DE102005016996B4

DE102005016996B4 - Strommesseinrichtung

Info

Publication number: DE102005016996B4
Application number: DE102005016996.1A
Authority: DE
Inventors: Christian Fritsch; Ekkehard Mann
Original assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Current assignee: Trumpf Huettinger GmbH and Co KG
Priority date: 2005-04-13
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2025-04-14
Also published as: KR20060109323A; DE102005016996A1; JP5064712B2; JP2006292763A; US20060232265A1; KR100815045B1; US7321227B2

Abstract

Strommesseinrichtung (1) zur insbesondere kontaktlosen Strommessung eines Stroms in einem Strom führenden Leiter (2), umfassend eine Spulenanordnung (3) mit einem Spulenleiter (4) und eine an den Spulenleiter (4) angeschlossene Beschaltung (5), wobei die Spulenanordnung (3) zumindest abschnittsweise von einer Spulenabschirmung (11) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenabschirmung (11) und die Beschaltung (5) unabhängig voneinander an ein Massepotential angeschlossen sind, derart, dass am Anschluss der Beschaltung (5) an das Massepotential keine oder nur geringe Ausgleichsstöme fließen, wobei die Spulenabschirmung (11) kühlmittelgekühlt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strommesseinrichtung zur insbesondere kontaktlosen Strommessung eines Stroms in einem Strom führenden Leiter, umfassend eine Spulenanordnung mit einem Spulenleiter und eine an den Spulenleiter angeschlossene Beschaltung, wobei die Spulenanordnung zumindest abschnittsweise von einer Spulenabschirmung umgeben ist.
Die Anregung eines Plasmas mit Hochfrequenzleistungsstromversorgungen ist z. B. aus der Halbleiterbeschichtung, dem Plasmaätzen, der Laseranregung etc. bekannt. Aus unterschiedlichen Gründen ist eine Messung und Überwachung des von der Stromversorgung an eine Plasmaanlage gelieferten Stroms erforderlich.
Dabei ist eine spulenbasierte Strommessung von relativ hohen HF-Strömen bis zu einigen 10 A bei relativ geringen Störungen verursacht durch elektrische und elektromagnetische Felder < 100 V/m bekannt.
In den Neuentwicklungen in der Plasmatechnik ist nun eine Strommessung in HF-Plasamaanwendungen gefordert, in denen Ströme weit über 100 A bei 1 bis mehrere 100 MHz fließen und an den Stromleitern Spannungen > 1000 V, häufig sogar > 5000 V anliegen, bei Frequenzen von 0 (Gleichspannung) bis mehrere 100 MHz. In einem Abstand von wenigen cm (< 10 cm) von einem Strom führenden Leiter, der auf einem Potential von 1000 V liegt, werden Störfelder von 10 kV/m und mehr erzeugt, die die Strommessung negativ beeinflussen oder mit herkömmlichen Messeinrichtungen unmöglich machen.
Die Ströme, die in der Spule einer herkömmlichen Strommessanordnung induziert würden, wären zu hoch um direkt an einen Anschluss abgeführt zu werden. Insbesondere würden Verluste und Messverfälschungen entstehen, wenn ein großer Strom im Bereich von 1 A mit Signalen im MHZ Bereich (1–100 MHz) über ein Messkabel an eine Messsignalauswerteeinheit geführt würde.
Aus Honea et al., „Improved construction of Rogowski coils for measurement of plasma currents", Journal of Physics E: Scientific Instruments 1974, Volume 7, S. 537, 538 ist die Verwendung einer Rogowski-Spule zur Strommessung bekannt. Dabei weist die Rogowski-Spule eine Abschirmung auf, die mit dem Spulenleiter verbunden ist, so dass die Abschirmung und der Spulenleiter zumindest an einer Stelle auf demselben Potenzial liegen.
Aus der EP 0 365 216 B2 ist ein Stromsensor mit einem magnetischen Kern bekannt, der einen Stromleiter umschließt. Der magnetische Kern ist von Windungen umgeben, die mit einer Auswerteeinheit verbunden sind.
Aus der US 4,841,235 ist ein Stromsensor bekannt geworden, der voneinander beabstandete Polstücke und einen magnetischen Shunt aufweist, der die Polstücke innerhalb eines isolierten Gehäuses überbrückt, wobei das Gehäuse auch einen Wandler und eine elektronische Schaltung zum Messen der magnetischen Feldstärke zwischen den Polstücken aufweist. Die Feldstärke wird als elektrisches Signal an Anschlüssen außerhalb des Gehäuses ausgegeben.
Aus der US 4,616,176 ist ein Stromwandler bekannt, der eine Rogowski-Spule aufweist, die sich um ein erstes leitendes Element erstreckt, in dem ein zu detektierender Strom fließt.
Aus der EP 0 675 368 B1 ist es bekannt, einen Sensorbaustein seitlich jeweils mit einer zugehörigen, über eine Leiterplatte an Masse liegende elektrische Abschirmung zu umgeben.
Die EP 0 751 536 B1 beschreibt ein flüssigkeitsgekühltes Hochleistungs-Hochfrequenzübertragungskabel und ein Ladungssystem.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Strommesseinrichtung bereitzustellen, mit der hochfrequente Ströme bei hohen Störfeldern genau gemessen werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Strommesseinrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es versteht sich, dass zur Strommessung die Spulenanordnung derart im Bereich eines Strom führenden Leiters angeordnet sein muss, dass im Spulenleiter, der bevorzugt in mehreren Windungen einen Teil des vom Strom führenden Leiter erzeugten Magnetfelds einschließt, ein den Strom im Strom führenden Leiter beschreibendes Signal, insbesondere ein zum Strom proportionales Signal erzeugt wird. Dazu weist der Spulenleiter der Spulenanordnung vorzugsweise zwei Anschlüsse auf, an denen das den Strom im Strom führenden Leiter beschreibende Signal anliegt. Mit einer derartigen Anordnung ist eine hochgenaue Strommessung in einem Stromleiter, der einen HF-Strom von einer Hochfrequenz-Plasmastromversorgung zu einer Plasmaanregungsvorrichtung führt, möglich, wobei die Stromstärke > 100 A bei Frequenzen von 1 MHz bis zu mehreren 100 MHz betragen kann, und Störfeldstärken von 10 kV/m und mehr auftreten können, die allenfalls zu vernachlässigbaren Verfälschungen der Messergebnisse führen. Die Störanfälligkeit wird daher reduziert.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Spulenabschirmung und die Beschaltung jeweils einen Masseanschluss aufweisen, wobei die Masseanschlüsse voneinander beabstandet mit einem Massepotential verbunden sind. Dies bedeutet, dass die Beschaltung ebenfalls einen eigenen Anschluss an das Massepotential aufweist, der örtlich getrennt vom Anschluss der Abschirmung angebracht ist, insbesondere an einer Stelle, an der keine hohen Ausgleichsströme fließen. Durch diese Maßnahme wird das Messsignal nicht verfälscht.
Es ist denkbar, die Spulenabschirmung und die Beschaltung an eine gemeinsame Masseplatte anzuschließen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Anschlüsse an einer Masseplatte soweit voneinander entfernt liegen, dass keine oder nur vernachlässigbare Ausgleichströme fließen. Alternativ ist es möglich, die Beschaltung und die Spulenabschirmung an unterschiedliche Masseplatten anzuschließen. Die Masseplatten können dabei durch eine Induktivität mit sehr niedrigem Gleichstromwiderstand (< 0,1 Ohm) verbunden sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Beschaltung eine Abschirmung umfasst und die Abschirmung mit dem Massepotential verbunden ist. Dies bedeutet, dass die Verbindung der Beschaltung zum Massepotential über die Abschirmung der Beschaltung hergestellt werden kann, wenn die Beschaltung mit der Abschirmung elektrisch leitend verbunden ist.
Wenn die Spulenanordnung kreisförmig ausgebildet ist, kann die Spulenanordnung kreisförmig um den Strom führenden Leiter gelegt werden. Die Spulenanordnung liegt dabei vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zum Strom führenden Leiter. Mit einer derartigen Anordnung ist eine besonders genaue und zuverlässige Strommessung möglich.
Vorzugsweise ist auch die Spulenabschirmung kreisförmig ausgebildet, insbesondere als Hohlkörpertoroid ausgeführt. Dadurch kann bei geringem benötigtem Einbauraum eine zuverlässige Abschirmung der Spulenanordnung gegenüber einem elektrischen Feld mit einer Störspannung, das beispielsweise durch den Strom des Strom führenden Leiters erzeugt wird, erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Spulenabschirmung zumindest abschnittsweise offen ist, insbesondere auf der dem Strom führenden Leiter abgewandten Seite offen ist. Besonders bevorzugt ist die Abschirmung als nach außen offener, d. h. in Umfangsrichtung nicht vollständig geschlossener, Hohlkörpertoroid ausgebildet, in der die Spulenanordnung angeordnet sein kann. Dadurch wird eine besonders gute Abschirmung gegen elektrische Felder realisiert. Ein geschlossener (Hohl-)Toroid, also eine Abschirmung, die die Spulenanordnung in Umfangsrichtung vollständig umgibt, würde elektromagnetische Felder vollständig abschirmen und kann deshalb nicht verwendet werden, da in diesem Fall keine kontaktlose Strommessung mehr möglich wäre.
Die Spulenabschirmung ist vorzugsweise aus Kupfer ausgebildet und mindestens 1 mm dick. Eine aus diesem Material ausgebildete Spulenabschirmung kann hohe eingekoppelte Leistungen besonders gut an das Massepotential abführen, ohne hohe Spannungen zu erzeugen. Die dabei entstehende Wärme kann durch Kupfer ebenfalls gut abgeleitet werden.
Bei einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Spulenanordnung ferritfrei ausgebildet ist, insbesondere als Rogowski-Spule ausgebildet ist. Die Spulenanordnung weist vorzugsweise keine ferromagnetischen Teile auf. Unter einer Rogowski-Spule wird eine Spule verstanden, die einen Spulenleiter aufweist, der zumindest abschnittsweise in mehreren Windungen auf einem nicht ferromagnetischen, insbesondere nicht ferritischen Träger der Länge l aufgewickelt ist. Der Spulenleiter verläuft in Windungen von einem Ende des Trägers zum gegenüberliegenden Ende des Trägers. Von dort wird der Spulenleiter innerhalb der Windungen zurückgeführt, so dass beide Spulenleiterenden bzw. -anschlüsse nahe beieinander erreichbar sind. Wenn der Träger dazu noch kreisförmig ausgebildet ist, insbesondere als geschlitzter Kreis, kann die Spulenanordnung besonders einfach um den Strom führenden Leiter herum angeordnet werden.
Die Vorteile von Rogowski-Spulen bestehen darin, dass keine Sättigung und keine ferromagnetischen Verzerrungen auftreten. Deswegen sind sehr hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten (> 40000 A/μs) und sehr hohe Ströme (> 1000 A) bei mehreren 100 MHz messbar. Der Strom führende Leiter muss nicht unterbrochen werden, um die Rogowski-Spule anzubringen. Sie ist daher geeignet für die neuen Anforderungen an Strommessungen in Plasmaanlagen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beschaltung wenigstens eine Bürde, insbesondere einen Widerstand, aufweist. Wird an beide Anschlüsse der Spulenanordnung, insbesondere des Spulenleiters, eine Bürde angeschlossen, insbesondere ein Widerstand, so fällt an dieser eine Spannung ab, die proportional zum Strom im Strom führenden Leiter ist. Bei hohen zu messenden Strömen sind auch die Ströme in der Spulenanordnung relativ hoch, insbesondere bis zu einigen Ampère. Diese Ströme können nicht auf ein Messkabel und zu einer entfernt liegenden Auswerteeinheit geführt werden, ohne dass Messsignalverfälschungen durch das Messkabel zu befürchten sind. Deshalb wird in unmittelbarer Nähe der Spulenanordnung (in einem Abstand von wenigen Zentimetern) eine Beschaltung angebracht, die ihrerseits wieder eine Abschirmung aufweist. Die Beschaltung weist im einfachsten Fall nur eine Bürde auf, an der wegen des Stroms in der Spulenanordnung eine Spannung abfällt, die abgegriffen werden kann. Mit dem Widerstandswert kann der Pegel der Spannungen des Messsignals eingestellt werden. Dieses Messsignal kann problemlos ohne große Verfälschungen zur Messsignalauswerteeinheit geführt werden.
Vorzugsweise weist die Beschaltung zumindest einen Messanschluss zum Anschluss einer Auswerteeinrichtung auf. Vorteilhafterweise weist die Beschaltung zwei Anschlüsse auf, an denen das Messsignal anliegt, wobei einer der Anschlüsse auf dem Massepotential liegt. Dadurch kann die Messgenauigkeit erhöht werden. Das Massepotential liegt vorzugsweise an einer Stelle, an der geringe Ausgleichsströme fließen, so dass nur geringe Störungen durch andere Masseanschlüsse zu befürchten sind.
Durch die Ausgleichsströme in der Spulenabschirmung können hohe Verluste entstehen, die eine große Verlustwärme erzeugen können. Diese Verlustwärme kann die Spulenanordnung zerstören. Deshalb ist es vorteilhaft, wenn die Spulenabschirmung kühlmittelgekühlt, insbesondere wassergekühlt, ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine schematische Draufsicht auf eine Strommesseinrichtung;
2 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II der 1.
In der 1 ist eine Strommesseinrichtung 1 dargestellt, zur Messung eines Stroms durch einen Strom führenden Leiter 2. Die Strommesseinrichtung 1 weist eine Spulenanordnung 3 auf, die als Rogowski-Spule ausgebildet ist. Die Spulenanordnung 3 umfasst einen Spulenleiter 4, der mehrere Windungen aufweist. Der Spulenleiter 4 verläuft in Windungen entlang eines, insbesondere bis zum Ende eines in der 1 nicht dargestellten Spulenträgers und ist innerhalb der Windungen zurückgeführt. Der Spulenträger kann als geschlossener oder nicht geschlossener (offener) Ring ausgebildet sein.
Der Spulenleiter 4 ist an eine Beschaltung 5 angeschlossen, die innerhalb einer als Teil der Beschaltung 5 betrachteten Abschirmung 6 angeordnet ist. Der Spulenleiter 4 ist mit der Abschirmung 6 verbunden, was durch den Anschlusspunkt 7 angedeutet ist.
Die Abschirmung 6 und damit die Beschaltung 5 weist einen Masseanschluss 9 auf. In der Beschaltung 5 ist eine als Widerstand ausgebildete Bürde 10 enthalten, die über den Anschluss 8 mit der Abschirmung 6 und damit mit dem Massepotential verbunden ist. Der Spulenleiter 4 besitzt zwei Anschlüsse 23 und 24. Mit dem Anschluss 23 ist er am Anschlusspunkt 7 an die Abschirmung 6 angeschlossen. Mit dem Anschluss 24 ist er an die Bürde 10 angeschlossen. Über die Abschirmung 6 und die Anschlüsse 7, 8 ist der Anschluss 23 des Spulenleiters 4 mit der Bürde 10 verbunden. Die Bürde 10 ist somit an beide Anschlüsse 23, 24 angeschlossen.
Die Spulenanordnung 3 weist eine Spulenabschirmung 11 auf, die einen Masseanschluss 12 aufweist. Die Masseanschlüsse 9, 12 sind voneinander beabstandet, so das keine oder nur geringe Ausgleichsströme zwischen den Masseanschlüssen 9, 12 fließen. Die Abschirmung 6 hat keine direkte Verbindung mit der Spulenabschirmung 11. Eine indirekte Verbindung über die Masseanschlüsse 9, 12 und beispielsweise eine Masseplatte, an die die Masseanschlüsse 9, 12 voneinander beabstandet angeschlossen sind, ist vorhanden.
Das eine Stromleiterende 13 ist außer an die Bürde 10 an einen Messanschluss 14 angeschlossen, an den über ein Messkabel eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung angeschlossen werden kann. Ein zweiter Anschluss des Messkabels kann an die Abschirmung 6 und damit an ein Massepotential mit niedrigen Störpegeln angeschlossen werden. Dieser Anschluss kann als Abschirmung für das Messkabel von Messanschluss 14 zur Auswerteeinrichtung genutzt werden. Wenn in dem Strom führenden Leiter 2 ein Strom fließt, wird im Spulenleiter 4 eine Spannung induziert, die wiederum einen Stromfluss nach sich zieht, so dass über der Bürde 10 eine Spannung abfällt. Diese Spannung kann zwischen den Punkten 8 und 14, als insbesondere zwischen dem Messanschluss 14 und einer beliebigen Verbindung zum Massepotential abgegriffen werden. Sie ist ein Maß für den im Strom führenden Leiter 2 fließenden Strom.
In der 2 ist eine Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II der 1 gezeigt. Hier ist deutlich zu erkennen, dass die Spulenanordnung 3 innerhalb einer nach außen offenen Spulenabschirmung 11, die ringförmig, insbesondere als Hohlkörpertoroid, ausgebildet ist, angeordnet ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Spulenabschirmung 11 im Querschnitt U-förmig als geschlossene Ringform ausgebildet, wobei die U-Form vorzugsweise aus zwei Schenkeln und einem diesen verbindenden Steg gebildet ist, so dass im Wesentlichen eine Rechteckform entsteht. Die Fertigung wird dadurch vereinfacht. Die Spulenabschirmung 11 könnte jedoch auch eine geschlitzte Ringform aufweisen. Insbesondere schirmt die Abschirmung 11 die Spulenanordnung 3 gegenüber elektrischen Feldern, die durch große Spannungen am Strom führenden Leiter 2 erzeugt werden, kapazitiv ab. Deutlich zu sehen ist, dass der Rückleiter 20 der Spulenanordnung 3 mittig in den Windungen 21, die auf einen Träger 22 aufgewickelt sind, geführt ist.
Auf der Spulenabschirmung 11 ist ein als Kupferrohr ausgebildeter Kühlkörper 25 angeordnet, der Kühlflüssigkeit zur Kühlung der Spulenabschirmung 11 führt. Der Kühlkörper 25 weist zumindest abschnittsweise eine zum Wärmeaustausch geeignete Verbindung zur Spulenabschirmung 11 auf.

Claims

Strommesseinrichtung (1) zur insbesondere kontaktlosen Strommessung eines Stroms in einem Strom führenden Leiter (2), umfassend eine Spulenanordnung (3) mit einem Spulenleiter (4) und eine an den Spulenleiter (4) angeschlossene Beschaltung (5), wobei die Spulenanordnung (3) zumindest abschnittsweise von einer Spulenabschirmung (11) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenabschirmung (11) und die Beschaltung (5) unabhängig voneinander an ein Massepotential angeschlossen sind, derart, dass am Anschluss der Beschaltung (5) an das Massepotential keine oder nur geringe Ausgleichsstöme fließen, wobei die Spulenabschirmung (11) kühlmittelgekühlt ist.
Strommesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenabschirmung (11) und die Beschaltung (5) jeweils einen Massenanschluss (9, 12) aufweisen, wobei die Massenanschlüsse (9, 12) voneinander beabstandet mit einem Massepotential verbunden sind.
Strommesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenabschirmung (11) und die Beschaltung (5) an eine gemeinsame Masseplatte oder an unterschiedliche Masseplatten angeschlossen sind.
Strommesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaltung (5) eine Abschirmung (6) umfasst und die Abschirmung (6) mit dem Massepotential verbunden ist.
Strommesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (3) kreisförmig ausgebildet ist.
Strommesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenabschirmung (11) kreisförmig ausgebildet ist, insbesondere als im Querschnitt rechteckförmiger Hohlkörpertoroid ausgeführt ist, und insbesondere abschnittsweise offen ist.
Strommesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (11) ferritfrei ausgebildet ist, insbesondere als Rogowski-Spule ausgebildet ist.
Strommesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaltung (5) wenigstens eine Bürde (10), insbesondere einen Widerstand aufweist.
Strommesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschaltung (5) zumindest einen Messanschluss (14) zum Anschluss einer Auswerteeinrichtung aufweist.