्यक्षात जेवढी वीज एका तारेमधून आपल्या घरात येते तेवढीच वीज आपले काम करून दुस-या तारेने परत गेलेली असते.
पंख्यासारख्या फिरणा-या यंत्रांमध्ये 'इंडक्शन मोटर' चा उपयोग केला जातो. त्यात एक 'स्टेटर' म्हणजे स्थिर भाग असतो आणि दुसरा 'रोटर' म्हणजे फिरणारा भाग असतो. विजेच्या दाबामुळे 'स्टेटर' मध्ये चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते आणि त्याची तीव्रता दाबातल्या बदलाबरोबर कमी जास्त होत राहते. 'स्टेटर' ची रचना अशा प्रकारे केलेली असते की ते चुंबकीय क्षेत्र एक फिरत राहणारे क्षेत्र (रोटेटिंग) तयार होते. त्याच्या प्रभावाखाली 'रोटर' आकर्षित होतो आणि तो ही गोल फिरतो. ( समजण्यासाठी हे थोडे सोपे करून लिहिले आहे.) रोटरवरील विद्युतवाहक एकाद्या डायनॅमोप्रमाणे चुंबकीय क्षेत्रात वावरत असल्यामुळे त्यात विजेची निर्मिती होते आणि ती वीज सर्किटमध्ये येते. अशा प्रकारे 'इंडक्शन मोटर'ला फिरवण्यासाठी जेवढी वीज तिला दिली जाते त्यातला बराचसा भाग परत मिळतो. मात्र पंख्याच्या फिरणा-या पात्यांना हवेकडून विरोध होत असतो, चुंबकीय क्षेत्रात होत असलेल्या बदलांना अंतर्गत विरोध होत असतो आणि वाइंडिंगमधून जाणा-या विद्युतप्रवाहाला थोडा अवरोध होत असतो या सर्वांसाठी कांही ऊर्जा लागते तेवढी वीज 'खर्च' होते. या सर्व क्रियेत अगदी किंचित असा विलंब होतो. त्यामुळे विजेच्या प्रवाहात होणारा बदल तिच्या दाबात होणा-या बदलाच्या थोडा मागे पडतो. अशा भाराला 'इंडक्टिव्ह लोड' असे म्हणतात.
कपॅसिटरचे गुणधर्म वेगळ्या प्रकारचे असतात. त्यात विजेचा प्रवाह सोडला की त्याच्या अंतर्गत विजेचा दाब वाढत जातो. पुरेशा क्षमतेचा कपॅसिटर घेतल्यास त्याला जोडलेल्या तारेमधील विजेचा दाब जास्तीत जास्त जेवढा वाढेल तेवढा तो कपॅसिटर 'चार्ज' होतो. पण 'एसी' विजेचा दाब त्यानंतर लगेच कमी व्हायला लागतो. तसे झाल्यावर तो कपॅसिटर 'डिसचार्ज' होऊ लागतो आणि त्यातून उलट दिशेने विजेचा प्रवाह वाहू लागतो. अशा प्रकारे तोसुध्दा सेकंदाला पन्नास वेळा दोन्ही दिशांनी चार्ज व डिस्चार्ज होत राहतो. यामुळे त्या सर्किटमध्ये जे विजेचे चक्र निर्माण होते त्यात आधी विजेचा प्रवाह वाहतो आणि नंतर तिचा दाब वाढतो त्यामुळे विजेच्या प्रवाहात होणारा बदल तिच्या दाबात होणा-या बदलाच्या थोडा पुढे असतो. अशा भाराला 'रिएक्टिव्ह लोड' असे म्हणतात.
'इंडक्टिव्ह लोड' आणि 'रिएक्टिव्ह लोड' या दोन्हीमध्ये दिलेल्या विजेचा बराच मोठा भाग परत मिळत असला तरी त्या उपकरणांना चालवण्यासाठी जास्तीची वीज आधी देत रहावे लागते. मुबलक वीजपुरवठा उपलब्ध असला तर आवश्यक तेवढी वीज सहज पुरवता येते, पण जेंव्हा पुरेशा प्रमाणात वीज तयारच होत नसेल तर ती कोठून देणार? घरगुती वापरात मुख्यत्वे 'रेझिस्टिव्ह आणि इंडक्टिव्ह लोड' असतात. त्यांचा उपयोग जो तो आपल्या इच्छेनुसार आणि सोयीनुसार करत असतो. त्यामुळे विजेची मागणी क्षणाक्षणाला बदलत असते. पण वीजकेंद्रांची क्षमता मर्यादित असते. एकंदर मागणी त्या क्षमतेपेक्षा जास्त झाली तर ती पुरवणे शक्य नसते यामुळे नाइलाजाने विजेचे भारनियमन करावेच लागते. पण हे नियमनसुध्दा उपलब्ध असलेल्या यंत्रणेमार्फतच करता येणे शक्य असते. ते क्षणाक्षणानुसार करता येत नाही किंवा एकेकट्या वेगवेगळ्या लोडसाठी करता येत नाही. त्यासाठी कोणता ना कोणता संपूर्ण विभागच काही काळ बंद करावा लागतो. मागणी आणि पुरवठा यात सारखाच तुटवडा येत राहिला तर ते रोजचेच होऊन जाते. हे काम करणारी माणसेच असल्यामुळे त्यात घोटाळे होण्याची शक्यता असते.
या परिस्थितीचा सामना करण्यासाठी अनेक प्रकारचे उपाय योजले जाऊ शकतात. विजेच्या वापरात काटकसर करून जेवढी वीज उपलब्ध असेल तेवढ्यावरच भागवणे हा सर्वात सरळ उपाय आहे, पण तो सोयीचा नाही. कमी पडणारी वीज जनरेटर लावून स्वतःच निर्माण करणे हा दुसरा उपाय खर्चिक आहे आणि सर्वांना ते शक्य नसते. 'इंडक्टिव्ह लोड' च्या जोडीला 'रिएक्टिव्ह लोड' लावले तर ते एकमेकांना पूरक बनू शकतात. 'इंडक्टिव्ह लोड' मधून 'रिएक्टिव्ह लोड' ला आणि 'रिएक्टिव्ह लोड' कडून 'इंडक्टिव्ह लोड' ला जास्तीची वीज मिळू शकते. यामुळे उपलब्ध असलेल्या विजेचा अधिक चांगल्या प्रकाराने वापर करता येतो. पण हे काम एकट्या दुकट्याने करून विशेष फरक पडणार नाही. त्यासाठी सहकार्याने सामूहिक प्रयत्न करणे आवश्यक आहे. त्यात कोणाचा प्रत्यक्ष फायदा होत आहे याचा संकुचित विचार बाजूला ठेवावा लागेल.
इन्व्हर्टरचा उपयोग करून विजेच्या टंचाईचा प्रश्न आपल्या घरापुरता सोडवता येतो. इन्व्हर्टर बरोबर येणारा आकाराने सर्वात मोठा आणि जड भाग म्हणजे मोटारीत बसवतात त्याच प्रकारची पण जास्त क्षमतेची एक बॅटरी असते. अशा बॅटरीमध्ये विजेचा संचय करून ठेवणे शक्य असते, पण ती एकाच दिशेने वाहणारी (डायरेक्ट करंट) 'डीसी' या प्रकारचीच असू शकते. घरातल्या एसी विजेचे रूपांतर डीसी मध्ये करण्यासाठी इन्व्हर्टरमध्ये एक रेक्टिफायरचे सर्किट असते. ज्या वेळी बाहेरून एसी वीज पुरवठा उपलब्ध असतो तेंव्हा हा रेक्टिफायर बॅटरीला चार्ज करून तिला सुसज्ज ठेवतो. जेंव्हा वीज 'जाते' तेंव्हा आपोआप बॅटरीमधून वीजपुरवठा सुरू होतो आणि ती डिसचार्ज होत जाते. या वेळी इन्व्हर्टरमधले दुसरे सर्किट डीसी विजेचे रूपांतर एसी मध्ये करून ती वीज आपल्या घरातील ठराविक उपकरणांना पुरवते. ही सारी उपकरणे एसी विजेवर चालत असल्याकारणाने हे आवश्यक आहे. बॅटरीमधून किती वेळ आणि किती प्रमाणात वीजपुरवठा करणे शक्य आहे हे तिच्या आकारावर अवलंबून असते. बँका, हॉस्पिटल्स वगैरेमध्ये अनइंटरप्टेड पॉवर सप्लाय (यूपीएस) ची सोय ठेवतात. ती खूप वेळ चालू शकते. घरात तेवढी जागाही नसते आणि त्याचा खर्च परवडणार नाही. त्यामुळे अगदी अत्यावश्यक अशा मर्यादित उपयोगांसाठी
बेताच्या आकाराचा इन्व्हर्टर बसवला जातो. पण एसी मधून डीसी आणि परत एसी या परिवर्तनात बरीच वीज वाया जाते. त्यामुळे त्यात आपली सोय होत असली तरी त्याचे मूल्य द्यावेच लागते.