શક્તિ–પરિવર્તકો (power-convertors) : વીજપ્રવાહના દબાણના તરંગોમાં ફેરફાર કરવા વપરાતાં ઇલેક્ટ્રૉનિક સાધનો. 1957માં સિલિકોન-કંટ્રોલ્ડ રેક્ટિફાયર(SCR)ની શોધ અને ત્યારબાદ તેમાં થયેલ વિકાસે – ખાસ કરીને થાઇરિસ્ટરોએ ઇલેક્ટ્રિક એન્જિનિયરિંગમાં એક નવી જ શાખા ઊભી કરી, જેને પાવર-ઇલેક્ટ્રૉનિક્સ કહેવાય છે. પાવર-ઇલેક્ટ્રૉનિક્સમાં શક્તિ(પાવર)-પરિવર્તકો (power-convertors) મુખ્ય સાધનો છે. આ પરિવર્તકોનો વ્યાપ વિશાળ છે મિલી-વૉટની રમકડાની મોટરથી માંડી હજારો મેગા-વૉટની HVDC (High Voltage Direct Current) સિસ્ટિમ સુધીનો. પાવર-કન્વર્ટરમાં નોંધવા જેવી બાબત એ છે કે તેની કાર્યદક્ષતા 95 %થી 99 % સુધીની હોય છે તેમજ તે દ્વારા પ્રાપ્ત થતો અંકુશ સ્વનિયંત્રિત તેમજ ઝડપી હોય છે. એમ મનાય છે કે આવી રહેલા દિવસોમાં વિદ્યુત-ઉત્પાદન-પ્રસારણ તેમજ ઉપયોગના સ્તરે પસાર થતો બધો વીજપ્રવાહ એક યા બીજી રીતે પાવર-ઇલેક્ટ્રૉનિક પરિવર્તકોમાંથી જ પસાર થતો હશે.
આકૃતિ 1 : થાયરિસ્ટર-બેઇઝ્ડ સ્ટેટિક VAR કંટ્રોલર (SVC)
પરિસ્થિતિ એવી છે કે જ્યાં વિદ્યુતનું ઉત્પાદન થાય છે ત્યાં તે ચોક્કસ દબાણ અને ચોક્કસ આવૃત્તિ(frequency – 50 or 60 hz)ની જ હશે, જ્યારે જ્યાં તે વપરાય ત્યાં ઉપભોક્તાઓની જરૂરિયાતમાં સમયે સમયે (સમયાંતરે) ફેરફાર થતો રહે એટલે કે તેની જરૂરિયાત એ.સી. અથવા ડી.સી., ચોક્કસ કે ફેરફાર કરી શકાય તેવી આવૃત્તિ, ઉચ્ચ કે ઓછું (નિમ્ન) વીજદબાણ, નિશ્ચિત કે ફેરફાર કરી શકાય તેવું વીજદબાણ એમ અનેક ફેરફારવાળી વિદ્યુતની જરૂરિયાત ઊભી થાય છે. આ ઉપરાંત જો વિદ્યુત બિનપરંપરાગત સ્રોતો(જેવા કે સૌરઊર્જા, પવન)માંથી મળતી હોય તો તે એકધારી મળી ન શકે. આ કારણસર ઉપભોક્તાઓને પોતાને મળતા ઇલેક્ટ્રિક પાવર ઉપયોગ જરૂરિયાત પ્રમાણે બંધબેસતો ફેરફાર કરી શકે તેવી પદ્ધતિ(modulating system)ની જરૂરિયાત ઊભી થાય છે. (જુઓ આકૃતિ 1.)
અહીં ઉત્પાદિત વીજશક્તિઓથી બહુ ઉચ્ચ કાર્યદક્ષતા સાથે જોઈએ તે પ્રમાણેનાં વીજદબાણ અને આવૃત્તિવાળી વીજશક્તિ મળી રહે છે. શક્તિપરિવર્તકોનું આ પ્રદાન છે. શક્તિપરિવર્તકો અનેક ક્ષેત્રોમાં વપરાય છે.
(i) પ્રકાશ (lighting) માટે : પ્રકાશ ધીમો કરવા, ફલૅશિંગ માટે, ફ્લૉરેસન્ટ ટ્યૂબો, લૅમ્પ (compact flurocent lamps CFL), ફોટોગ્રાફિક પ્રોસેસર, ખોરાક ગરમ કરવા માટેની ટ્રે, ટ્રાફિક સિગ્નલ-નિયંત્રણ અને ઇલેક્ટ્રૉનિક રમકડાં માટે – એમ અનેક જગ્યાએ.
(ii) ગરમ કે ઠંડું કરવા : ઓરડા ગરમ કરવા, ઇલેક્ટ્રિક બ્લૅન્કેટો, ઇલેક્ટ્રિક ડ્રાયર, ઑટોમોબાઇલમાં ઇલેક્ટ્રૉનિક ઇગ્નિશન, ભઠ્ઠીઓ, ગરમી-નિયંત્રકો, માઇક્રોવેવ, ઇલેક્ટ્રિક-આર્ક-ફર્નેસ (ભઠ્ઠી) ‘હાઇફ્રિક્વન્સી હીટિંગ’, ઍરકન્ડિશનરો, ડીપફ્રીઝરો અને રેફ્રિજરેટરો વગેરે માટે.
(iii) વેલ્ડિંગ : ઇલેક્ટ્રિક-આર્ક વેલ્ડિંગ, ઇલેક્ટ્રિક-રેઝિસ્ટન્સ વેલ્ડિંગ અને ઇલેક્ટ્રૉન-બીમ વેલ્ડિંગ માટે.
આકૃતિ 2 : અનેક પાવર-ઇલેક્ટ્રૉનિક-નિયંત્રકો અને પરિવર્તકોનો ઉપયોગ કરતો રૉબોટ
(iv) પાવર–પ્રદાન (power supplies) : ચાલુ એ.સી.માંથી ડી.સી. પાવર, સ્વિચ મોડ પાવર સપ્લાય (smps), ઍરક્રાફ્ટ પાવર, બૅટરી ચાર્જર, લેઝર-પાવર, કમ્પ્યૂટર-પાવર, UPS (uninterepted power supply), એ.સી. વોલ્ટેજ રેગ્યુલેટરો, નિયંત્રિત ડી.સી. સપ્લાય, રડાર-પાવર, હાઇ-વોલ્ટેજ પાવર, CRO (cathode ray oscilloscope) પાવર, સૌર-ઊર્જા સિસ્ટિમમાં નિયંત્રણ વગેરે માટે.
(v) ગતિનિયંત્રણ (speed control) : પંખાઓ, રૂમકૂલરો, હીટ-કન્વર્ટરો, ફૂડ-બ્લેન્ડરો, ગ્રાઇન્ડરો, કમ્પ્યૂટર ડિસ્ક ડ્રાઇવ, બૉઇલરોના પંપો અને પંખાઓ, સિમેન્ટ-કિલ્ન, સ્ટીલ રોલિંગ મિલ, ઍરકન્ડિશનિંગ અને રેફ્રિજરેટિંગ સિસ્ટિમમાં કૉમ્પ્રેસરો, કન્વેયરો, ક્રેઇન, હૉઇસ્ટ, ઇલેક્ટ્રિક વાહનો (EV), મશીન ટૂલ્સ, ઇલેક્ટ્રિક અને ડીઝલ ટ્રૅક્શન (એન્જિનો), શિપ-પ્રોપલ્ઝન, જુદા જુદા મોટર-કંટ્રોલરો, તેલ-કૂવાનાં ડ્રિલિંગ ગેજેટો, ફોટો કૅમેરા, વૅક્યૂમ-ક્લીનરો, ફોટોસ્ટેટ (ઝેરોક્સ) મશીન, વૉશિંગ મશીન, વૉટર-કૂલરો, રૉબોટ – એમ અનેકવિધ સાધનોમાં. આ રીતે પાવર-ઇલેક્ટ્રૉનિક્સનાં સાધનો(પાવર-કન્વર્ટરો)નું ક્ષેત્ર ઘણું વિશાળ છે.
પાવર–ઇલેક્ટ્રૉનિક કન્વર્ટરોના પ્રકારો : કન્વર્ટરો(પરિવર્તકો)ને નીચે પ્રમાણે જુદા-જુદા પ્રકારોમાં મૂકી શકાય :
(1) અનિયંત્રિત રેક્ટિફાયર (પ્રવર્તક એ.સી. ટુ ડી.સી.) : નિશ્ચિત એ.સી. દબાણની વિદ્યુતશક્તિને દબાણવાળી વિદ્યુતશક્તિમાં પરિવર્તન કરતું સાધન.
(2) નિયંત્રિત કન્વર્ટર : (એ.સી. ટુ ડી.સી.) : નિશ્ચિત એ.સી. દબાણની વિદ્યુતશક્તિને ફેરફાર કરી શકાય તેવી દબાણવાળી ડી.સી. વિદ્યુતશક્તિમાં ફેરવતું પ્રવર્તક.
(3) એ.સી. ફેઇઝ કંટ્રોલ્ડ સ્વિચિંગ અથવા એ.સી. રેગ્યુલેટર (એ.સી. ટુ એ.સી.) : અહીં નિશ્ચિત દબાણના એ.સી. વિદ્યુતપાવરને ફેરફાર કરી શકાય તેવા વીજદબાણવાળા વિદ્યુતપાવરમાં ફેરવી શકાય.
(4) સાઇક્લો–કન્વર્ટર (એ.સી. ટુ એ.સી.) : નિશ્ચિત એ.સી. ઇનપુટ વીજદબાણ અને આવૃત્તિવાળા વિદ્યુતપાવરને નીચી વીજ-આવૃત્તિ (cycles) અને ફેરફાર કરી શકાય તેવા દબાણવાળો વિદ્યુતપાવર મેળવવા માટેનું કન્વર્ટર.
(5) ઇન્ટિગ્રલ સાઇકલ કંટ્રોલ (એ.સી. ટુ એ.સી. અને એ.સી. ટુ ડી.સી.) : ઇનપુટ સપ્લાયમાં ઑન / ઑફ કંટ્રોલ વડે વીજદબાણમાં ફેરફાર થઈ શકે તેવો આઉટપુટ મેળવવા માટેનું કન્વર્ટર.
(6) ડિસકન્ટિન્યુઅસ ફેઇઝ–કંટ્રોલ્ડ સ્વિચિંગ (એ.સી. ટુ એ.સી. અને એ.સી. ટુ ડી.સી.) : આઉટપુટમાં સૂક્ષ્મ (fine) અને મોટાં (coarse) નિયંત્રણો મેળવવા ઇનપુટ સ્તરે ‘ફેઇઝ-કંટ્રોલ સ્વિચિંગ’ સાથે ‘ઇન્ટિગ્રલ-સાઇકલ કંટ્રોલ્ડ સ્વિચિંગ’નો ઉપયોગ કરતું કન્વર્ટર.
(7) ‘ચોપર’ અથવા ‘ડી.સી. કન્વર્ટર’ (ડી.સી. ટુ ડી.સી.) : ઇનપુટ સ્તરે નિશ્ચિત ડી.સી. વીજદબાણવાળા વિદ્યુતપાવરને ફેરફાર કરી શકાય તેવા ડી.સી. વીજદબાણવાળા વિદ્યુતપાવર મેળવવા માટેનું ઉપકરણ.
(8) ‘ઇન્વર્ટર’ (ડી.સી. ટુ એ.સી.) : ડી.સી. વીજદબાણમાંથી આવૃત્તિમાં ફેરફાર કરી શકાય તેવો એ.સી. વીજપાવર મેળવવા માટે વપરાતું સાધન.
(9) ‘પલ્સ વિડ્થ મૉડ્યૂલેટેડ ઇન્વર્ટર’ (ડી.સી. ટુ એ.સી.) : ડી.સી. ઇનપુટ દબાણમાંથી ફેરફાર કરી શકાય તેવા દબાણ અને આવૃત્તિવાળો વીજપ્રવાહ મેળવવા માટેનું સાધન.
આકૃતિ 3 : થાઇરિસ્ટર-આધારિત થ્રી ફેઇઝ, 6 પલ્સ, 50 Hz, 440 V, 3000 kw, એ.સી., ડી.સી. પરિવર્તક
આકૃતિ 3માં આ બધા પ્રકારનાં પરિવર્તકોમાં ઇનપુટ અને આઉટપુટમાં વીજદબાણ અને આવૃત્તિ કેવી મળશે તે દર્શાવ્યું છે.
ઉપરનાં જુદાં જુદાં કન્વર્ટરોને ઇનપુટના ખાસ સંદર્ભે બે રીતે જુદાં પાડી શકાય : (1) જેમાં ઇનપુટ એ.સી. અથવા ડી.સી. સપ્લાય હોય અને વીજદબાણ અને આવૃત્તિ સ્થાયી (constant) હોય અને તેમાંથી મળતો આઉટપુટ એ.સી. અથવા ડી.સી. હોય; પરંતુ વીજદબાણ અથવા આવૃત્તિમાં અથવા બંનેમાં ફેરફાર થઈ શકતો હોય. (2) જેમાં ઇનપુટ ડી.સી. સપ્લાય હોય તેમજ વીજદબાણ સ્થાયી હોય, પરંતુ આઉટપુટ ડી.સી. અથવા એ.સી. હોય અને પલ્સ-પહોળાઈ મૉડ્યૂલેટેડ હોય.
એ.સી. વોલ્ટેજમાંથી મળતા ડી.સી. વોલ્ટેજ આઉટપુટનું નિયંત્રણ કરવા માટે ઘણી રીતો છે; જેવી કે ટૅપિંગ વ્યવસ્થાવાળાં ટ્રાન્સફૉર્મર અથવા ઑટોટ્રાન્સફૉર્મર સાથે જોડાયેલાં ડાયૉડ બ્રિજ. આ રીત ઘણી સાદી છે પણ તેનાં કદ, વજન અને ટ્રાન્સફૉર્મરની કિંમતને લીધે હવે પસંદગી પામતી નથી. શરૂઆતમાં આ રીત ડી.સી. મોટરના વોલ્ટેજને અંકુશમાં રાખવા માટે ઉપયોગમાં લેવામાં આવતી હતી. શરૂઆતમાં તેનો ઉપયોગ ભારતીય રેલવેમાં ડી.સી. ટૅ્રક્શન મોટર માટે સારા પ્રમાણમાં થયો હતો.
આકૃતિ 5 : ટ્રાન્સફૉર્મર વાપરતાં પરંપરાગત એસી-ટુ-ડીસી કન્વર્ટરો
જે રીતમાં ફક્ત ડાયૉડનો જ ઉપયોગ કરવામાં આવે છે તેને નિરંકુશ પરિવર્તક કહેવામાં આવે છે. જે રીતમાં ડાયૉડ ઉપરાંત થાયરિસ્ટર(silicon controlled rectifier SCR)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે તેને અર્ધઅંકુશિત પરિવર્તક કહેવામાં આવે છે.
આકૃતિ 4 : જુદાં જુદાં પાવર ઇલેક્ટ્રૉનિક કન્વર્ટરમાં મળતા આઉટપુટ તરંગસ્વરૂપો
થાયરિસ્ટરના સ્વિચ ખૂણાઓને અંકુશમાં રાખી આઉટપુટ ડી.સી. વોલ્ટેજને ગોઠવવામાં આવે છે. જે રીતમાં માત્ર થાયરિસ્ટરનો જ ઉપયોગ થાય છે તેને પૂર્ણ અંકુશિત પરિવર્તક કહે છે. આ કિસ્સામાં વીજપ્રવાહની દિશા તેવી જ (પૂર્વવત્) રહે છે, પરંતુ આઉટપુટ ડી.સી. વોલ્ટેજ ઊલટો થઈ જાય છે. આ પ્રક્રિયાને પરિવર્તન કહેવામાં આવે છે. આ સ્થિતિમાં કામ કરતા પરિવર્તકને પ્રતીપક (rectifier) કહેવાય છે. જ્યારે બંને અર્ધતરંગો(half waves)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે ત્યારે તેને પૂર્ણ તરંગ પરિવર્તક અને જ્યારે ધનાત્મક કે ઋણાત્મક અર્ધ આવર્તન વોલ્ટેજ (half wave) ભારને પ્રયુક્ત કરવામાં આવે છે ત્યારે અર્ધતરંગ પરિવર્તક કહેવામાં આવે છે. પ્રાવસ્થા(phase)ના સંદર્ભમાં એક પ્રાવસ્થા (single phase) પરિવર્તક અને ત્રણ પ્રાવસ્થા (three phase) પરિવર્તકો એમ બે પ્રકાર છે.
શક્તિપરિવર્તકોમાં એકદિશકારી, પ્રતીપક, એ.સી. નિયામક, ખંડિત અને ચક્રીય પરિવર્તકો મુખ્ય છે.
આકૃતિ 6 : પ્રતિરોધક ભાર
આકૃતિ 7 : પ્રતિરોધક ભાર અને પ્રેરક ભાર
અર્ધતરંગ, એક પ્રાવસ્થા પ્રતીપક વીજપથ એ એ.સી.માંથી ડી.સી. નિશ્ચિત (સ્થાયી) વોલ્ટેજ આઉટપુટ પરિવર્તક છે. જો ઑટોટ્રાન્સફૉર્મર વાપરવામાં આવે તો ઇચ્છિત ડી.સી. આઉટપુટ વોલ્ટેજ મેળવી શકાય છે. આકૃતિ 6માં પ્રતિરોધક ભાર (resistance load) સાથે અર્ધતરંગ અંકુશરહિત પરિવર્તક દર્શાવેલ છે. આકૃતિ 7માં પ્રતિરોધ (resistance) અને પ્રેરક (induction) ભાર (RL) અને જુદા જુદા પ્રકારના ઉત્પન્ન થતા તરંગો દર્શાવવામાં આવ્યા છે. પ્રેરક ભાર શરૂઆતના ધનાત્મક અર્ધતરંગ દરમિયાન શક્તિ સંગ્રહ કરે છે અને ઋણ અર્ધતરંગ દરમિયાન વીજપ્રવાહનું નિયમન કરે છે. આની જગ્યાએ થાયરિસ્ટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવે તો ઇચ્છિત ડી.સી. આઉટપુટ વોલ્ટેજ મેળવી શકાય છે. અર્ધતરંગ અંકુશિત પરિવર્તકો ભાગ્યે જ વપરાય છે. તેની જગ્યાએ પૂર્ણતરંગ 2 સ્પંદ(2 pulse)ની ગોઠવણવાળાં અંકુશિત પરિવર્તકો વપરાય છે.
વધુ શક્તિ (પાવર) માટે ત્રણ પ્રાવસ્થા-તંત્ર(three phase system)નો ઉપયોગ કરાય છે. તે લાઇન પ્રવાહ(line load)નું સમતરંગી કરે છે તેમજ વિદ્યુતભાર ઓછો કરે છે. વળી તે પાવર સિસ્ટિમમાં ભારનું સમતોલપણું જાળવવામાં મદદરૂપ બને છે.
ઇચ્છિત એ.સી. વોલ્ટેજ અને આવૃત્તિ મેળવવા ડી.સી. પાવરને એ.સી.માં ફેરવવાની પ્રક્રિયાને પ્રતીપન (inversion) કહે છે. પૂર્ણ અંકુશિત પરિવર્તકમાં થાયરિસ્ટરનો ઉપયોગ થાય છે અને તેને એસી. મેઇન સાથે જોડવામાં આવે છે. આને દિશા-પ્રતીપક (invertor) કહે છે જે લાઇન-આવૃત્તિની કાર્યપ્રવૃત્તિ પ્રમાણે ચાલે છે. આવા પ્રતીપક(invertor)નો ઉપયોગ એ.સી. મોટરની ગતિમાં ફેરફાર, ગરમી ઉત્પન્ન કરનાર પ્રેરક (inductor), ઊંચા વિદ્યુત ટ્રાન્સમિશન તંત્રમાં થાય છે.
હૉસ્પિટલો, સિનેમા/નાટકગૃહો, મોટાં શૉપિંગ સેન્ટરો, હોટેલો, રેસ્ટોરાં વગેરે સ્થળોએ મેઇન સપ્લાયમાંથી થોડા સમય માટે પાવર મળતો બંધ થાય તોપણ ચાર્જ થયેલી બૅટરીઓમાંથી વિદ્યુતશક્તિ (પાવર) મળી રહે તેવી ગોઠવણ કરવામાં આવે છે. આમાં થ્રીફેઇઝ મેઇનમાંથી કન્વર્ટર નિશ્ચિત દબાણ અને આવૃત્તિવાળો એ.સી. પાવર મેળવે છે અને તેને ડી.સી.માં ફેરવે છે, જેના વડે બૅટરીઓ ચાર્જ થાય છે અને એ રીતે શક્તિસંગ્રહ થાય છે. કન્વર્ટર સાથે ઇન્વર્ટર રાખેલું (જોડાયેલું) હોઈ જ્યારે મેઇન્સમાંથી પાવર મળતો બંધ થાય ત્યારે ખાસ સ્વિચ વડે બૅટરી ઇન્વર્ટર સાથે જોડાય છે અને ઇન્વર્ટર ડી.સી. પ્રવાહનું નિશ્ચિત દબાણ અને આવૃત્તિવાળી એ.સી. વિદ્યુતમાં પરિવર્તન કરે છે અને એ રીતે ઉપભોક્તાના સ્થળે તુરંત મૂળ પ્રકારનો એ.સી. વિદ્યુતપ્રવાહ મળી રહે છે. આ સાધનને ‘ઇન્વર્ટર પાવર જનરેટર’ કહેવાય છે.
ગાયત્રીપ્રસાદ હી. ભટ્ટ
નગીનદાસ હી. મોદી