книги / Электрооборудование электровакуумного производства
..pdfпредохранители Прх... Пр$ и включается замыканием контактов магнитного пускателя Р2- Маломощные сиг нальные неоновые лампы Л \ —Л3 подключены парал лельно контактам пускателя Р2 через резисторы Ri — R° (без них любая газоразрядная лампа не может работать в режиме тлеющего разряда, для которого она предназ начена, а перейдет после зажигания в режим дугового разряда и выйдет из строя). Эти лампы сигнализируют о наличии напряжения на выводах электродвигателя М\. При перегорании одной из плавких вставок предохрани телей flpi —Пр3 соответствующий фазовый провод дви гателя отъединяется от сети, напряжение на нем падает и соответствующая лампа гаснет.
Это позволяет вовремя заметить обрыв цепи питания одной из фаз двигателя и не допускать его длитель ной работы на двух фазах, при которой он перегревает ся и может выйти из строя.
Вместе Q тем механический насос вакуумного агре гата является равномерной, мало меняющейся нагруз кой, поэтому вероятность длительной перегрузки элек тродвигателя мала и тепловая защита (от перегрева) не применяется. Практика эксплуатации вакуумных агрегатов показала достаточность защиты электродвига теля привода механического насоса только от случайных коротких замыканий с помощью плавких предохрани телей.
Электродвигатель М2 закрывает и открывает задвиж ку вакуумного затвора, для чего он подключается к сети или контактами пускателя Р6 или контактами пускателя Р8. Из схемы видно, что при замыкании контактов Ре левая (по схеме) фаза двигателя М2 подключается к се тевой шине 3, а правая — к шине 1. При замыкании кон тактов пускателя Р8 подключение крайних фаз двигателя меняется на обратное и двигатель вращается в обратную сторону.
Паромасляный насос вакуумного агрегата содержит нагреватель сопротивления (Рю— Р 12), который под ключен к электросети контактами пускателя Р3. Предо хранители Пр1— Пра защищают нагреватели от корот ких замыканий, а сигнальные лампы JIt —Ль сигнализи руют о наличии тока в каждой фазе нагревателя.
Следует обратить внимание на различие назначения сигнальных ламп Л \ —Л3 и Л4 —Л3. Если первые „све тятся при наличии напряжения на фазных проводах дви
191
гателя М\ независимо от того, идет ли через двигатель ток или нет, то вторые светятся при наличии тока в со ответствующей фазе нагревателя, протекание которого через низкоомные резисторы #7—#» создает ня них паде ние напряжения 3,5—6,3 В, что не вызывает больших по терь мощности и вполне достаточно для питания мини атюрной лампы накаливания.
Разные схемы сигнализации здесь применяются на основе следующих соображений. Вероятность обрыва фазного провода электродвигателя мала, требуется толь ко защита от короткого замыкания, и если оно возни кает, то перегорает один из предохранителей Пр\— Прз, точнее говоря — его плавкая вставка. Этот факт и нужно зафиксировать сигнальной лампой, и он фиксируется по исчезновению напряжения, т. е. по погасшей лампе. Если это произошло при работе двигателя, немедленной ава рии не произойдет; двигатель, будучи разогнан, может работать далее и на двух фазах, правда, со снижением мощности, но запустить на двух фазах его будет нельзя, так как возникнут большие токи и сгорит еще одна встав ка и двигатель тем самым отключится от сети. Во избе жание этих последствий обслуживающий персонал по свечению одной из ламп обнаруживает обрыв фазы (сго ревшую вставку) и перед началом следующего цикла ра боты устраняет причину обрыва.
Другие условия и другие соображения принимаются
во внимание п р и |
рассмотрении работы нагревателя |
Ды — R12- Выход из |
строя нагревателя может происхо |
дить как от коротких замыканий, так и от перегорания самого электронагревателя, обычно изготовленного из ленты или проволоки сплава высокого сопротивления. Короткое замыкание приводит к перегоранию плавкой вставки и исчезновению напряжения на выводах нагре вателя. Это можно было бы индицировать, как в схеме питания двигателя Mi, но в случае обрыва в самом на гревателе напряжение на его зажиме осталось бы прак тически прежним, так как предохранитель остался исправным и лампа продолжала бы светиться, не пода вая сигнала об обпыве нагревателя. А это сигнал суще ственный, так как выход из строя хотя бы одного из на гревателей нарушает работу паромасляного насоса.
Так как при обрыве нагревателя исчезает ток, то и требуется обнаружить его исчезновение. Это достигает ся включением в цепь каждой фазы нагревателя небдль-
№
того резистора, падение напряжения на котором (при прохождении через него тока) является питающим на пряжением сигнальной лампы накаливания, в данном случае лампы МН6,3-0,22.
Схема индикации тока менее экономична, чем схема индикации напряжения, и применяется только в случаях, когда наличие напряжения еще не говорит о том, что через потребитель электроэнергии идет ток, т. е. потреб ляется электроэнергия. К таким потребителям, кроме электронагревателей, относятся еще гальванические ван ны, осветительные лампы и др.
Рассмотрим схему привода вращения подложки, представленную на рис. 2-53. Электродвигатель посто янного тока М3 типа СЛ имеет напряжение питания 110 В и подключен к сети 220 В через понижающий трансформатор Тр12, с вторичной обмотки которого через выпрямительный мост на диодах Д 42— Д 45 подается на пряжение на обмотку возбуждения. Ток, проходящий через нее, создает постоянный магнитный поток возбуж дения. Якорь двигателя питается через выпрямительный мост на диодах Дза — Ди от регулирующего автотранс форматора Тр1з. Напряжение на якоре определяется по ложением движка автотрансформатора и может уста навливаться в пределах 0—110 В.
При неизменном потоке возбуждения и постоянной нагрузке на валу двигателя скорость его вращения про порциональна напряжению на якоре, т. е. задается по ложением движка автотрансформатора Тр\3. Такая схе ма включения электродвигателя называется схемой не зависимого возбуждения, так как поток возбуждения не
13—75 193
зависит от напряжения или тока якоря, в отличие от схем параллельного и последовательного возбуждения, когда обмотка возбуждения соединена параллельно или последовательно с якорем и имеет то же напряжение или тот же ток, что и якорь. В схеме независимого возбуждения требуются отдельные источники питания цепей якоря и возбуждения, в данном случае — отдельные вы прямители Дз8 —Ди и Д42 —Д45- Незначительное влия ние нагрузки на скорость вращения двигателя является в данном случае существенным достоинством, позволя ющим использовать эту схему, несмотря на некоторое усложнение питания.
В рассматриваемой схеме не применяются специаль ные меры для расширения диапазона скоростей враще ния и повышения стабильности заданной скорости, так как и то и другое обеспечиваются естественными харак теристиками электродвигателя независимого возбуж дения.
Диапазон скоростей составляет 5: 1 (не менее), а не стабильность скорости не превышает 10% заданной, что полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым технологией к равномерности и скорости вращения под ложки в процессе напыления.
Включается привод выключателем В15 и защищен от коротких замыканий плавким предохранителем Пр\ь- Для индикации скорости вращения подложки в схеме привода использован тахометрический мост (сокращен но— тахомост), состоящий из резисторов /?54, R5в, Rm и сопротивления обмотки якоря. Сопротивления резисто ров подобраны так, что соблюдается условие баланса моста, т. е. при подаче напряжения на питающую диа гональ моста — в точки а и б напряжение на измеритель ной диагонали — в точках в и г — отсутствует. Но мост сбалансирован для заторможенного двигателя, когда цепь его якоря является просто сопротивлением. Если якорь вращается, на его выводах действует еще и противоэлектродвижущая сила (противо-э. д. с.), направлен ная навстречу питающему напряжению и пропорциональ ная скорости вращения. Она поступает на измерительную диагональ моста через резистор Rw и измеряется с по мощью вольтметра ЯД7 с добавочным резистором # 55-
Шкала вольтметра градуирована непосредственно в единицах измерения частоты вращения подложки, об/мин.
194
Сопротивления резисторов выбраны из следующих соображений. Через резистор Rsj протекает ток якоря, поэтому его сопротивление должно быть меньше сопро тивления якоря, чтобы на нем не выделялось много энер гии и падение напряжения составляло 3—10% номиналь ного напряжения якоря. Через резисторы # 54— #56 дол жен протекать ток, составляющий 3—10% номинального тока якоря во избежание излишнего выделения энергии. Но уменьшение сопротивления # 57 и увеличение #54 и #56 вместе со снижением потерь энергии ведет к сниже
нию чувствительности тахомоста и к необходимости при менения более чувствительного, а значит, и более доро гого вольтметра. Резистор # 55—добавочное сопротивле ние вольтметра — служит для подгонки масштаба шка лы вольтметра, т. е. для обеспечения соответствия меж ду показанием вольтметра и фактическим значением скорости двигателя.
Рассмотрим схему питания испарителей, представлен ную на рис. 2-54. Нагреватели испарителей выполнены, как правило, конструктивно совмещенными с емкостями для испаряемого материала, поэтому обладают очень малым омическим сопротивлением и для их питания при> ходится применять низкое напряжение при больших зна чениях тока. Это в свою очередь требует применения больших сечений проводов и коммутирующей аппарату ры, рассчитанной на большие токи.
Установка вакуумного напыления содержит четыре испарителя, работающих последовательно, в любом по-
1 3 * |
1 9 5 |
рядке, но только по одному. Ток в каждом нагревателе регулируется в диапазоне ,10:1. Сетевое напряжение 220 В поступает через предохранитель Пр12 и пусковой контакт Р\ъ-\ на регулирующий автотрансформатор Трй и с его выхода на понижающий трансформатор Тра. Мак симальное напряжение на вторичной обмотке Тр9 состав ляет 15 В и может быть снижено с помощью автотранс форматора Трв практически до нуля. Четыре нагревателя /?хэ—/?22 включены параллельно, и каждый из них под ключается к питающему напряжению с помощью одного из симисторов Д \а—Д 19. Ток нагревателя измеряется од ним из амперметров ИП3 и ИП4, подключаемых после довательно с работающим нагревателем с помощью си мисторов Д3 и Д ь.
Симисторы использованы в этой схеме вместо кон тактов: Д 1з—Д 19 вместо замыкающих контактов, а Д 3 и Дь — вместо одного переключающего контакта. Такая схема в обычном (контактном) исполнении чрезвычайно громоздка. Нагреватели, потребляющие токи до 300 А, переключались с помощью мощных рубильников или сильноточных контакторов, которые выпускаются про мышленностью только в трехфазном (т. е. трехконтакт ном) исполнении. Каждое из таких замыкающих устройств приходилось выбирать на максимальный ток нагревателя через один контакт, так как разветвлять ток на три параллельно включенных контакта нельзя: один из контактов всегда размыкается последним, и че рез него проходит весь размыкаемый ток, т. е. ток, на размыкание которого и рассчитывается контактор. Та ким образом, стандартная аппаратура коммутации на гревателей получалась в 3 раза больше по объему, чем необходимо. Попытка применения нестандартных одно контактных устройств индивидуального выпуска (собст венной разработки) приводила к удорожанию и сниже нию надежности установок напыления.
Эти неудобства полностью исключаются применением симметричных тиристоров. Эти приборы являются бес контактными ключевыми элементами — аналогом замы кающего контакта и представляют собой сложную полу проводниковую структуру, которая может иметь два со стояния: проводимости и непроводимости.
Открывание симметричного тиристора производится пропусканием тока через управляющий электрод путем подачи на него напряжения через ограничительный ре-
196
Зистор. Так, тиристор Д в открывается подачей напря жения + 12 В на управляющий электрод через резистор /?15. Открытый тиристор проводит ток в обоих направ лениях, почему и называется симметричным тиристором. Тиристором же называется диод, который в проводящем направлении проводит только после открывания его то ком управляющего электрода, а в обратном направлении не проводит, как обычный диод. К достоинствам тирис тора относятся конструктивная простота и высокая ком пактность по сравнению с обычными контакторами при коммутации одинаковых значений токов. В общем случае применения полупроводниковых коммутирующих элемен тов, таких, как тиристор и др., по сравнению с элемента ми, снабженными механическими контактами, получают значительный выигрыш в надежности систем коммута ции при их незначительном усложнении за счет введения цепей управления. Существенно уменьшается объем ап паратуры, так как объем полупроводникового коммути рующего элемента в десятки раз меньше объема, зани маемого контактором при том же токе коммутации. Од нако при использовании полупроводниковых элементов в качестве коммутационных приходится учитывать и це лый ряд недостатков, присущих полупроводниковым эле ментам. Так, например, полупроводниковый элемент в закрытом состоянии обладает относительно большими токами утечки, что должно быть учтено при разработке схем и является ограничением для применения в отдель ных схемах. В открытом состоянии полупроводниковый элемент обладает падением напряжения в пределах 0,5— 1,5 В. Механический контакт в разомкнутом положении имеет пренебрежимо малый ток утечки, с величиной которого приходится считаться только в специальных случаях, а в замкнутом положении падение напряжения составляет десятые и сотые доли вольта, что на одиндва порядка меньше, чем у полупроводникового эле мента.
В рассматриваемом случае недостатки симметрично го тиристора как полупроводникового коммутирующего элемента для данной схемы несущественны. Управление работой осуществляется подачей постоянного напряже ния 12 В на управляющие электроды через ограничи тельные резисторы. Включение испарителя с помощью симметричного тиристора и его выбор осуществляются включением соответствующего контакта Pis-i—Pzi~u
197
а индикаций тока Испарителя включением амперметра с требуемой шкалой осуществляется включением соответ ствующего симистора через переключающий контакт Рп. В зависимости от положения движка автотрансформато ра при работе каждого испарителя ток может меняться от 0 до 200 А. Ток испарителя контролируется ампермет ром переменного тока электромагнитной системы. Из-за нелинейности шкалы этих приборов отсчет значений, меньших 20% максимального значения, практически не возможен. В связи с этим для измерения тока в широком диапазоне приходится использовать несколько шкал. Из мерение на разных шкалах может быть выполнено с по мощью применения многопредельных приборов, исполь зования специальных измерительных трансформаторов тока с различными пределами измерения за счет изме нения коэффициента трансформации, а также примене ния нескольких приборов с разными шкалами, что и сде лано в рассматриваемой схеме. Прибор ИП3 имеет шка лу 0—200 А, а прибор ЯЯ4 имеет шкалу 0—50 А, что позволяет контролировать ток испарителя в пределах 10—200 А включением соответствующего прибора с по мощью симметричного тиристора.
Здесь уместно сделать замечание о пределах регули рования и измерения параметров или показателей любо го технического устройства: всякий параметр имеет верх ний и нижний пределы, отношение первого ко второму (диапазон измерения или регулирования) не может быть бесконечным, так как это технически невыполни мо. Это равносильно требованию, чтобы верхний предел был меньше бесконечности, а нижний больше нуля. На пример, часто применяемое выражение «от нуля до мак симума» применительно к техническому устройству не верно: на выходе автотрансформатора с максимальным напряжением 250 В невозможно получить 0,1 В, так как э. д. с. одного витка гораздо больше и измерить такое напряжение вольтметром на 250 В также нельзя. Регу лировать и измерять любой параметр можно только в конечном диапазоне, и чем он больше, тем сложнее будет устройство как для регулирования, так и для из мерения.
Работа схемы питания испарителей происходит сле дующим образом: замыканием одного из контактов Р ]8_1 — Р21-1 включается нагрев одного из испарителей, автотрансформатором Тр& устанавливается требуемое
198
значение тока, которое контролируется по амперметрам ИПз и # # 4, один из которых всегда включен открытым симистором. Схема питания испарителей в целом вклю чается пусковым контактом Р\ь~\.
В установке вакуумного напыления перед нанесением покрытия подложка тщательно очищается от органиче ских загрязнений в тлеющем разряде в разреженном га зе. Ионная бомбардировка очищает поверхность подлож-
Дг5...Дзг R31...RU6 Дзз...Дло
Рис. 2-55. Схема питания электродов рабочей камеры.
ки до очень малых остаточных загрязнений, недоступных для других методов очистки. На рис. 2-55 показана элек трическая схема включения электродов рабочей камеры установки.
От сети 220 В напряжение подается в схему пакетным выключателем В2. В качестве защитных устройств использованы блокировочный выключатель дверцы В3 и плавкий предохранитель Пр\3. При включении пусковых контактов Р\2 это напряжение поступает через элементы защиты на автотрансформатор Трю, с помощью которого осуществляется регулирование режима газового разря да. Регулируемое напряжение с движка автотрансфор матора Грю поступает в первичную обмотку повышаю щего трансформатора Гри. Высокое напряжение (до 3000 В) с вторичной обмотки выпрямляется мостовой схемой, выполненной на диодах Д 2ъ— Диз- Выпрямлен ное напряжение поступает на электроды газоразрядного
199
промежутка 5 i — Э3 или Эъ — корпус. Выбор соответст вующих электродов осуществляется с помощью пере ключателя # 4- Газовый разряд возникает и поддержи вается в зависимости от положения переключателя В4 между электродами Э[ и Э3 или между электродом Эл и стенкой рабочей камеры установки. Последовательно с выпрямительными диодами Д %5— Дш включены резис торы Р31— Р46, выполняющие две функции: выравнива ние тока двух параллельно включенных диодов и огра ничение тока газового разряда. Так как в каждом плече мостовой схемы выпрямления установлено по два парал лельно включенных диода, то для равномерного распре деления тока по обоим диодам включаются выравнива ющие резисторы последовательно с каждым диодом. Для выполнения функции выравнивания достаточно примене ния низкоомных резисторов, сопротивление которых вы бирается таким, чтобы падение напряжения на выравни вающем резисторе было не больше двух-трехкратного значения падения напряжения на диоде, так как увели чение сопротивления выравнивающего резистора приво дит к уменьшению к. п. д., не улучшая влияния на пере распределение токов между диодами. В связи с тем, что выпрямитель работает на газоразрядный промежуток, в котором создается и поддерживается режим нормаль ного тлеющего разряда, для создания условий устойчи вого разряда необходима схема ограничения тока разря да. Наиболее часто используется схема, в которой между источником напряжения и газоразрядным промежутком включается ограничительный резистор. Такая схема (см. рис. 1-37,я), не обладая высоким к. п. д., позволяет про стыми техническими средствами стабилизировать режим тлеющего разряда. На рис. 1-37,я газоразрядный проме жуток используется для целей стабилизации напряже ния. Типичная вольт-амперная кривая нормально тлею щего разряда показана на рис. 1-36. Очевидно, что изме нение состава газа и разрежения не меняет качественной картины, а приводит лишь к количественным измене ниям, т. е. к изменению масштаба изображенной кривой. Для того чтобы выйти на пологий участок характеристи ки и сохранить на нем рабочую точку при работе каме ры в режиме тлеющего разряда, в рассматриваемой схеме вместо ограничительного резистора применен источник питания с повышенным внутренним сопротив лением. Источник напряжения, т. е. источник, обладаю-
200