Nr 59
ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
ELEKTRYKA 13 1962
JAN KRAUZE
K a te d r a U rząd zeń E le k tr y c z n y c h
PROSTOWNIKI KRZEMOWE
JAKO ŹRÓDŁA ZASILANIA URZĄDZEŃ ELEKTROLIZY ( p r z e s ł a n k i te c h n ic z n e i ek o n o m iczn e)
S t r e s z c z e n i e : W a r t y k u l e omówiono p o k r ó tc e z a s a d ę d z i a ł a n i a pro sto w n ik ó w krzemowych^ o r a z i c h w ła s n o ś c i w poró w n an iu z w ła s n o ś c ia m i in n y c h u r z ą d z e ń p r z e tw ó r cz y c h . W ś w i e t l e ty c h w ła s n o ś c i p rz e a n a liz o w a n o z p un k tu w id z e n ia te c h n ic z n e g o i ekonom icznego p r z y d a tn o ś ć prostow ników krzemowych do z a s i l a n i a u r z ą d z e ń e l e k t r o l i z y .
1. Uwagi w stę p n e
Yf o s t a t n i c h d z i e s i ę c i o l e c i a c h d a j e s i ę zauw ażyć s i l n y w z ro st z n a c z e n ia p rą d u s t a ł e g o w t e c h n i c e . Ta fo rm a e n e r g i i
e le k tr y c z n e j z n a jd u je c o r a z s z e r s z e z a s to s o w a n ie w p rz e m y śle o raz t r a k c j i . P odczas gdy w d z i e d z i n i e w y tw a rz a n ia i p rz e ~ s y łu e n e r g i i p a n u je w dalszym c ią g u p r ą d zm ienn ys o d b io r c y przem ysłow i w c o ra z w iększym s t o p n i u w ym agają p r ą d u s t a ł e g o . Tę formę e n e r g i i w y k o rz y s tu je w dużym s t o p n i u p rz e m y s ł h u t n i czy a p rzed e w szy stk im chem iczn y , w k tó ry m j u ż d z i ś (wg d a nych z ac h o d n ich ) ok. 40% mocy p o b ie r a n e j e s t w p o s t a c i p r ą du s t a ł e g o .
Z n ajd u je ona w pierw szym r z ę d z ie z a s to s o w a n ie w u r z ą d z e n ia c h w ie lk ic h e l e k t r o l i z przem ysłow ych, n a le ż ą c y c h do n a j b a r d z i e j
ro z w ija ją c y c h s i ę en erg o ch ło n n y ch d z i e d z i n p r z e m y s łu ch em icz nego i m e t a l u r g i i .
J r a z z p o cz ą tk ie m rozw oju ty c h g a ł ę z i t e c h n i k i s t a n ę ł o p rz e d k o n s tru k to ra m i z a g a d n ie n ie s tw o r z e n ia d l a n i c h odpow ie d n ieg o ź r ó d ła e n e r g i i . S to so w an ie g e n e ra to ró w p r ą d u s t a ł e g o , wymagających budowy in d y w idu alny ch e l e k t r o w n i , z o s t a ł o ju ż
j a k wiadomo, dawno z a n ie c h a n e .
Z ac z ęto sto so w a ć dwu i jed n o tw o rn ik o w e p r z e tw o r n ic e m aszyno
we, k tó r e d z iś j a k ź r ó d ło z a s i l a n i a w i e l k ic h e l e k t r o l i z może
my je s z c z e g d z ie n ie g d z ie s p o tk a ć w s t a r y c h u r z ą d z e n ia c h . Za
s t ą p i ł y j e , wprowadzone p r z e d o k o ło 35 l a t y , p r o s to w n ik i r t ę cio w e. S ta n o w iły one u r z ą d z e n ia s p r a w n ie js z e i w y g o d n ie jsz e w u ż y c iu , bo pozbaw ione c z ę ś c i w ir u ją c y c h . V/ l a t a c h c z t e r
d z i e s t y c h p o ja w iły s i ę nowe u r z ą d z e n ia , s ta n o w ią c e poważną k o n k u re n c ję d l a pro stow ników r tę c io w y c h , p r z e tw o r n ic e kon
t a k t owe. Górowały one nad n im i s p r a w n o ś c ią , k t ó r a t u p r z y n a p i ę c iu rz ę d u 800 V w y n o s iła o k o ło 97% (w p o ró w n an iu z w ar
t o ś c i ą 95,8% d l a p ro stow ników r tę c io w y c h ) .
Zadecydow ało t o , i ż w d o ść k ró tk im c z a s i e z a j ę ł y one p ie rw s z e m ie js c e ja k o ź r ó d ł a z a s i l a n i a e l e k t r o l i z . Obok swych oczyw i
s ty c h z a l e t , m ają p r z e tw o r n ic e k o n ta k to w e ró w n ie ż poważne wady, z k tó r y c h je d n ą s ą ruchom e, w ym agające n a d z o ru c z ę ś c i.
P ra c e s z ł y w ięc w k ie ru n k u p o szuk iw ań c o r a z t o le p s z y c h , no
wych ro z w ią z a ń . S ię g n i ę to w d z ie d z in ę p ro sto w n ik ó w su c h y c h . Je d n a k d o ty c h c z a s znane p r o s to w n ik i selen o w e i m iedziow e n ie z n a l a z ł y w d z i e d z i n i e z a s i l a n i a o d b io rn ik ó w w i e l k i e j mocy s z e r s z e g o z a s to s o w a n ia . Głównymi p rz y c z y n a m i te g o b y ło i c h b a rd z o n i s k i e bo w ynoszące z a le d w ie 35 V, n a p i ę c i e zaporowe o ra z n is k a w p oró w n an iu z u rz ą d z e n ia m i te g o ty p u sp ra w n o ść , równa 88%. U z y sk a n ie ja k n a jw ię k s z e j s p ra w n o ś c i j e s t k lu c z o wym zag a d n ie n iem s z c z e g ó ln ie w d z i e d z i n i e u rz ą d z e ń w i e l k i e j mocy, w k tó r y c h każdy j e j p r o c e n t w y raża w s k a l i r o c z n e j ogromne z y s k i e n e r g i i . W o s t a t n i c h c z a s a c h f i z y k a i chem ia d a ły te c h n ic e owe poszukiw ane zdawna u r z ą d z e n i a . Ł ączą one w s o b ie w ie le c e c h , k tó r e w ysuw ają j e n a p ie rw s z y p l a n w śród
z n an e j d o ty c h c z a s a p a r a t u r y . S ą n im i nowe p ó łprzew odnikow e p r o s to w n ik i germanowe i krzemowe.
2 . Z asada d z i a ł a n i a p rostow ników krzemowych ( 3 .6 i 7 ) Zjaw isko p r o s to w a n ia w tym u r z ą d z e n iu p o le g a n a pow staw a
n iu w arstw y zaporow ej m iędzy dwoma o b s z a ra m i k r y s z t a ł u , c h a ra k te r y z u ją c y m i s i ę różnym przew odnictw em ; elek tro n o w y m i dziurowym. N o rm a ln ie , c z y s ty k r y s z t a ł j e s t c ia łe m n i e p r z e w odniczącym . Z jaw isko p rz e w o d z e n ia z a c h o d z i w nim po d oda
n iu odp o w ied nich do m ieszek . R ozróżniam y d o m ie s z k i d o s t a r c z a ją c e s i a t c e k r y s z t a ł u krzemowego e l e k t r o n y tz w . d o n o ry , o ra z p o b ie r a ją c e z t e j s i a t k i e l e k t r o n y , tw o rz ą c w i c h m i e j
s c e d o d a tn ie , d z i u r y , tz w . a k c e p to r y . Donorami s ą p i e r w i a s t k i z V g ru p y u k ła d u o kresow ego, n p . atom S b . U chodząc w s i a t k ę krzem u, p i e r w i a s t k a z g ru p y IV , atom Sb w prow adza
Prostowniki krzemowe jako źródła».. 101
%
w p o łą c z e n ia z 4 s ą s ie d n im i je g o atom am i sw o je 4 e l e k t r o n y w a le n c y jn e , z a ś p i ą t y p o z o s ta w ia w k r y s z t a l e , ja k o e l e k t r o n
ŁV;' . . ■7iS>s .
•¿T-: *
W - • • - • -+ +- - - . ••
K « : -
£/-v;
• -• . rr - - - •
zamykanie przepuszczanie
Rys.1 • Z asada d z i a ł a n i a p r o s to w n ik a p ó łp rzew o dn iko w eg o
n iezw iązan y ( r y s . n r 2 b ) . Je g o e n e r g i a j e s t t a k m a ła i ż n i e w ie lk ie p o le e le k tr y c z n e może go w y t r ą c i ć w o b s z a r p rzew o d z e n ia . A kceptoram i s ą atom y z I I I g r u p y u k ła d u M en d elejew a.
N ależą do n ic h n p . atom y A l. P o s ia d a j ą c 3 e l e k t r o n y w a le c y jn e , łą c z ą j e z 3 s ą s ie d n im i atom am i krzem u . C zw arty s ą s i e d n i atom b ęd zie m ia ł t a k i e p o łą c z e n ie n i e w y p e łn io n e .
'^R ys.ła) Z am iast b ra k u ją c e g o e l e k t r o n u mamy t u ja k b y d z i u r ę o dodatnim ła d u n k u . D z iu ra t a zacho w u je s i ę j a k d o d a t n i e l e k tr o n i pod wpływem p o la e le k tr y c z n e g o może s i ę w k r y s z t a l e
R y s .2 . Atomy obce w s i e c i k r y s t a l i c z n e j krzem u a ) a k c e p to ry ; b ) d o n o ry
p o ru s z a ć . J e ś l i do p ł y t k i ta k ie g o k r y s z t a ł u , s k ła d a j ą c e g o s i ę z o b s z a ru o p rzew o d n ic tw ie elek tro n o w y m , oznaczonym sym
bolem " n ” i z o b s z a ru o p rze w o d n ic tw ie dziurow ym , o z n a c z o nym symbolem "p" przyłożym y n a p i ę c i e , i t o w t e n s p o s ó b , że
n a e l e k t r o d z i e p r z y łą c z o n e j do c z ę ś c i p b ę d z ie b ie g u n u j e mny a n a e l e k t r o d z i e p r z y łą c z o n e j do c z ę ś c i n - b ie g u n do
d a t n i , to n a s k u te k p r z y c i ą g a n ia s i ę ró ż n o -im ie n n y c h ła d u n ków, e le k tr o n y z o b s z a r u ”n" p r z e j d ą w k ie r u n k u e l e k tr o d y , pod obnie j a k i d z iu r y z c z ę ś c i " p ” . V/ ś ro d k u k r y s z t a ł u p o w sta je s t r e f a pozbaw iona nośników p r ą d u . K r y s z t a ł n ie p r z e w o d z i. P r z e c iw n ie , j e ś l i zmienimy k ie ru n e k p rz y ło ż o n e g o n a
p i ę c i a , to ujem ne e le k tr o n y b ę d ą p r z e z ujem ny b ie g u n odpy
chane z c z ę ś c i "n " w k ie ru n k u " p M i p o d o b n ie d o d a tn ie d z iu r y b ę d ą , n a s k u te k o d p y c h a n ia d o d a tn ie g o b ie g u n a d ą ż y ły do c z ę ś c i l1n M . K r y s z t a ł w tym k ie r u n k u p r z e w o d z i. Pokazano to n a r y s . 1 . J e s t to z a s a d a p ro s to w n ik a p n . »V p r a k ty c e le p s z e w ła s n o ś c i w y k azał p ro s to w n ik p s n , z w arstw ą ,łs " , o s ł a bszym w y p o sażen iu w obce d o m ie s z k i, tw o rz ą c ą pasmo środkow e.
3 . Budowa p ro sto w n ik ó w krzemowych
Do budowy pro stow n ikó w krzemowych k o n ie c z n e j e s t p rz e d e w szy stk im o trz y m a n ie m o n o k ry ształó w krzemowych b a rd z o wyso
k i e j c z y s t o ś c i , a m ian o w icie n a 10 atomów S i może przy p adać 1 atom z a n ie c z y s z c z e ń ( 4 ) . U z y sk a n ie i c h s ta n o w i je d n ą z głów nych tr u d n o ś c i te c h n o lo g ic z n y c h w p r o c e s i e p r o d u k c ji p ro sto w n ik ó w . K r y s z ta ł t a k i z o s t a j e ro z p iło w a n y s p e c ja ln y m i diamentowymi p ił a m i n a c i e n k ie p ł y t k i , k t ó r e z k o l e i d rogą p ro c e s u s t a p i a n i a (4) u z y s k u ją d o m ie s z k i donorowe i a k c e p to rowe . P o w ie rz c h n ia p ł y t k i krzemowej b a rd z o c z u ł a j e s t na
‘d z i a ł a n i e a tm o s fe r y i n a s k u te k te g o szy b k o t r a c i sw oje w ła
s n o ś c i p ro s to w n ic z e ( 8 ) . D la te g o t e ż w p ra k ty c z n y m wykonaniu obudowuje s i ę j ą s z c z e l n i e m ie d z ia n ą k a p s lą ( 8 ) . Sama p ły tk a p o łą c z o n a j e s t ś c i ś l e z m iedzianym podłożem (dnem k a p s l i ) k tó r e s ta n o w i je d n o c z e ś n ie b ie g u n ujem n y . S łu ż y ono rów nież do od pro w ad zen ia s t r a t c ie p ln y c h . B ie g u n d o d a t n i , stan o w iąc y g i ę t k ą l i n k ę , wyprowadzony j e s t z d r u g i e j s t r o n y , p r z e z p rz e p u s t s z k la n y iz o lo w an y od k a p s l i e l e k t r y c z n i e i z a p e w n ia ją cy je d n o c z e ś n ie s z c z e ln o ś ć . W ewnątrz k a p s l i p ł y t k a krzemowa z n a jd u je s i ę w a tm o s f e r z e g az u o b o ję tn e g o .T a k zbudowany element nazwany j e s t oelką krzemową. P rz e d s ta w io n o j ą n a r y s . n r 3« Jß “ aną z z a l e t p rosto w nik ów krzemowych j e s t w ie lk a d o p u s z c z a l
n a g ę s to ś ć p r ą d u . Związane s ą z n i ą je d n a k stosunkow o duże jed n o stk o w e s t r a t y mocy p r z y p a d a ją c e 1 cm p o w ie r z c h n i. Przy b a rd z o m ałych r o z m ia ra c ^ p ł y t k i ( ś r e d n i c a n a jw ię k s e e j p ł y t k i p ro d . SSW w y no si 1 ,5 cm i 0 ,5 mm g r u b o ś c i ) mamy do c z y n ie n i a z b ard zo m ałą p o je m n o śc ią c i e p l n ą . Sama w ięc p ł y t k a n ie może z n ie ś ć w ię k sz y c h wahań o b c i ą ż e n i a b e z r e a k c j i w p o s ta c i
Prostowniki krzemowe jako źródła.. 103
w z ro s tu te m p e r a tu r y . W zw iązku z tym c e l k i krzemowe z a o p a tr u j e s i ę w k o rp u s y c h ło d z ą c e , wykonane z m e ta lu , p o s ia d a j ą c e w ie le ż e b e r d l a le p s z e g o oddaw ania c i e p ł a . Masa i c h j e s t w ięk sza od 4-00 do 1000 r a z y od masy sam ej p ł y t k i k rzem ow ej.
p tp tk a krzemom korpus
piętki przewód.
R y s .3 . Budowa c e l k i krzem owej
Sprawa c h ło d z e n ia j e s t tu b a rd z o w ażna z te g o powodu, że e l e menty krzemowe, w p r z e c iw ie ń s tw ie do p ro sto w n ik ó w n p . s e l e nowych, mimo s w o je j b a rd z o w y so k ie j d o p u s z c z a ln e j te m p e ra tu r y , bo rów nej 140 G, s ą je d n a k b a rd z o w ra ż liw e n a p rz e c ią g ż e n ią i p r z e p i ę c i a . Raz p r z e b i t a p ł y t k a j e s t ju ż elem entem zniszczonym i sam a s i ę n i e r e g e n e r u j e .
4 . W ła sn o ś c i p ro sto w n ik ó w krzemowych
Wspomniane n a w s tę p ie z n a c z e n ie p r o s to w n ik a krzemowego w te c h n ic e prądów s i l n y c h , spowodowane j e s t n ie z w y k le k o rz y stnym i je g o w ła s n o ś c ia m i. Są t o ;
a) Wysokie n a p ię c ie zaporowe (5 % W ynosi ono 600 V w a r to ś c i s z c z y to w e j. P rz y u w z g lę d n ie n iu 10% re z e rw y , w p r z e l i c z e n i u n a w a rto ś ć s k u te c z n ą , w y n o si ono 380 V. Na
Uz(szczytowa narŁosc)-
R y s.4 . C h a r a k te r y s ty k a zaporowa c e l k i krzem owej p r z y te m p . pracy 140 C
p i ę c i e p ró b n e j e s t równe 1000 V. P rą d w k ie ru n k u z a porowym j e s t b a rd z o m ały i w y n osi 1 mA. Na r y s . 4 , p rz e d s ta w io n o c h a r a k te r y s ty k ę zaporow ą c e l k i .
b) Spraw ność c e l k i (5 )» J e s t b a rd z o d u ż a , bo w yn osi aż 99,6%. J e s t to w ynikiem b a rd z o m ałego sp ad k u n a p i ę c i a i w ysokiego n a p i ę c i a zaporow ego c e l k i . S p ad ek t e n wy
n o s i A U = 1 t 1 ,3 V. Spraw ność r o ś n i e ze w zro stem n a p i ę c i a znam ionowego. C h a r a k te r y s ty k ę s p ra w n o ś c i w fu n k c j i n a p i ę c i a p r z e d s ta w ia r y s . 5» a r y s . 6 c h a r a k t e r y s ty k ę s p ra w n o ś c i w f u n k c j i p r ą d u o b c i ą ż e n i a , d l a p r o s to w n ik a 12500 A i 65O V,
%
R y s .5 . P orów nanie s p ra w n o ś c i e le m e n tu rtę c io w e g o ( z je d n o - an o d . n aczyn iem ) c e l k i germanowej i c e l k i krzemowej
c) O b c ią ż a ln o ś ć prądow a (5 )» P r o s to w n ik i krzemowe odzn a
c z a j ą s i ę n ie s p o ty k a n ą w d z i e d z i n i e p ro sto w n ik ó w s u chych o b c i ą ż a l n o ś c i ą p rąd ow ą. W ynosi o n a , p r z y c h ło d z e n iu n a tu ra ln y m 80 A/cm a p r z y c h ło d z e n iu wzmożonym w z r a s ta do 200 a naw et 230 A/cm2. P rą d p ł y t k i S i 150 o p o w ie rz c h n i rów nej 1 ,5 cm równy j e s t o k o ło 350 A.
d) D o p u szczaln a te m p e r a tu r a (5 )» D o p u sz c z a ln a te m p e r a tu r a w ynosi 140 C. P r z y ję t o j ą ju ż z pewnym w sp ó łc z y n n ik ie m p ew n o ści.
R z e c z y w ista te m p e r a tu r a d o p u s z c z a ln a w y n o si 200°C. Tak wysoka te m p e r a tu r a j e s t z ja w is k ie m k o rz y stn y m d l a ł a tw ie js z e g o o d p ro w ad zen ia dużych s t r a t .
e) Małe ro z m ia ry .
Prostowniki krzemowe jako źródła..._________105
R y s.6 . Spraw ność p r o s to w n ik a 12500 A. 600 V w f u n k c j i o b c i ą ż e n i a
1. Sprawność wg VDE 0555/1936 w yznaczona n a p o d s ta w ie po m ia
rów s t r a t w p o s z c z e g . e le m e n ta c h u k ła d u ( t r a n s f . g łó w ny, t r a n s f . p r o s t . cew ki r e g u l a c . p r o s to w n ik krzem ow y). 2 . C a ł
k o w ita spraw ność z u w zg lęd n ien ie m s t r a t w u r z ę d z e n ia c h g ł a dzących i w p o łą c z e n ia c h w z a l e ż n o ś c i od budowy u r z ą d z e n ia
prostow n ik o w eg o
5 . Porów nanie w ła s n o ś c i p ro sto w n ik ó w krzemowych z w łasn o ściam i! in n y c h u rz ą d z e ń p r z e tw ó rc z y c h Porównanie prostow ników krzemowych w ś w ie tle o p is a n y c h w ła s n o ś c i z innym i u rz ą d z e n ia m i pro sto w n ik o w y m i i l u s t r u j e t a b l i c a 1.
T a b lic a porównawcza w ła s n o ś c i u r z ą d z e ń p r o s t u j ą c y c h uwy
d a tn ia dość ja s n o g ó r u ją c ą p o z y c ję p r o s to w n ik a krzem ow ego.
J e s t ona je d n a k utrzy m ana ty lk o w te d y , gdy w a ru n k i p r a c y p o z w ala ją n a w yzskanie k o rz y s tn y c h w ła s n o ś c i p r o s to w n ik a , a w ięc wysoką spraw n ość a co z a z a tym i d z i e n a p i ę c i e z a p o rowe, co z r e s z t ą w idać z r y s . 5 . Z a k re s z a s to s o w a n ia ró ż n y c h .todzajów u rz ą d z e ń p rz e tw ó rc z y c h ze w zg lęd u n a sp ra w n o ść u w i
d a c z n ia wy ia?es n a r y s . 7 . Zaw arte n a nim krzyw e p r z e d s t a w i a j ą z a le ż n o ś ć s p ra w n o śc i c a łe g o z e s p o łu ( p r o s to w n ik , t r a n s f o r m a to r prostow nikow y i u r z ą d z e n ia p o m o cn icze) od n a p i ę c i a
Porównaniewłasności prostownikówkrzemowych i- innychurządzeńprostujących(3}8) coo i—•HI X>
EHOJ
CM
¿4 CA
• r ł o CA
1 1
P o
5 c a ♦
O LA o C\J
-P b£ 1 1 o CA i
co W * r— » O
o O r - CM
O c a
A 'M -
T—
o
• -p
5 M CA r ',
-P cO O O »
1
!
<D -P 1 1 v o CA CA 1 .LA
H f j t - i — CA •t
U o * CM
A
CD CA
tI o O
8
O •> 1
03 co o «M- CA r - » t* •
CM rA r— CA o Cl*
T—
CA »
0) o O O lA » L A o
¿5 O T— VO CO
CA
CA »
O
* • KO m O
vD
15- O lA LA CM CA » CM
o CM CM co CA r - O ♦
O » » .
co o O
o -M- lA»
CM o i — VD o CO O CM CM
3 K V* : C A CA » *
O o O O r *
a i
cO'
• • r ł
• •N
O a j
o >3
>
-P
fn • p Q * m O CO
cd N « A 'r~3 O h
(0 s s <D G 3 (0
O a> •H 5 £
y c \j • « A -p G •
•H B N N CO CO •
T-3 o O O T l T l to o • CO g A
co -p “ CO \ c O A “ O X> T 3 cO
N CO ' ■ rM rM Q> O O 'CO CD 'O CD (D f j
'O O rM < X ! XS ■H T lO o N CD •H •
O P I* O O O f l P •r-3 O O -P
A p .
(0 M IM
O* • >3 5;»
-P O* p <D
O ■rł CO O CO O >s • r ł O T l CD
O & A ¿4 CO p A CM A A co ą
,oo T3O '—^cO r—sXI s ><0 CO 3 CO *HA coA NICO Ua h; cO con CC A T-
Prostowniki krzemowe jako źródła«.._______ 107
p rą d u s t a ł e g o d l a u k ła d u p r a c y podw ójna gw iazd a". W ykres wy
konany j e s t d l a p ro s to w n ik a krzem owego, p r z e tw o r n ic y k o n ta k to w e j, p ro s to w n ik a rtę c io w e g o i se le n o w e g o . P r z y n a p i ę c ia c h m ałych, rz ę d u 150, 100 V i n iż s z y c h , sp raw n o ść p ro sto w n ik ó w krzemowych z u p e łn ie m a le je .
\1 ty c h w ła ś n ie z a k r e s a c h n a p ię c io w y c h n a d a je s i ę l e p i e j p r o sto w n ik s e le n o w y . P ro sto w n ik t e n .p o z a tym w y trzy m u je l e p i e j od krzemowego i germanowego p r z e t ę ż e n i a zw arciow e i p r z e p i ę c i a . W zw iązku z tym z ajm u je on n a d a l mocną p o z y c ję w u r z ą d z e n ia c h o n is k im n a p i ę c i u , g d z ie t e z ja w is k a s ą c z ę s t e . Ze
R yg.7 . C h a r a k te r y s ty k i sp ra w n o śc i f u n k c j i n a p ię ć d l a z e sp o łow tra n sfo rm a to ro w o - prostow nikow ych w u k ł a d z i e podw.
gw iazda z d ław ikiem
w zględu n a duże z a p o trz e b o w a n ie m i e js c a n i e s t o s u j e s i ę go do u rz ą d z e ń w i e l k i e j mocy.
P r z e tw o r n ic a k o n ta k to w a pod względem c h a r a k t e r y s t y k i sp raw n o ś c i w f u n k c j i n a p i ę c i a p r z e d s ta w ia s i ę p o d o b n ie do p ro s to w n ik a krzemowego. C h a r a k te r y s ty k a p r o s to w n ik a germ anowego, p a t r z r y s . 5 , p r z e b ie g a w początkowym z a k r e s i e pow yżej a d a
l e j n ie c o p o n iż e j k rzyw ej p rosto w n ik ów krzem owych. Spowodo
wane j e s t to n iż szy m n a p ię c ie m zaporowym p ro sto w n ik ó w germ a
nowych i w zw iązku z tym k o n ie c z n o ś c ią w c z e ś n ie js z e g o n i ż d l a p rostow ników krzemowych s to s o w a n ia p o łą c z e ń szereg o w y ch c e l e k . P rz y t a k i c h p o łą c z e n ia c h musimy celow o g r a n ic z y ć do
p u s z c z a ln e n a p i ę c i e c e l k i o 10% , by w r a z i e n ie ró w n o m ie rn e go r o z k ła d u n a p ię ć n a n ic h , m ieć w ię k s z ą pew ność i ż żad n a z n ic h n ie z o s ta n i e p r z e b i t a . O b n iż e n ie n a p i ę c i a zaporow ego o b n iż a sp ra w n o ść . P rzeprow adzone pow yżej p o ró w n an ie w sk azu j e , i ż m ie js c e p ro s to w n ik a krzemowego j e s t p r z e d e w sz y rtk im w u rz ą d z e n ia c h o d o s t a t e c z n i e w y so k ic h n a p i ę c ia c h p r a c y , od
p o w iad a jący ch n a p ię c io m zaporowym c e l e k , co p o zw ala n a wyko
r z y s t a n i e je g o w y so k ie j s p r a w n o ś c i. Są t o n a p i ę c i a , z a l e ż n i e od u k ła d u p o łą c z e ń , r z ę d u 500 V lu b 8 0 0 - 900 V (w u k ła d z ie 3 - f a z . mostkowym).
N ależ y sto so w a ć j e p r z e d e w sz y stk im do u rz ą d z e ń d u ży ch , g d z ie możemy w p e ł n i w yzyskać i c h w ie lk ą o b c ią ż a ln o ś ć p r ą dową i m ałe z a p o trz e b o w a n ie m i e j s c a . P o za tym , z powodu w raż
li w o ś c i te g o p r o s to w n ik a n a p r z e p i ę c i a z w a rc ia i p r z e c i ą ż e n i a , n a j b a r d z i e j wskazanym d l a n ie g o zasto so w an ie m j e s t p r a c a w u r z ą d z e n ia c h , g d z ie t e z ja w is k a w y s tę p u ją w m inim alnym s t o p n iu .
6 . P ro sto w n ik krzemowy
w z a sto s o w a n iu do z a s i l a n i a u r z ą d z e ń e l e k t r o l i z y
P r z e s ła n k i t e c h n ic z n e . Grupę odbiorów n a j l e p i e j odpow ia
d a ją c ą warunkom wymienionym w p o p rzed n im r o z d z i a l e , s t a n o w ią w ie l k ie e l e k t r o l i z y przem y sło w e. U rz ą d z e n ia t e s ą je d n y mi z n a j b a r d z i e j e n e rg o c h ło n n y c h o d b io ró w . P rzy k ład o w o , e l e k t r o l i z a s o l i k u ch en n ej w jednym z zakładów azo to w ych p o b i e r a p rą d 12 kA p r z y 220 V, w h u c ie alu m inium w y p ro sto w a
ny p rą d w ynosi 60 kA p rz y 825 V, a z a g r a n i c ą , p r z e d e w s z y s t
kim. we F r a n c j i s t o s u j e s i ę w h u ta c h alu m in iu m p r ą d y r z ę d u 110 kA p rz y 850 V. J a k w id a ć , sto so w a n e n a p i ę c i a , s z c z e g ó l
n ie w w ym ienionych u r z ą d z e n ia c h m e ta lu r g ic z n y c h , odpow iada
j ą zak re so w i n a jw ię k s z e j s p r a w n o ś c i p ro sto w n ik ó w krzem owych,
Prostowniki krzemowe jako źródła... 109
w y no szącej o k . 97,5/5. D o św ia d cz en ia p r a k t y k i e k s p l o a t a c y j n e j p o z w a la ją wysnuć w n io s k i, i ż w u r z ą d z e n ia c h ty c h zw arcia p r a k ty c z n ie n i e w y s tę p u ją w o g ó le . P r z e t ę ż e n i a ruchow e n a l e ż ą t u n a o g ó ł do r z a d k o ś c i .
W a s p e k c ie w spom nianych w ła s n o ś c i e l e k t r o l i z y , ze w zg lęd u na spraw ność konkurow ać m iędzy so b ą b ę d ą ; p r o s to w n ik k r z e mowy i p r z e tw o r n ic a k o n ta k to w a , ja k o u r z ą d z e n ia o z b liż o n y c h c h a r a k te r y s ty k a c h s p r a w n o ś c i. 0 w yborze decydow ać t u b ęd ą w zględy wygody e k s p l o a t a c y j n e j .
P ro sto w n ik krzemowy, ja k o u r z ą d z e n ie p r o s t s z e w o b s łu d z e , pozbawione c z ę ś c i w ir u ją c y c h , ła tw o w y p a la ją c y c h s i ę sty k ó w
i n ie pow odujące c z ę s ty c h z w arć, b ę d z ie g ó ro w a ł n a d p r z e tw o rn ic ą . P ro s to w n ik r tę c io w y , k tó r e g o sp ra w n o ść w omawia
nym z a k r e s ie n a p ię ć ro b o c z y c h w y n o si t y l k o 94,7/5 n i e może równać s i ę pod tym względem z u r z ą d z e n ia m i pow yżej w ym ienio
nymi. D la z i l u s t r o w a n i a k o r z y ś c i j a k i e d a j e w s k a l i r o c z n e j zasto so w a n ie u rz ą d z e ń b a r d z i e j sp ra w n y c h , p o s łu ż y p o n iż s z y p rz y k ła d . Dwie e l e k t r o l i z y alu m in iu m o id e n ty c z n y c h d an y ch w yjściow ych:
Z a s ila n e z o s t a ł y je d n a z a pomocą p ro sto w n ik ó w r tę c io w y c h , druga za pomocą pro sto w n ik ó w krzem ow ych.
Sprawność s t a c j i p ro sto w n ik ó w r tę c io w y c h 17Hg = 0 ,9 4 6 Sprawność s t a c j i p ro sto w n ik ó w krzem owych ^ Si = 0 ,9 7 6 Roczny c z a s w y stępo w an ia m aks. s t r a t V= 7800 h
R óżnica ro c zn y c h s t r a t e n e r g i i , w y n ik a ją c a z r ó ż n i c y sp ra w n o ś c i w y n ie s ie :
* 7 8 0 0 .8 5 0 .1 2 0 0 0 0 ^ ) .10" 6= 28300 W h
*
Do z i lu s tr o w a n ia m n ie jsz eg o z a p o trz e b o w a n ia m i e j s c a p r z e z p ro s to w n ik i krzemowe w sto s u n k u do in n v c h u rz ą d z e ń nms+nwn-i _
Us t s 850 V, J , = 120 000 A s t
prostow ników krzemowych i r tę c io w y c h ) o r a z p o ró w n a n ia k u b a
t u r s t a c j i p r z e tw o r n ic maszynowych z a s t ą p i o n e j p r z e z s t a c j ę p rostow ników krzemowych o ty c h samych p a r a m e tra c h w y jś c io wych.
Dane porównawcze z e sta w io n o w t a b l i c y n r 2 .
T a b l i c a 2
Lp.
Moc oddawa
n a p r z e z u r z ą d z e n ie
(MJ)
R odzaj u r z ą dzeń p r o s to w n ic z y c h
k u b a tu r a s t a c j i
(m3)
>|a4 alU
i
VHG VS i
Vmasz VS1
1 9 3 ,5 p r o s to w n ik i
r tę c io w e 21930 238 1 ,6 2
p r o s to w n ik i
krzemowe 13700 147
2 2 ,6 p r z e tw o r n ic e
maszynowe 2691 1030
- 2 ,6 7
p r o s to w n ik i
krzemowe 1006 387
O b lic zo n e t u w s k a ź n ik i ja s n o u w y d a tn ia ją k o r z y s tn ą p o z y c ję p ro stow ników krzemowych w s to s u n k u dę p o z o s ta ł y c h u rz ą d z e ń . Drugim asp ek te m p r z y d o b o rze p ro sto w n ik o w e j a p a r a t u r y z a s i l a j ą c e j j e s t r e g u l a c j ą n a p i ę c i a . W ię k sz o ść e l e k t r o l i z wyma
g a n a p i ę c i a re g u lo w an e g o . Z ak re s je g o z m ie n n o ś c i d z i e l i s i ę n a c z ę ś ć ruchow ą o ra z ro z ru c h o w ą . W ie lk o ść je g o z a l e ż y od r o d z a ju e l e k t r o l i z y i od t e c h n o l o g i i . K a jw ię k sz y z a k r e s r e g u l a c j i wymagany j e s t zw ykle p r z y r o z r u c h u . R e g u la c ja ru c h o wa ob ejm uje z a k r e s n a p ię ć p o ło ż o n y c h zarów no pow yżej j a k i p o n iż e j n a p i ę c i a znamionowego. R e g u la c ja w g ó rę spowodowana j e s t k o n ie c z n o ś c ią u trz y m a n ia s t a ł e j w a r t o ś c i p r ą d u , k tó r y na s k u te k z w ię k s z e n ia s i ę o p o rn o ś c i w a n ie n , p r z e j a w ia t e n d e n c je m a le n ia . ÏÏ e l e k t r o l i z i e alu m in iu m z ja w is k o t o nazywa s i ę e fe k te m anodowym i o b ja w ia s i ę w zro stem n a p i ę c i a n a n i e k tó r y c h w annach szeregow o p o łą c z o n e j s e r i i z 4 ,5 V do o k . 2 9 ,5 V ( n a p o z o s ta ły c h w annach p o z o s t a j e n a p i ę c i e n o rm a ln e , po 4 ,5 V). P rz y jm u je s i ę w y stęp o w an ie co n a jw y ż e j dwóch t a k ic h efek tó w je d n o c z e ś n ie . zw iązk u z tym , g ó rn a w a r to ś ć n a p i ę c i a e l e k t r o l i z y o = 850 V w y n o sić b ę d z ie 8 5 0 + 2 .25=900V V/ p rzyp adk u e l e k t r o l i z w i e l k i e j mocy, r e g u l a c j a ruchow a w
Prostowniki krzemowe .lako źródła.»« 111
w d ó ł, spowodowana j e s t k o n ie c z n o ś c ią o g r a n ic z e n ia p rą d u p rz y powtórnym, poaw aryjnym z a ł ą c z e n iu u r z ą d z e n ia . D la j e dnej z w ie l k ic h e l e k t r o l i z , o p a ra m e tra c h 110 kA p r z y 850 V, wymagąna je s t o b n iż k a n a p i ę c i a do 451 V. S p o śró d t r z e c h oma
w ianych ro d zajó w u rz ą d z e ń p r o s t u j ą c y c h , żad e n n ie może p o kryć wymaganego z a k r e s u r e g u l a c j i .
V< p ro s to w n ik a c h rtę c io w y c h , p r z y t a k w ie l k ic h mocach r e g u l a c j a siatkoY /a może być w y k o rz y sta n a w obaw ie p r z e d z a p ło n a m i zwrotnymi ty lk o w z a k r e s i e 15% [i] , a w n a jw ię k s z y c h j e d n o s t kach ty lk o w 3% U., ( o f e r t a P e c h in e y z 1 9 6 1 ). P r z e tw o r n ic a kontaktow a n ie j e s t typowym zaworem regulow anym i z a k r e s j e j r e g u l a c j i w ynosi ty l k o 30% U., [i] . P ro s to w n ik krzemowy j e s t zaworem n ie sterow anym [i] . ł/ s z e lk a r e g u l a c j a odbywa s i ę w nim p o p rzez zm ianę n a p i ę c i a zm iennego w tr a n s f o r m a to r z e prostownikowym, z a pomocą p r z e ł ą c z n i k a zaczepów i t r a n s d u k t o - rów. Wynika s t ą d , i ż p r z y z a s i l a n i u e l e k t r o l i z w ym agających większego z a k re s u r e g u l a c j i , żadne z 3 omawianych u rz ą d z e ń n ie w ykazuje ze w zględu n a w ła ś c iw o ś c i r e g u la c y jn e d e c y d u ją c e j w y ż sz o śc i.
0 wyborze r o d z a ju a p a r a tu r y p r o s to w n ic z e j decydować b ę d z ie zapotrzenow anie m i e js c a , pewność r u c h u , ła tw o ś ć e k s p l o a t a c j i
•brak c z ę ś c i w ir u ją c y c h , b r a k zapłonów z w ro tn y c h , a p r z e d e w szystkim sp raw n o ść. Pod względem ty c h c ec h n ad w s z y s tk im i
ro dzajam i omawianej a p a r a tu r y górow ać b ęd ą p r o s to w n ik i krzemowe które, mogą być uważane z a n a j d o g o d n ie js z e z p u n k tu w id z e n ia te ch n iczn eg o ź r ó d ła z a s i l a n i a w i e l k i c h e l e k t r o l i z p rz e m y s ło wych.
P r z e s ła n k i ekonom iczne. O becnie w P o ls c e w ię k s z o ś ć e l e k t r o l i z , w łącz en ie z najnow szym i u rz ą d z e n ia m i te g o r o d z a j u , z a s i la n a j e s t z prostow ników rtę c io w y c h . P r o s to w n ik i t e s ą jedyny mi u rzą d z en iam i p rzetw ó rcz y m i w i e l k i e j mocy, produkow anym i w k r a ju , '//raz z p o jaw ieniem s i ę w p o s t a c i zaw oru krzem ow ego, nowego, le p sz e g o pod względem te c h n ic z n y m , l e c z p o ch o d zą ceg o obecnie je d y n ie z im p o rtu , ź r ó d ła p rą d u s t a ł e g o , w y ło n ił s i ę problem wyboru m iędzy tym i dwoma r o d z a ja m i p ro sto w n ik ó w . V/
n in ie js z y m opracow aniu przeprow adzono p o ró w n an ie k o sztó w i n w esty cy jn y ch o ra z ro czn y c h kosztów s t r a t e n e r g i i , d l a dwóch s t a c j i 102 M'.V, w wykonaniu z p ro sto w n ik am i krzemowymi i r t ę - cioYjymi \w raz z tra n s fo rm a to ra m i prostow nikow ym i i a p a r a t u r ą pom o cn iczą). K oszty prostow ników rtę c io w y c h p r z y j ę t e z o s t a ł y
d l a 3 e to e j z h u t b a j o w y c h , w w y so k o ś c i 700 z ł / k /, p r o s to w n ik i krzemowe w yceniono n a p o d s ta w ie o f e r t zag ran iczny ch # wynoszą one w p r z e l i c z e n i u l|>~ 44 z ł , 730
zł/k*ii • *
W yniki p r z e l i c z e ń d l a obu typów u rz ą d z e ń p r z e d s ta w ia p o n iż - s z a t a b e l a :
R odzaj u r z ą d z e n ia
Moc MW
K oszt in w e s t 103 z ł
AP m
r g o d z .
AA MWh
Ken 103 z ł S t a c j a r tę c io w a
S t a c j a krzemowa
102 102
71500 74500
5 ,9 2 ,4
7800 7800
46000 18700
15200 6160
K o sz ty s t r a t e n e r g i i o b lic z o n o p r z y z a ło ż o n e j c e n ie e n e r g i i e l e k t r . 1 kWh - 0 ,3 3 z ł . J a k w id ać z _ t e j t a b e l i , n ie w ie lk a nadwyżka kosztów in w e s t. rów na 3 0 0 0 .1 0 z ł , p r z y rocznym zy
sk u ze z m n iejszo n y c h s t r a t e n e r g i i równym § 0 4 0 .1 0 z ł p r z e mawia za p ro sto w n ik a m i krzemowymi.
LITERATURA
1 . F i g u r z y ń s k i - P r z e k s z t a ł t n i k i "tom I " W arsza
wa 1951 r .
2 . K l e i s c h - G le ic h s tro m v e rs o rg u n g f ü r B e t r ie b e m it g r o s s e n E n e r g ie b e d a r f ( S i l i z i u m - G l e i c h r i c h t e r 'l " E le k tr o - W elt" 1958 r . Nr 24.
3 . N i e m y s k i - P ó łp rz e w o d n ik i w t e c h n i c e . Mowa te c h n ik a 1960 r . N r 33.
4 . N i t s c h e i P o k o r n y - D er S i l i z i u m g l e i c h r i c h t e r i n d e r S t r o m r i c h t e r t e c h n i k . ETZ-A 1959 r . Nr 15.
5 . P f a f f e n b e r g e r - D ie te c h n i k des S i l i z i u m - G le i c h r i c h t e r s S iem en s. S il i z i u m G l e i c h r i c h t e r .
*
6 . S c i s ł o w s k i - P ó łp rz e w o d n ik i. W arszawa 1954 r . 7 . S p e n k e - S il i z i u m a l s B a u s to f f f ü r L e i s t u n g s g l e i c h -
r i c h t e r . S ie m e n s . S i l i z i u m - G l e i c h r i c h t e r .
8 . Z e n n e k - E rfa ru n g e n m it S i l i z i u m - G l e i c h r i c h t e r n . Siem ens . S i l i z i u m - G l e i c h r i c h t e r .
Prostowniki krzemowe jako źródła..« 113
K P E M H M E B H E B H IT P H M M T E JIP i K A K M C TO H H M K M C H A E2K E H W H 3J IE K T P0JIM T M H E C K M X Y C T A H O B O K
C o / i e p x a H i i e
Abtop onwcbiBaeT npHHpun rq
P
ictbiîh xpeivraneBLix BtmpHMM- Tejieii m flaeT conocTaBjieHne hx coôcTBeHHOCTeii no cpaBHeHHioc ApyrnMM ycTaHOBKaMn. H a sth x ocHOBaHnax aBTop «aeT anajin3 npnroflHOCTn KpeMHneBbix BbinpHMMTejieii «jih 3JieKTpojin3a c Tex- HMHeCKOÎÎ H 3KOHOMHHeCKOÎÎ TOHKH 3peHHH.
* LES REDRESSEURS À SILICIUM COMME SOURCE D ’ALIM ENTATION
DES ÉTABLISSEM ENTS D ’ÉLÉCTROLYSE (PREMISSES TECHNIQUES ET ÉCONOMIQUES)
R é s u m é
L’auteur décrit le principe de fon ction n em ent des redreseurs à sili
cium et leurs qualités en com paraison avec des autres disp ositifs. Sur la base de cette analyse l ’auteur dém ontre au point de v u e tech niq ue et éco
nomique les avantages de l ’application des redresseurs à siliciu m pour l’éléctrolyse.
