Вентильные преобразователи

§ 4,4. Вентильные фотоэлементы

Принцип действия вентильного (фотогальванического) фотоэлемента основан на использовании запирающего слоя, образуемого между полупроводником с /7-электропроводностью и полупроводником с «-электропроводностью. Для вентильных фотоэлементов применяют закись меди, селен, сернистый таллий, сульфид кадмия и кремний. Широкое распространение получили селеновые вентильные фотоэлементы. Селеновый фотоэлемент ( 4.4, а) изготовляют следующим образом. На диск / из никелированной стали или алюминия наносят методом напыления в вакууме слой селена 2, который путем нагрева переводят в кристаллическое состояние. После этого на поверхность селена методом катодного распыления наносят очень тонкий полупрозрачный слой 5 золота или серебра. На поверхности металла укрепляют защитную прозрачную пленку и контактное кольцо 4. Запирающий слой 3 возникает на границе селена и напыленного полупрозрачного слоя металла.

Начиная с 1954 г., вентильные фотоэлементы стали применять для изготовления солнечных батарей, непосредственно преобразую-

§ 4.4. Вентильные фотоэлементы...................... 151

Внутренний фотоэффект, сопровождающийся переходами электронов и дырок внутри полупроводника из связанных состояний в свободные, имеет два проявления. Первое из них состоит в том, что в результате появления свободных носителей заряда изменяется сопротивление полупроводника. Фотоприемники, работающие на этом принципе, называются фоторезисторами. Второе проявление заключается в возникновении фото-э. д. с. на границе двух контактирующих материалов. Фотоприемники, основанные на этом явлении, называются вентильными (фотогальваническими) фотоэлементами. Вентильные фотоэлементы являются генераторными преобразователями.

Следует отметить, что вентильные фотоэлементы обладают большой инерционностью, из-за чего они могут быть использованы лишь при постоянных световых потоках.

Фотодиодами называют вентильные фотоэлементы, используемые преимущественно в диодном режиме работы, т. е. с внешним источником напряжения, подключенным к фотоэлементу в обратном направлении. При таком включении потенциальный барьер возрастает и определяется внешним напряжением. Условия проникновения неосновных носителей через р — n-переход существенно облегчаются, а обратное сопротивление этого перехода резко возрастает. В результате возрастает чувствительность, а световые характеристики становятся линейными в широком диапазоне световых потоков.

Вентильный фотоэлемент представляет собой полупроводниковый элемент с запирающим слоем, в котором под действием светового потока между электродами возникает э. д. с. Вентильные фотоэлементы обладают значительной инерционностью, из-за чего они применяются лишь при постоянных световых потоках.

Фотодиодами называют вентильные фотоэлементы, используемые преимущественно в диодном режиме работы, т. е. с внешним источником напряжения, подключенным к фотоэлементу в обратном направлении. При таком включении потенциальный барьер возрастает, в результате чего переход неосновных носителей заряда через р—га переход существенно облегчается, а обратное сопротивление перехода резко возрастает. Вследствие этого возрастают чувствительность и линейность световых характеристик в широком диапазоне световых потоков. Наибольшее распространение получили кремниевые и германиевые фотодиоды ФДК и ФД.

По принципу действия фотоэлементы делятся на следующие группы: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления) и вентильные фотоэлементы.

Вентильные фотоэлементы имеют спектральную чувствительность, как и глаз человека.

Эти показатели определяются качеством построения и уровнем эксплуатации всей системы электроснабжения, в которую входит комплекс устройств для производства, передачи и распределения электрической энергии. Однако на качественные показатели (кроме отклонения частоты) влияют и некоторые электроприемники: вентильные преобразователи, мощные электротермические установки (особенно дуговые сталеплавильные печи), электросварочные установки, электродвигатели в период пуска и т. д.

техники путем ее использования в тиристорных электроприводах переменного и постоянного тока, вентильных преобразователей для электротермических и электротехнологических установок различного назначения. Наряду с нелинейными нагрузками, в качестве которых будем рассматривать вентильные преобразователи, значительное распространение в системах электроснабжения получают несимметричные нагрузки, т. е. такие потребители электроэнергии, симметричное исполнение и режимы работы которых невозможны или нецелесообразны по конструктивным, технологическим и экономическим соображениям. Большое распространение в промышленности получили следующие несимметричные потребители электроэнергии: дуговые сталеплавильные печи трех- и однофазного исполнения; однофазные установки электрошлакового переплава мощностью до 10000 кВ-А; однофазные индукционные печи мощностью 160—16 000 кВ-А; РТП и графитировочные; хлораторы и др. При этом многие несимметричные нагрузки имеют существенно нелинейный характер.

Наиболее эффективно расчет сложных электрических цепей, содержащих электрические машины, вентильные преобразователи, линии электропередачи и т. д., может быть осуществлен на основе принципа макромоделирования. Суть этого принципа заключается в использовании диакоптических методов (методов расчета сложных цепей по частям), основанных на предварительном создании таких математических моделей сложных устройств — макромоделей, схемы замещения которых на каждом шаге расчета представляют собой полные многополюсники с числом узлов, равным числу граничных узлов устройств. Исключение внутренних узлов в моделях таких устройств позволяет сократить размерность синтетической схемы замещения всей цепи.

Для устранения этого недостатка вентильные преобразователи, как правило, снабжают трансформаторами, обеспечивающими стандартное выходное напряжение при принятой схеме включения вентилей. Кроме того, ряд схем включения вентилей требует обязательного применения трансформатора. Трансформаторы, применяемые для этой цели, называют преобразовательными. Их мощность достигает тысяч киловольт-ампер, а напряжение 110 кВ; работают они при частоте 50 Гц и более. Рассматриваемые трансформаторы выполняют одно-, трех- и многофазными с регулированием выходного напряжения в широких пределах и без регулирования;

Развитие электроэнергетики и электротехники тесно связано с электроникой. Сложность процессов в энергосистемах, высокая скорость их протекания потребовали широкого внедрения для расчета режимов и управления процессами электронных вычислительных машин (ЭВМ), связанных с системой сложными электронными устройствами и снабженных развитыми устройствами для отображения информации. Основные процессы производства автоматизируются на основе современных устройств информационной электроники, в которых в последние годы широко применяются интегральные, микросхемы и микропроцессоры. Не менее тесно связана с энергетикой и электромеханикой энергетическая электроника. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии являются одним из основных нагрузочных элементов сетей, их работа во многом определяет режимы работы сетей. Вентильные преобразователи используются для питания электроприводов и электротехнологических установок, для возбуждения синхронных электрических машин и в схемах частотного пуска гидрогенераторов. На основе полупроводниковых вентильных преобразователей созданы линии электропередач постоянного тока большой мощности и вставки постоянного тока.

Вентильные преобразователи широко применяются для преобразования электрической энергии, вырабатываемой и передаваемой в виде переменного напряжения стандартной частоты /о = 50 Гц в электрическую энергию другого вида — в постоянный ток или переменный ток с нестанда-

Таким образом, значительное число потребителей электроэнергии большой мощности подключается к промышленной сети через вентильные преобразователи различных типов. Вентильные преобразователи являются в настоящее время одним из самых распространенных потребителей электрической энергии в сетях, причем их суммарная мощность соизмерима с мощностью сети. Вентильные преобразователи являются нелинейной нагрузкой сети, и их работа сильно влияет на режимы сети и качество электрической энергии.

И, наконец, в последние годы интенсивно разрабатываются новые способы получения электрической энергии. И здесь находят широкое применение вентильные преобразователи. Так МГД-электростанция нуждается в инверторах для преобразования постоянного тока, вырабатываемого МГД-генератором, в ток промышленной частоты. В работах по управляемому термоядерному синтезу, которые широко ведутся в настоящее время, также используются вентильные преобразователи. Преобразователи нужны и для таких нетрадиционных источников электроэнергии, как солнечные батареи, термохимические генераторы, генераторы, использующие энергию ветра, и т. п.

ной величины, достаточно вспомнить вентильные преобразователи для линий передач постоянного тока. В преобразователях, рассчитанных на большие токи Id г(на практике— единицы килоампер и выше), применяют параллельное соединение вентилей, а в преобразователях па большие напряжения Ud (единицы киловольт и выше) — последовательное соединение вентилей.

Во многих электрических сетях и системах вентильные преобразователи являются одним из основных видов нагрузки. Преобразователь является для сети нелинейной нагрузкой, и его работа оказывает влияние на режимы работы сети, особенно если мощности преобразователя и сети соизмеримы. Поэтому при проектировании как электрических сетей, так и вентильных преобразователей необходимо учитывать влияние преобразователей па питающую сеть. Только в этом случае создаются установки с высокими технико-экономическими показателями. Данный вопрос привлекает большое внимание как специалистов в области электроэнергетики и электротехники, так и разработчиков преобразовательных устройств и требует их совместной работы.

т. е. вентильные преобразователи потребляют из сети наряду с активной мощностью реактивную мощность по 1-й гармонике и мощность искажения.