DE202012100160U1

DE202012100160U1 - Arclöschanordnung

Info

Publication number: DE202012100160U1
Application number: DE201220100160
Authority: DE
Original assignee: Huettinger Elektronik GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-02-17
Anticipated expiration: 2022-01-18

Abstract

Arclöschanordnung (23.1, 23.2, 23.4, 23.5, 23.6), die mit zumindest einer Zuleitung (2, 17, 19) zwischen einer Leistungsversorgung und einer Elektrode (3, 4) einer Gasentladungskammer (5) verbunden ist oder einen Abschnitt zumindest einer Zuleitung (17.2, 17.3) umfasst, wobei in der Gasentladungskammer (5) sowohl bei einem Stromfluss in einer ersten Richtung als auch bei einem Stromfluss in einer zweiten umgekehrten Richtung jeweils eine Gasentladung erzeugbar ist, mit einer Arclöscheinrichtung (18, 18.1, 18.2, 18.3), dadurch gekennzeichnet, dass für jede Stromrichtung eine Arclöscheinrichtung (18, 18.1, 18.2, 18.3) vorgesehen ist, die jeweils einen Energiespeicher (30a, 30b) zur Aufnahme von in einer Zuleitung (2, 17, 19) zur Gasentladungskammer (5) und/oder in der Gasentladungskammer (5) vorhanden Energie aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Arclöschanordnung, die mit zumindest einer Zuleitung zwischen einer Leistungsversorgung und einer Elektrode einer Gasentladungskammer verbunden ist oder einen Abschnitt zumindest einer Zuleitung umfasst, wobei in der Gasentladungskammer sowohl bei einem Stromfluss in einer ersten Richtung als auch bei einem Stromfluss in einer zweiten umgekehrten Richtung jeweils eine Gasentladung erzeugbar ist, mit einer Arclöscheinrichtung.
Vakuumplasmageneratoren sind in unterschiedlichen Leistungsklassen und mit unterschiedlichen Ausgangssignalformen bekannt.
In der Vakuumglasbeschichtung werden beispielsweise Mittelfrequenz (MF) Generatoren mit MF-Ausgangssignalen mit Leistungen zwischen 30 und 300 kW eingesetzt. Das MF-Signal ist zumeist ein Sinus-Signal mit Frequenzen zwischen 10 kHz und 200 kHz. Die Ausgangsspannungen können dabei mehrere 100 V bis über 1000 V betragen. Zum Zünden des Plasmas liegen die Spannungen oft noch viel höher als im Normalbetrieb.
Im Plasma kann es zu kurzzeitigen und auch länger anhaltenden Überschlägen, sogenannten Arcs, kommen, die unerwünscht sind. Ein Arc wird in der Regel durch ein Zusammenbrechen oder Absinken der Spannung und ein Ansteigen des Stroms, insbesondere am Ausgang des Generators oder an einer anderen Stelle im Generator, erkannt. Wenn ein solcher Arc erkannt wird, muss dafür gesorgt werden, dass dieser möglichst rasch erlischt, bzw. sich nicht voll entfaltet.
Aus der EP 1 720 195 A1 ist eine Arclöschanordnung in einer mit einer Wechselspannung, insbesondere MF-Wechselspannung, betriebenen Gasentladungseinrichtung, mit einer Arclöscheinrichtung und einer diese ansteuernde Arcerkennungseinrichtung bekannt, wobei die Arclöscheinrichtung zumindest einen steuerbaren Widerstand aufweist, der in Serienschaltung in einer von einer Wechselspannungsquelle zu einer Elektrode der Gasentladungseinrichtung führenden elektrischen Leitung angeordnet ist. Als steuerbarer Widerstand Ist ein Schalter, insbesondere ein IGBT, vorgesehen. Bei Erkennen eines Arcs werden die Schalter so leitend geschaltet, dass in ihnen bewusst elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird. Dabei wird die Sperrschicht im IGBT sehr stark erhitzt, so dass nur einige wenige Arcs in Folge behandelt werden können, ohne dass es zu einer Zerstörung des IGBTs kommt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Arclöschanordnung bereitzustellen, die auch bei erhöhten Arcraten eingesetzt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Arclöschanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass bei Erkennen eines Arcs Restenergie, die in einer Zuleitung zur Gasentladungskammer und/oder in der Gasentladungskammer vorhanden ist, in Abhängigkeit von der Stromrichtung einem Energiespeicher zugeführt wird. Auf diese Art und Weise kann die Restenergie für den Plasmaprozess deutlich reduziert werden. Mit der erfindungsgemäßen Arclöschanordnung kann eine sehr schnelle, effiziente Arclöschung erfolgen. Die Arcenergie kann sehr stark und schnell reduziert werden. Außerdem können dadurch Bauteile in der Gasentladungskammer und in der Ansteuerung der Elektroden der Gasentladungskammer geschont werden.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann auch Restenergie, die noch in Streuinduktivitäten eines Ausgangstransformators eines Ausgangsschwingkreises vorhanden ist, einem Energiespeicher zugeführt werden. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass diese Energie dem Arc zugeführt wird.
Die Gasentladung in der Gasentladungskammer wird sowohl bei einem Stromfluss in einer ersten Richtung als auch bei einem Stromfluss in einer umgekehrten Richtung erzeugt. Dabei kann ein Arc in der Gasentladungskammer entstehen. Durch Vorsehen der Energiespeicher kann verhindert werden, dass der Arc weiterhin mit Energie versorgt wird. Insbesondere kann auch Arcenergie aus der Gasentladungskammer abgeleitet und einem der Energiespeicher zugeführt werden.
Die Arclöscheinrichtungen können identisch aufgebaut sein. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau der Arclöschanordnung. Auch der Anteil verschiedener Bauelemente, die zum Aufbau der Arclöschanordnung benötigt werden, kann dadurch reduziert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Arclöschanordnung symmetrisch aufgebaut ist. Ein entstehender Arc kann somit unabhängig von der gerade vorliegenden Stromrichtung gleich behandelt werden.
Die Arclöschanordnung kann nichtlineare Bauelemente aufweisen, die derart angeordnet sind, dass ein Leistungsfluss aus dem Energiespeicher in die Zuleitungen und die Gasentladungskammer vermindert oder verhindert wird. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Arclöscheinrichtung zumindest einen Schalter aufweist, der in Serienschaltung in einer an der Leistungsversorgung zu einer der Elektroden der Gasentladungskammer führenden Zuleitungen angeordnet ist und der durch Ansteuerung mittels eines Ansteuersignals bei Arcerkennung öffenbar ist. Dadurch ergibt sich ein einfacher Aufbau der Schaltung. Verluste im Schalter können reduziert werden. Dadurch ist es möglich, auf eine erhöhte Arcfrequenz zu reagieren.
Es kann eine mit einer Arclöscheinrichtung in Verbindung stehende Arcerkennungseinrichtung mit einer mit dem Schalter verbundenen Ansteuerschaltung vorgesehen sein. Dadurch ist es möglich, die Arcdauer, eine Arcreaktionsschwelle und eine Verzögerungszeit bis zur Reaktion auf einen Arc einzustellen. Die Ansteuerschaltung kann auch zum periodischen oder aperiodischen Pulsen, z. B. zur prophylaktischen Arcvorbeugung, eingesetzt werden.
Die Energiespeicher können jeweils einen Kondensator umfassen. Die Restenergie, die z. B. in Induktivitäten der Zuleitungen gespeichert ist, kann am schnellsten in einen anderen Energiespeicher umgeladen werden, wenn der Energiespeicher ein Kondensator ist. Vorzugsweise sind weiterhin Dioden vorgesehen, mit denen sich auf schaltungstechnisch sehr einfache Weise der Rückfluss der Energie in eine Zuleitung unterbinden lässt.
Häufig ist der größte Teil der Restenergie in den Induktivitäten der Zuleitungen und/oder des Ausgangsschwingkreises gespeichert. Dann ist es besonders vorteilhaft, wenn diese Restenergie in einen Kondensator umgeladen wird. Für Anordnungen, in denen ein Großteil der Restenergie in Kapazitäten, z. B. der Zuleitung und/oder der Gasentladungskammer gespeichert ist, kann der Energiespeicher eine Induktivität sein.
Zumindest eine Arclöscheinreichtung kann eine Diode und eine Schalteranordnung aufweisen, wobei der Energiespeicher an den Verbindungspunkt der Diode mit der Schalteranordnung angeschlossen ist. Dadurch entsteht eine schnelle, einfache Schaltung mit einer minimalen Anzahl aktiver Bauteile. Würden mehr aktive Bauteile benötigt, würde die Geschwindigkeit der Arcreaktion verringert werden.
Die Schalteranordnung kann jeweils zumindest einen IGBT aufweisen, dem eine antiparallele Diode zwischen Kollektor und Emitter parallel geschaltet ist. Dies ermöglicht die Verwendung standardisierter Bauteile, die breite Verwendung in der Leistungselektronik finden und deswegen zuverlässig und kostengünstig verfügbar sind.
Es können Module vorgesehen sein, die jeweils eine Schalteranordnung und eine dazu in Serie geschaltete Diode aufweisen. Dadurch können Bauteile reduziert werden und eine störungsfreie Verdrahtung sichergestellt werden. Die Zuverlässigkeit der Gesamtschaltung kann dadurch verbessert werden.
Zumindest eine Arclöscheinrichtung kann eine Gleichspannungsquelle mit galvanischer Trennung zu einem Massepotential zur Vorladung des Energiespeichers aufweisen. Die Gleichspannung kann dadurch auf einfache Weise gegebenenfalls auch sehr schnell geregelt werden und den oft unterschiedlichen Gasentladungsprozessen mit unterschiedlichem Arcverhalten angepasst werden. Mit einer derart ausgestatteten Schaltung kann der Energiespeicher, insbesondere eine Kapazität, einfach vorgeladen werden. Die Arclöschung kann durch diese Maßnahme beschleunigt werden.
Zumindest eine Arclöscheinrichtung kann eine in Serie zu dem Energiespeicher geschaltete Diode aufweisen. Dadurch kann ein unbeabsichtigtes Entladen des Energiespeichers verhindert werden.
Zumindest eine Arclöscheinrichtung kann eine Entladungsvorrichtung zum Entladen des Energiespeichers aufweisen, die parallel zum Energiespeicher geschaltet ist. Dadurch kann der Energiespeicher bis zu einem vorgegebenen Speicherzustand entladen werden. Es kann somit sichergestellt werden, dass der Energiespeicher immer denselben Ausgangszustand aufweist, wenn Restenergie aufgenommen werden muss.
Es kann eine Spannungsüberwachung vorgesehen sein, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswerts die Entladungsvorrichtung zum Entladen des Energiespeichers aktiviert. Dadurch kann der Energiespeicher vor Überspannung geschützt werden.
Weiterhin kann eine Spannungsüberwachung vorgesehen sein, die bei Unterschreiten eines vorgegebenen Spannungswerts die Entladungsvorrichtung zum Entladen des Energiespeichers deaktiviert. Dadurch kann die Spannung am Energiespeicher einfach geregelt werden. Es sind somit vorgebbare Werte zur Arclöschung einstellbar.
Es kann eine Stromüberwachung vorgesehen sein, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Stromwerts die Entladungsvorrichtung zum Entladen des Energiespeichers aktiviert. Dadurch kann der Energiespeicher vor Überstrom geschützt werden.
Weiterhin kann eine Stromüberwachung vorgesehen sein, die bei Unterschreiten eines vorgegebenen Stromwerts die Entladungsvorrichtung zum Entladen des Energiespeichers deaktiviert. Dadurch kann der Strom am Energiespeicher einfach geregelt werden. Es sind somit vorgebbare Werte zur Arclöschung einstellbar.
Die dem Energiespeicher entnommene Energie kann in der Entladungsvorrichtung in Wärme umgewandelt werden. Dadurch kann eine einfache und kostengünstige Energieumwandlung bei niedrigen Arcraten erfolgen. Dem Energiespeicher kann entnommene Energie zumindest teilweise über eine der Entladungsvorrichtung nachgeschaltete Energieumwandlungsvorrichtung der Leistungsversorgung rückführbar sein.
Die Arclöschanordnung kann lediglich in einer Zuleitung angeordnet sein. Dies vereinfacht den Einbau der Arclöschanordnung.
Energiespeichereinheiten der Arclöschanordnung können zwischen zwei Zuleitungen geschaltet sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass zwei Energiespeichereinheiten in Serie geschaltet sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbespielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Bevorzugte Ausführungsbespiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1a eine erste Ausführungsform einer Wechselspannungsgasentladungsanregungsanordnung, die an eine Gasentladungskammer angeschlossen ist;
1b eine alternative Ausführungsform der Wechselspannungsgasentladungsanregungsanordnung;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Arclöschanordnung;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Arclöschanordnung;
4 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Arclöschanordnung;
5 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Arclöschanordnung.
In der 1a ist eine Wechselspannungsgasentladungsanregungsanordnung 1 dargestellt, die über Zuleitungen 2 an Elektroden 3, 4 einer Gasentladungskammer 5, insbesondere einer Plasmaanlage, angeschlossen ist. Die Elektroden 3, 4 sind in der Gasentladungskammer 5 angeordnet, in der ein Werkstück 6 bearbeitet wird.
Die Wechselspannungsgasentladungsanregungsanordnung 1 umfasst einen Wechselspannungsgenerator 7.1, der einen Netzanschluss 8, der ein- oder mehrphasig sein kann, aufweist. An den Netzanschluss 8 ist ein Netzgleichrichter 9 angeschlossen, der weitere Bauelemente aufweisen kann, wie beispielsweise einen DC/DC-Wandler. An seinem Ausgang liegt eine so genannte Zwischenkreisgleichspannung. Dem Netzgleichrichter 9 nachgeschaltet ist ein Spannungsumformer 10, der eine Brückenschaltung 11 umfasst. Durch den Spannungsumformer 10 wird ein Ausgangsschwingkreis 12 angesteuert. Das Ausgangssignal des Spannungsumformers 10 wird durch eine den Spannungsumformer 10 ansteuernde Spannungsumformersteuerung 13 eingestellt. Der Spannungsumformer 10 und der Ausgangsschwingkreis 12 können als Leistungsversorgung 27, insbesondere als Wechselspannungs- oder Wechselstromquelle, betrachtet werden. Der Ausgangsschwingkreis 12 kann wie hier dargestellt ein Parallelresonanzkreis sein oder als Serienresonanzkreis ausgeführt sein.
Der Ausgangsschwingkreis 12 umfasst einen Kondensator 14 sowie die Streuinduktivität 15 eines Ausgangtransformators 16. Durch den Ausgangstransformator 16 kann eine galvanische Trennung durchgeführt werden. Außerdem kann er zur Spannungseinstellung verwendet werden. Um die Resonanzfrequenz optimal einstellen zu können, kann der Kondensator 14 einstellbar sein. In die zur Elektrode 3 der Gasentladungskammer 5 führende Zuleitung 17 sind Arclöscheinrichtungen 18 geschaltet. Zwischen den Zuleitungen 17, 19 sowie am Ausgangsanschluss 20 des Wechselspannungsgenerators 7.1 liegt im Normalbetrieb eine Mittelfrequenz(MF)-Wechselspannung mit Frequenzen von 5 kHz bis 500 kHz an.
Kommt es in der Gasentladungskammer 5 zu einem Lichtbogen (Arc), so wirkt sich das auf Strom und/oder Spannung und/oder Leistung im Wechselstromgenerator 7.1 aus. Eine oder mehrere dieser Größen können beispielsweise durch eine Messeinrichtung 21, die zwischen Spannungsumformer 10 und Ausgangsschwingkreis 12 angeordnet ist, gemessen werden. Die Messeinrichtung 21 könnte jedoch auch an einer anderen Stelle im Wechselspannungsgenerator 7.1 oder sogar gasentladungskammerseitig angeordnet sein.
Aufgrund der durch die Messeinrichtung 21 gemessenen Größe(n) kann eine Arcerkennungseinrichtung 22 bestimmen, ob ein Arc aufgetreten oder im Entstehen ist. Die Arcerkennungseinrichtung 22 stellt ebenso wie die Arclöscheinrichtungen 18 einen Teil einer Arclöschanordnung 23.1 dar. Die Arcerkennungseinrichtung 22 steht außerdem mit der Spannungsumformersteuerung 13 in Verbindung. Sie kann diese so beeinflussen, dass beim Erkennen eines Arcs die Brückenschaltung 11 so angesteuert wird, dass keine Energie mehr aus dem Spannungsumformer 10 in Richtung des Ausgangsschwingkreis 12 fließt. Die Arclöscheinrichtung 18 weist einen Energiespeicher auf, dem Restenergie, z. B. aus (Leitungs-)Induktivitäten 17.1, 19.1, 17.4, 19.4 oder der Gasentladungskammer 5 beim Auftreten eines Arcs zugeführt wird. Die Induktivitäten 17.1, 19.1 können auch Anteile von Streuinduktivitäten des Ausgangtransformators 15 darstellen oder enthalten. Die Induktivitäten 17.4 und 19.4 stellen im Wesentlichen die Zuleitungsindutkivitäten dar, die die Zuleitungen 2 vom Wechselspannungsgenerator 7.1 zu den Elektroden 3, 4 einer Gasentladungskammer 5 aufweisen.
Die Zuleitung 19 kann auch mit den Arclöscheinrichtungen 18 verbunden sein, was mit der Bezugsziffer 24 angedeutet ist.
Die Arclöscheinrichtungen 18 können auch Verbindungen zu einem Masseanschluss aufweisen, was mit der Bezugsziffer 24.1 angedeutet ist. Dieser Masseanschluss 24.1 kann eine direkte Verbindung zu einem Masseanschluss 8.1 des Wechselspannungsgenerators 7.1, und/oder des Netzanschlusses 8 aufweisen.
Dieser Masseanschluss 24.1 kann alternativ oder zusätzlich auch eine direkte Verbindung zu einem Masseanschluss 5.1 der Gasentladungskammer 5 aufweisen.
Optional können die Arclöscheinrichtungen 18 eine Energieumwandlungsvorrichtung 25 aufweisen, die die im Energiespeicher zugeführte Energie in Gleichspannungsleistung umwandelt und über eine Verbindung 29 einem Gleichspannungsversorgungspunkt 28 im Wechselspannungsgenerator 7.1 zuführt. Der Gleichspannungsversorgungspunkt 28 kann beispielsweise die Zwischenkreisgleichspannung sein.
Die 1b entspricht im Wesentlichen der 1a mit dem Unterschied, dass die Arclöschanordnung 23.2 außerhalb des Wechselspannungsgenerators 7.2 angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Arclöscheinrichtungen 18 in einer der Zuleitungen 2 zur Gasentladungskammer 5 angeordnet ist. Es kann dabei eine Arcerkennungseinrichtung 22.1 im Wechselspannungsgenerators 7.2 und/oder eine Arcerkennungseinrichtung 22.2 in der Arclöschanordnung 23.2 angeordnet sein.
Sowohl bei der Ausführungsform gemäß 1a als auch bei der Ausführungsform gemäß 1b kann jeweils eine Arclöscheinrichtung 18 in einer Zuleitung 2, 17, 19 angeordnet sein oder die Arclöscheinrichtungen 18 können zwischen den Zuleitungen 2, 17, 19 angeordnet sein.
Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Arclöschanordnung 23.3 mit zwei Arclöscheinrichtungen 18.1, 18.2. Die Arclöschanordnung 23.3 weist Zuleitungsabschnitte 17.2, 17.3 auf. Jede Arcläscheinrichtung 18.1, 18.2 weist einen Energiespeicher 30a, 30b auf, die im Ausführungsbeispiel jeweils als Kondensator ausgebildet sind. Die Energiespeicher 30a, 30b sind jeweils über einen als IGBT ausgebildeten Schalter S1, S2 und eine dazu antiparallel geschaltete Diode D1, D2 mit den Zuleitungsabschnitten 17.2 bzw. 17.3 verbunden. Weiterhin sind die Energiespeicher 30a, 30b unmittelbar mit den Leitungsabschnitten 17.2 bzw. 17.3 verbunden.
Weiterhin sind Dioden D3, D4 vorgesehen. Die Bauelemente S1, D1 und D3 können in einem vorgefertigten Modul 31 und die Bauelemente S2, D2 und D4 in einem vorgefertigten Modul 32 angeordnet sein. Der Schalter S1 bildet mit der Diode D1 eine Schalteranordnung und der Schalter S2 bildet mit der Diode D2 eine Schalteranordnung. Der Energiespeicher 30a ist zwischen den Verbindungspunkt VP1 der Dioden D2, D4 und den Zuleitungsabschnitt 17.3 und der Energiespeicher 30b ist zwischen den Verbindungspunkt VP2 zwischen den Dioden D1, D3 und den Zuleitungsabschnitt 17.2 geschaltet. Die Anode der Diode D3 ist mit den Zuleitungsabschnitt 17.3 und die Anode der Diode D4 ist mit den Zuleitungsabschnitt 17.2 verbunden.
Im Normalbetrieb fließt der Strom in der einen Richtung von Zuleitungsabschnitt 17.2 über die Diode D4 und Schalter S2 zum Zuleitungsabschnitt 17.3 und in der anderen Richtung von Zuleitungsabschnitt 17.3 über die Diode D3 und den Schalter S1 zum Zuleitungsabschnitt 17.2.
Im Falle einer Arcerkennung werden die im Normalbetrieb geschlossenen Schalter S1, S2 geöffnet. Dadurch fließt ein Strom nicht mehr über die Schalter S1, S2, sondern über die Dioden D3, D4 und über die Energiespeicher 30a, 30b. Energie in den Zuleitungen 17, 19 und in der Gasentladungskammer 5 wird in die Energiespeicher 30a, 30b geladen. Aufgrund des Schaltzustands der Schalter S1, S2, die nicht-lineare Bauelemente darstellen, und der Anordnung der Dioden D1 bis D4 wird ein Rückfluss von Energie aus den Energiespeichern 30a, 30b in die Zuleitungen 17, 19 und insbesondere die Gasentladungskammer 5 verhindert. Dabei werden nur zwei baugleiche Module 31, 32 benötigt, die einen Schalter S1 und S2 und je zwei Dioden D1, D3 und D2, D4 aufweisen. Eine Diode D4a zwischen Verbindungspunkt VP1 und dem Energiespeicher 30a kann die Entladung des Energiespeichers 30a beim Einschalten des Schalters S2 verhindern. Genauso kann eine Diode Dia zwischen Verbindungspunkt VP2 und dem Energiespeicher 30b die Entladung des Energiespeichers 30b beim Einschalten des Schalters S1 verhindern. Dioden D4b, D3b können alternativ oder zusätzlich zu den Dioden D4a, D3a vorgesehen sein. Sie haben dieselbe Wirkung wie die Dioden D4a, D3a, oder unterstützen diese in ihrer Wirkung. Die Dioden D4a, D3a können jeweils Teil der Module 31, 32 sein oder auch extern von diesen angeordnet sein.
Die Ansteuerschaltung 33 zur Ansteuerung der Schalter S1, S2 kann mit der Arcerkennungseinrichtung 22 in Verbindung stehen oder ein Teil von ihr sein.
Parallel zu den Energiespeichern 30a, 30b sind Gleichspannungs- oder Gleichstromquellen 34a, 34b vorgesehen, um die Energiespeicher 30a, 30b vorladen zu können. Diese Gleichspannungs- oder Gleichstromquellen 34a, 34b können galvanisch getrennt von einem Masseanschluss des Wechselspannungsgenerators 7.1, bzw. des Netzanschlusses 8 bzw. der Gasentladungskammer 5 sein. Weiterhin sind parallel zu den Energiespeichern 30a, 30b Entladungsvorrichtungen 37a, 37b vorgesehen, über die die Energiespeicher 30a, 30b entladen werden können. Die Entladungsvorrichtungen 37a, 37b können jeweils eine Spannungsüberwachung aufweisen, die den Ladungszustand der Energiespeicher 30a, 30b überwacht und die Entladungsvorrichtung 37a, 37b aktivieren kann, wenn ein vorgegebener Spannungswert überschritten wird. Entsprechend kann eine Entladungsvorrichtung 37a, 37b deaktiviert werden, wenn ein Spannungswert unterschritten wird.
Die 3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Arclöschanordnung 23.4, wobei die Arclöscheinrichtungen 18.3, 18.4 quasi in Serie angeordnet sind. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 2 sind die Energiespeicher 30a, 30b nicht mehr mit den Zuleitungsabschnitten 17.2 bzw. 17.3 verbunden. Der Energiespeicher 30a ist über eine Diode D5 mit einem Verbindungspunkt VP3 und der Energiespeicher 30b über eine Diode D6 mit dem Verbindungspunkt VP3 verbunden. Der Verbindungspunkt VP3 kann mit Masse des Wechselspannungsgenerators 7.1, bzw. des Netzanschlusses 8 bzw. der Gasentladungskammer 5 verbunden sein. Die Gleichstromquellen 34a, 34b sind parallel zu den Energiespeichern 30a, 30b geschaltet. Eine Diode D5a kann alternativ oder auch zusätzlich zur Diode D5 zwischen Verbindungspunkt VP1 und Energiespeicher 30a angeordnet sein. Eine Diode D6a kann alternativ oder auch zusätzlich zur Diode D6 zwischen Verbindungspunkt VP2 und Energiespeicher 30b angeordnet sein. Die Dioden D5a, D6a können jeweils Teil der Module 31, 32 sein oder auch extern von diesen angeordnet sein.
Ebenso wie die Arclöschanordnung 23.3 ist die Arclöschanordnung 23.4 ausschließlich in einer Zuleitung 17 angeordnet. Weitere Bauteile oder Schaltungsanordnungen, die denen der 2 entsprechen, sind mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
Im Normalbetrieb fließt der Strom in der einen Richtung von Zuleitungsabschnitt 17.2 über die Diode D4 und Schalter S2 zum Zuleitungsabschnitt 17.3 und in der anderen Richtung von Zuleitungsabschnitt 17.3 über die Diode D3 und den Schalter S1 zum Zuleitungsabschnitt 17.2. Im Falle einer Arcerkennung werden die im Normalbetrieb geschlossenen Schalter S1, S2 geöffnet. Dadurch fließt ein Strom nicht mehr über die Schalter S1, S2, sondern über die Dioden D3, D4 und über die Energiespeicher 30a, 30b. Energie in den Zuleitungen 17, 19 und in der Gasentladungskammer 5 wird in die Energiespeicher 30a, 30b geladen. Aufgrund des Schaltzustands der Schalter S1, S2, die nicht-lineare Bauelemente darstellen, und der Anordnung der Dioden D1 bis D6 wird ein Rückfluss von Energie aus den Energiespeichern 30a, 30b in die Zuleitungen 17, 19 und insbesondere die Gasentladungskammer 5 verhindert. Dabei werden nur zwei baugleiche Module 31, 32 benötigt, die einen Schalter S1 und S2 und je zwei Dioden D1, D3 und D2, D4 aufweisen.
Die Arclöschanordnung 23.5 der 4 zwischen den Zuleitungen 17, 19 angeordnet. Die Arclöschanordnung 23.5 weist einen ersten Schalter S3 in der Zuleitung 17 und optional einen Schalter S4 in der Zuleitung 19 auf. Eine erste Arclöscheinrichtung umfasst eine Energiespeichereinheit 50.1 und den Schalter S3 während eine zweite Arclöscheinrichtung die Energiespeichereinheit 50.2 und den optionalen Schalter S4 umfasst. Die Energiespeichereinheit 50.1 weist wiederrum einen Energiespeicher 30a und parallel dazu eine Gleichspannungsquelle 34a und eine Entladungsvorrichtung 37a auf. Die Parallelschaltung aus den zuvor beschriebenen Elementen ist mit der Zuleitung 17 verbunden. Ein Verbindungspunkt VP5 ist über eine Diode D7 mit der Zuleitung 19 verbunden. Die Energiespeichereinrichtung 50.2 ist genau andersherum orientiert. Eine Parallelschaltung bestehend aus dem Energiespeicher 30b, einer Gleichspannungsquelle 34b und einer Entladungsvorrichtung 37b ist an die Zuleitung 19 angeschlossen. Der Verbindungspunkt VP6 ist über eine Diode D8 mit der Zuleitung 17 verbunden. Im Normalbetrieb fließt der Strom in der einen Richtung über den Schalter S3 über die (Leitungs-)Induktivität 17.4 zur Plasmakammer 5 und von dort über die Zuleitung (Leitungs-)Induktivität 19.4 über den Schalter 4 zurück und in der anderen Richtung genau umgekehrt. Bei Erkennen eines Arcs wird der Schalter S3 und zusätzlich oder alternativ der Schalter S4 geöffnet. Dies führt dazu, dass Restenergie, die in den Induktivitäten 17.4, 19.4 und ggf. der Plasmakammer 5 enthalten ist, den Energiespeichern 30a, 30b zugeführt wird.
Bei der Ausführungsform der 5 ist die Arclöschanordnung 23.6 wiederrum mit beiden Zuleitungen 17, 19 verbunden. Sie umfasst den Schalter S4 und optional den Schalter S3. Die Energiespeichereinheit 50.3 umfasst einen Energiespeicher 30a, eine Gleichspannungsquelle 34a und eine Entladungsvorrichtung 37a sowie eine Diode D7, die an die Zuleitung 19 angeschlossen ist. Entsprechend umfasst die Energiespeichereinheit 50.4 einen Energiespeicher 30b, eine Gleichspannungsquelle 34b, eine Entladungsvorrichtung 37b und eine Diode D8, die an die Zuleitung 17 angeschlossen ist. Es ist zu erkennen, dass die Energiespeicher 30a, 30b in diesem Fall in Serie angeordnet sind. Die Energiespeicher 30a, 30b, die Entladungsvorrichtungen 37a, 37b und die Gleichspannungsquellen 34a, 34b sind in einem Verbindungspunkt VP7 zusammengeschlossen. Der Verbindungspunkt VP7 kann mit dem Masseanschluss des Wechselspannungsgenerators 7.1, bzw. des Netzanschlusses 8 bzw. der Gasentladungskammer 5 verbunden sein.
Da die Energiespeicher 30a, 30b in 3, 4 und 5 im Normalbetrieb von der Wechselspannung, die an das Plasma angelegt wird, aufgeladen werden, sind die Gleichspannungsquelle 34a, 34b nur dann notwendig, wenn die Spannung in den Energiespeichern 30a, 30b auf größere Werte vorgeladen werden sollen, als sich durch die Schaltung und die Wechselspannung, die an das Plasma angelegt wird, ergeben.
Die Schaltungen gemäß 4 und 5 können nur Energieanteile umladen, die zwischen den Schaltern S3, S4 und der Plasmakammer 5 oder in der Plasmakammer selbst gespeichert sind, also insbesondere in den Induktivitäten 17.4, 19.4. Das ist für die Plasmaanwendung ausreichend, da hiermit die negativen Auswirkungen des Arcs deutlich verringert werden. Für die Leistungsversorgung 27, kann es aber notwendig sein, dass z. B. auch Energieanteile aus den Induktivitäten 19.1, 17.1 sowie aus der Streuinduktivität 15 des Ausgangtransformators 16 umgeladen werden. Dafür können die Energiespeichereinheiten 50.1, 50.2, 50.3, 50.4 zusätzlich oder alternativ zwischen den Schaltern S3, S4 und der Leistungsversorgung 27 vorgesehen werden. Insbesondere kann einer der Schalter S3 oder S4 oder beide Schalter in unmittelbarer Nähe der Plasmastromversorgung angeordnet sein. Die Energiespeichereinheiten 50.1, 50.2, 50.3, 50.4 können dann an einer beliebigen Stelle zwischen Leistungsversorgung 27 und den Schaltern S3, S4 angeordnet sein.
Die Schalter S1, S2, S3, S4 können durch einen Überspannungsschutz geschützt sein. Insbesondere kann bei Transistoren eine Zenerdiode zwischen Gate oder Basisanschluss und Drain- bzw. Kollektoranschluss des Transistors vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1720195 A1 [0005]

Claims

Arclöschanordnung (23.1, 23.2, 23.4, 23.5, 23.6), die mit zumindest einer Zuleitung (2, 17, 19) zwischen einer Leistungsversorgung und einer Elektrode (3, 4) einer Gasentladungskammer (5) verbunden ist oder einen Abschnitt zumindest einer Zuleitung (17.2, 17.3) umfasst, wobei in der Gasentladungskammer (5) sowohl bei einem Stromfluss in einer ersten Richtung als auch bei einem Stromfluss in einer zweiten umgekehrten Richtung jeweils eine Gasentladung erzeugbar ist, mit einer Arclöscheinrichtung (18, 18.1, 18.2, 18.3), dadurch gekennzeichnet, dass für jede Stromrichtung eine Arclöscheinrichtung (18, 18.1, 18.2, 18.3) vorgesehen ist, die jeweils einen Energiespeicher (30a, 30b) zur Aufnahme von in einer Zuleitung (2, 17, 19) zur Gasentladungskammer (5) und/oder in der Gasentladungskammer (5) vorhanden Energie aufweist.
Arclöschanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arclöscheinrichtungen (18, 18.1, 18.2, 18.3) identisch aufgebaut sind.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arclöschanordnung (23.1, 23.2, 23.4, 23.5) symmetrisch aufgebaut ist.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arclöscheinrichtungen (18, 18.1, 18.2, 18.3) nichtlineare Bauteile, insbesondere Dioden (D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8), aufweisen, die derart angeordnet sind, dass ein Leistungsfluss aus dem jeweiligen Energiespeicher (30a, 30b) in die Zuleitungen (2, 17, 19) und die Gasentladungskammer (5) vermindert oder verhindert wird.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Arclöscheinrichtung (18, 18.1, 18.2, 18.3) zumindest einen Schalter (S1, S2, S3, S4) aufweist, der in Serienschaltung in einer von der Leistungsversorgung zu einer der Elektroden (3, 4) der Gasentladungskammer (5) führenden Zuleitung (17, 19) angeordnet ist und der durch Ansteuerung mittels eines Ansteuersignals bei Arcerkennung öffenbar ist
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Arclöscheinrichtung (18, 18.1, 18.2, 18.3) eine Diode (D3, D4) und eine Schalteranordnung aufweist, wobei der Energiespeicher (30a, 30b) an den Verbindungspunkt (VP1, VP2) der Diode (D3, D4) mit der Schalteranordnung angeschlossen ist.
Arclöschanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteranordnung jeweils zumindest einen IGBT aufweist, dem eine antiparallele Diode (D1, D2) zwischen Kollektor und Emitter parallel geschaltet ist.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Module (31, 32) vorgesehen sind, die jeweils eine Schalteranordnung und eine dazu in Serie geschaltete Diode (D3, D4) aufweisen.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Arclöscheinrichtung (18, 18.1, 18.2, 18.3) eine Gleichspannungsquelle (34a, 34b) mit galvanischer Trennung zu einem Massepotential zur Vorladung des Energiespeichers (30a, 30b) aufweist.
Arclöschanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (34a, 34b) parallel zu einem Energiespeicher (30a, 30b) oder parallel zu einer Serienschaltung von einer Diode (D5, D6, D7, D8) und einem Energiespeicher (30a, 30b) geschaltet ist.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Arclöscheinrichtung (18.3, 18.4) eine in Serie zu dem Energiespeicher (30a, 30b) geschaltete Diode (D5, D6, D7, D8) aufweist.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Arclöscheinrichtung (18, 18.1, 18.2, 18.3) eine Entladungsvorrichtung (37a, 37b) zum Entladen des Energiespeichers (30a, 30b) aufweist, die parallel zum Energiespeicher (30a, 30b) geschaltet ist.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsüberwachung vorgesehen ist, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Spannungswerts die Entladungsvorrichtung (37a, 37b) zum Entladen des Energiespeichers (30a, 30b) deaktiviert.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Energiespeicher (30a, 30b) entnommene Energie zumindest teilweise über einen der Entladungsvorrichtung (37a, 37b) nachgeschaltete Energieumwandlungsvorrichtung der Leistungsversorgung rückführbar ist.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie lediglich in einer Zuleitung (17, 19) angeordnet ist.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Energiespeichereinheiten (50.1, 50.2, 50.3, 50.4) der Arclöschanordnung (23.4, 23.5, 23.6) zwischen zwei Zuleitungen (17, 19) geschaltet sind.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Energiespeicher (30a, 30b) in Serie geschaltet sind.
Arclöschanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arclöscheinrichtungen (18, 18.3, 18.4) oder die Energiespeichereinheiten (50.3, 50.4) eine Verbindung zu einem Masseanschluss (24.1) aufweist.