CN107925238B - 用于防止火花放电的控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于保护具有高电压电源的静电喷涂装置防止火花放电的控制电路。控制电路具有用于自动断开高电压电源的断开设备，并且具有用于检测高电压电源的异常操作的设备。用于检测高电压电源的异常操作的设备被设计为监视作为高电压电源的操作的特性的至少一个参数，并且当作为高电压电源的操作的特性的至少一个参数超过或低于预定义或可定义的极限值时向断开设备输出对应的断开信号。

Description

用于防止火花放电的控制电路
技术领域
本发明涉及静电涂覆领域。具体而言，本发明涉及用于安全使用基于静电的涂覆技术的保护措施。静电涂覆工艺的显著特征在于使用通常几万伏的高电压并同时产生爆炸性溶剂/蒸汽-空气混合物或粉尘/空气混合物。
背景技术
在液体涂料的静电喷涂中，液体涂层材料通过电场的作用力转化成涂料微滴雾并沉积在待涂覆物体(工件)上。在这种情况下，微滴由数量级为几万伏的高电压充电，因此它们将被吸引到接地的物体(工件)。涂层材料可以通过压缩空气、液体压力或通过所述方法和其他离心力的组合来喷射。
在静电粉末涂覆工艺中，气流将涂层材料(涂料粉末)从粉末容器引导至静电喷涂装置。流过喷涂装置的粉末颗粒通常由高电压电源提供的几万伏的高电压充电。带电粉末颗粒被吸引到接地物体(工件)上以进行涂覆并沉积在其上。
在静电植绒(electrostatic flocking)中，短纤维(短绒)通过电场从储存容器中运送出。短绒被在电场中对准并沉积在待涂覆物体的涂有粘合剂的接地表面上。短绒颗粒具有限定的导电率，并由静电植绒装置通过几万伏的高电压进行充电，形成偶极子，并且以云的形式由于电荷的力的作用分别被吸引到接地物体(工件)或植绒表面，粘附到粘合剂表面。
由于雾化涂层材料在上述静电涂覆工艺中以几万伏的高电压进行充电，因此需要特别注意防止静电涂覆期间爆炸的危险。特别是在静电涂覆期间，当空气中喷射的可燃涂层材料浓度处于爆炸界限内时以及当存在针对爆炸性空气具有足够能量的点火源时，会发生爆炸。所述点火源特别地可以是电弧或火花。
此外还要特别注意静电涂覆期间使用几万伏高电压的电气危害。由于直接或间接与例如喷涂装置的充电电极接触而导致的触电特别地会由于触摸充电电极而发生。
发明内容
因此，本发明基于对最可靠的控制电路进行指定的任务，所述控制电路能够最佳地适用于各个应用，以使静电喷涂装置防止火花放电。本文所考虑的各种静电喷涂装置特别地是具有用于对要喷射的涂层材料进行静电充电的高电压电源的装置，或者分别分配有用于对要喷射的涂层材料进行静电充电的对应的高电压电源的装置。要喷射的涂层材料特别地是液体涂层材料(湿涂料)或粉末涂层材料(涂层粉末)。然而，也可以设想将本发明用于喷射短纤维(短绒)到待涂覆物体的粘合剂涂覆的接地表面上的喷涂装置。
本发明的其他任务涉及指定对应的静电喷涂装置，所述静电喷涂装置能够在操作期间有效地防止火花放电。还指定用于静电喷涂物体的对应方法。
因此，特别地指定了一种控制电路，用于保护具有高电压电源的静电喷涂装置免受火花放电，其中控制电路包括用于自动断开高电压电源的断开设备和用于检测高电压电源的异常操作的设备。高电压电源特别地涉及分配给静电喷涂装置的装置，该装置一般来说由低电压部分、高电压发生器(例如，以高电压级联的形式)以及用于给要喷射的涂层材料(液体或粉末)静电充电的充电电极。就本发明而言，高电压级联是一种静电电路，其将所提供的交流电压转换成高达几万伏的相对高的直流电压。该高电压是通过级联(即格莱纳赫(Greinacher)电路的多串联连接)获得的。取决于二极管和电容器的数量，该级联提供理论上几乎无限的输出电压。然而，实际上，串联连接的电容器由此设置了界限，从而随着电容器数量的增加，电容量不断减小。结果，即使在最小的漏电流下，输出电压也会最终崩溃。
在根据本发明的用于检测高电压电源的异常操作的控制电路中使用的设备被设计为(优选地连续地或者在预定的时间处或分别在预定事件后)监视作为高电压电源的操作特性的至少一个参数，并且当表征所述高电压电源的操作的所述至少一个参数超过或低于预定义或可定义的界限值时，向所述断开设备输出对应的断开信号，由此检测所述高电压电源的异常操作。
这样做由此确保了在异常操作时优选地立即断开高电压电源，从而有效地保护了静电喷涂装置免受火花放电影响。因此，可以有效地消除静电喷涂装置的操作期间的爆炸和/或电气危险的威胁。
特别地，高电压电源操作的参数特性是在高电压电源的输出处提供的高电压输出的量(电平)、馈送到高电压电源的工作电流的量(水平)和/或从喷涂装置的充电电极到待涂覆物体的喷射电流的量(水平)。由此可以设想间接地或直接地检测和/或测量馈送到高电压电源的工作电流和/或充电电极到待涂覆物体的喷射电流。
间接喷射电流测量可以例如包括测量高电压电源的工作电流，即，流过变压器的初级线圈的电流，该变压器具有与连接到变压器的次级线圈的电容器和整流器的高电压级联连接。备选地，然而，也可以没想间接确定喷射电流，以及通过测量在变压器和高电压级联连接之间的次级线圈中流动的电流的间接确定。例如可以通过充电电极上游的电阻上的电压降来间接测量喷射电流。
然而在另一方面，直接测量喷射电流也是可设想的，以便特别地使得能够实现无掺杂的测量结果和对偏差的快速控制电路反应。由此，例如可以设想将喷射电流测量电路布置在从待涂覆物体分别返回到高电压电源或控制电路的电力返回路径中，以便测量该点处的喷射电流。
根据本发明的一个方面，还提供闭环系统以便以恒定电流操作来操作电喷涂装置的高电压电源。本文使用的术语“恒定电流操作”应理解为高电压电源的操作，其中闭环系统将高电压电流的实际值直接反馈给控制单元。因此，喷射电流或高电压电源的工作电流分别保持恒定，由此高电压电源的高电压输出取决于根据工艺限定的最小值和最大值之间的负载而变化。
在本发明的控制电路的进一步发展中，其中还提供闭环系统以便以恒定电流操作来操作所述高电压电源，且用于检测所述高电压电源的异常操作的设备被设计为检测所述高电压电源的高电压输出，并在以下情况下向所述断开设备输出对应的断开信号：
-所述高电压电源的高电压输出的瞬时值(电平)低于预定义或可定义的界限值；和/或
-所述高电压电源的高电压输出的瞬时变化率低于预定义或可定义的界限值；和/或
-所述高电压电源的高电压输出的平均变化率低于预定义或可定义的界限值。
由此可以直接或间接检测高电压电源的高电压输出。本文优选的间接检测高电压电源的高电压输出例如可以通过测量变压器的初级线圈或次级线圈上的带电(liveelectrical)电压来实现，所述变压器具有与连接到变压器的次级线圈的电容器和整流器的高电压级联连接。
可以通过测量高电压电源的输出处的电阻上的电压降来实现直接检测高电压电源的高电压输出。
本文使用的术语“高电压电源的高电压输出的平均变化率”通常应理解为在一定时间段内的高电压输出的平均变化，该时间段优选地由静电喷涂装置的操作者手动设置。
用于确定高电压电源的高电压输出的平均变化率的可定义的时间段优选地是在应用特定的基础上选择的，使得静电喷涂装置或与静电喷涂装置相关联的控制电路分别可以由此尽可能最佳地适应具体的个别情况。
备选地或附加地，本发明的另一方面提供了一种用于以电压受控操作来操作高电压电源的开环系统。
本文使用的术语“电压受控操作”应理解为高电压电源的不反馈高电压电源的高电压输出的操作。在电压受控操作中，高电压电源的高电压输出通常被设置在所限定的工作电流处。但是，高电压电源的高电压输出没有由控制单元保持恒定，而是取决于工作电流和高电压电源的负载响应而变化。
在本发明的后面引用的方面中，其中提供开环系统以便以电压受控操作来操作高电压电源，用于检测所述高电压电源的异常操作的设备被设计为检测喷射电流或所述高电压电源的工作电流，并在以下情况下向所述断开设备输出对应的断开信号：
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的瞬时值(水平)超过预定义或可定义的界限值；和/或
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的瞬时变化率超过预定义或可定义的界限值；和/或
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的平均变化率超过预定义或可定义的界限值。
作为前述方面的备选或附加，本发明的另一方面提供了一种用于以恒定电压操作来操作高电压电源的闭环系统。
本文使用的术语“恒定电压操作”特别地应理解为直接反馈实际高电压输出值的情况下的操作。在恒定电压操作中，通过控制单元将高电压电源的所设置高电压输出保持恒定，最大到高电压电源的输出界限，而不依赖于高电压电源的可变工作电流。
在本实施例中，提供了一种闭环系统以便以恒定电压操作来操作高电压电源，用于检测高电压电源的异常操作的设备被设计为(间接地或直接地)检测高电压电源的工作电流，并且在以下情况下向断开设备输出对应的断开信号：
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的瞬时值(水平)超过预定义或可定义的界限值；和/或
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的瞬时变化率超过预定义或可定义的界限值；和/或
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的平均变化率超过预定义或可定义的界限值。
高电压电源的工作电流或相应的喷射电流例如是馈送到高电压电源的输入的电流；即例如流过变压器的初级线圈的电流，该变压器具有连接到其次级线圈的高电压电源的高电压级联连接。
备选地，也可以间接地测量高电压电源的工作电流或相应的喷射电流，并且例如通过测量在变压器与高电压电源的高电压级联连接之间的次级线圈中流动的电流的间接测量。
然而，备选地，如本文优选的，也可以设想直接测量喷射电流。
在本发明的控制电路的最后两个具体实施例中，高电压电源的工作电流的平均变化率对应于在优选由静电喷涂装置的操作者手动设置的时间段内工作电流的平均变化率。这允许控制电路的灵敏度和响应行为被调整到具体的个别情况。
上述所有实施例共同有效地防止了在静电喷涂装置的操作期间在带电高电压与接地部件之间，特别是在喷涂装置的充电电极与(待涂覆)接地物体之间，的危险放电。这是通过高电压电源自动断开来实现的，由此静电喷涂装置的充电电极被放电。
这样做可以特别有效地防止在静电喷涂装置的正常操作期间的飞弧，因为当喷涂装置的充电电极与待涂覆物体之间的距离太小时，控制电路的断开设备自动断开高电压电源。
根据本发明的另一方面，控制电路还设置有瞬变保护设备，以保护高电压电源免受由控制电路的断开设备进行的不想要的自动断开。这在激活高电压电源时或当修改高电压电源的工作点时是特别有利的，因为在这种情况下，表征高电压电源的操作的参数可能容易过冲；即超过或低于临界界限值。提供对应的瞬变保护装置有效地抑制了由断开设备进行的高电压电源的这种不想要的自动断开。
在该上下文中可以设想的是，例如，瞬变保护装置被设计为当高电压电源被激活时或者在高电压电源工作点被修改时将控制电路的断开设备停用预定义或可定义的时间段。取决于所设置的高电压电源的工作点和/或取决于静电喷涂装置的应用，该预定义或可定义的时间段优选地等于0.25至4秒，并且甚至更优选地等于1至2秒。
然而，当然也可以设想其他时间段，特别是能够由静电喷涂装置的操作者手动设置的时间段。
备选地或附加地，可以设想的是，瞬变保护装置被设计为在高电压电源被激活之后或者在修改高电压电源时将到所述断开设备的断开信号的输出界限值从最初相对不敏感的值改变为界限值的预定义或可定义的值。这同样使得能够有效地防止断开设备在高电压电源激活时或者在修改高电压电源的工作点时不想要地断开高电压电源。
备选地或附加地，还可设想的是，瞬变保护设备被设计为仅当高电压电源操作的该至少一个参数特性超过/低于预定义或可定义的界限值达预定的时间段时，才允许断开设备自动地断开高电压电源。这种措施同样有效地抑制了高电压电源操作的参数特性的过冲，特别是当高电压电源被激活或者高电压电源工作点被修改时。
本发明不仅限于上述类型的控制电路，而且根据另一个方面还涉及用于用涂层材料(特别是涂层粉末或湿涂料)静电喷涂物体的喷涂装置，其中喷涂装置具有高电压电源以及本发明类型的控制电路。因此，高电压电源可以有利地能够以恒定电流操作、恒定电压操作或电压受控操作来操作。
根据另一方面，本发明还涉及一种用于静电喷涂物体的方法，其中涂层材料(液体或粉末)被通过连接到高电压电源的充电电极进行静电充电，并朝向待涂覆物体雾化，其中该方法中高电压电源的操作优选地分别连续地或者在预定的时间处或者在预定的事件时被检查，并且其中高电压电源在高电压电源的异常操作时自动断开。在该方法中为了检测高电压电源的异常操作，监视作为高电压电源的操作的特性的至少一个参数，并且当表征所述高电压电源的操作的所述至少一个参数超过或低于预定义或可定义的界限值时，将对应的断开信号输出给所述断开设备。
附图说明
在优选的示例实施例基础上描述本发明时将参考以下附图。所述图示出了：
图1是根据本发明的静电喷涂装置的示例实施例的示意图；以及
图2是根据图1的喷涂装置的高电压/喷射电流图。
具体实施方式
图1中示意性示出的喷涂装置包括手动或自动喷枪，用于以液体或优选粉末的形式将材料喷涂到待涂覆物体(图1中未示出)上。由此可以假设，待涂覆物体由导电材料构成，并与地电位连接。在自动喷涂装置中，待涂覆物体可以通过未示出的输送器设备输送经过喷枪，从而进入喷枪的喷射流。
喷枪设置有至少一个充电电极(高电压电极)，用于对要喷射的涂层材料进行静电充电。高电压发生器在1kV至150kV的范围内(优选为两者之间的值)向所述充电电极馈送DC高电压。
高电压发生器可以包括用于以常规方式将低交流电压升压到更高的交流电压的变压器，以及以常规方式具有多个整流器和电容器并将交流电压转换成DC高电压的级联电路。
低交流电压由振荡器根据控制电压产生，控制电压是针对充电电极的高电压的控制变量。振荡器可以是高电压发生器的一部分，并且因此集成到喷枪中，或者也可以集成到控制设备中，该控制设备整体上形成控制单元。
控制单元包含操作参数存储器，在该操作参数存储器中，可以通过来自数据输入站(例如，更高级的计算机)或手动(例如，经由键盘)的数据传输来输入针对相应的最大高电压电极可能值的可变可调整的至少一个高电压界限值和至少一个喷射电流界限值，并存储在操作参数存储器中。可以优选地存储用于不同操作状况(特别是不同的待涂覆物体和不同的喷涂材料)的多个这样的值。在另一个实施例中，所存储的值不能是变量固定值。
来自操作参数存储器的高电压界限值被输入到高电压限制电路中。来自操作参数存储器的喷射电流界限值被输入到喷射电流控制器中。
通过待涂覆物体的接地侧上的喷射电流测量电路来测量从待涂覆物体接近接地的充电电极的喷射电流，并且同样作为实际喷射电流值输入到喷射电流控制器中。喷射电流控制器将实际喷射电流值与喷射电流界限值进行比较，并根据其生成高电压控制器变量，喷射电流控制器将高电压控制器变量传递给高电压限制电路。喷射电流控制器优选为PI(比例积分)控制器。
高电压限制电路根据高电压界限值和高电压控制器变量生成控制电压，所述电压以直流输入电压的形式馈送到振荡器，并且是针对充电电极的电压的控制变量。高电压限制电路确保在高电压控制器变量大于或等于高电压界限值的情况下，控制电压的直流电压值等于高电压界限值。高电压限制电路还确保在高电压控制器变量低于高电压界限值的所有情况下，控制电压等于高电压控制器变量。
图2示出了水平轴上的喷射电流(以微安为单位测量)和垂直轴上的对应高电压(以kV为单位测量)。最重要的特性是标准特性。它示出在已知机制中充电电极的喷射电流随充电电极和待涂覆物体之间的距离减小而上升，同时高电压下降。在待涂覆物体或另一导电物体与充电电极的最大可能距离处或相应地在无限远处，高电压具有其最大值。
图2中的中间特性涉及高电压电极的最大直流高电压被限制到最大值的实施例，尽管没有电流的限制。
图2中的最下面的特性示出了上述的本发明的电路，其中，喷射电流以及高电压分别被限制到最大值。
例如在图1中示意性地描绘的根据本发明的喷涂装置特别地设置有控制电路(在此可以例如以控制设备软件的形式提供)。当控制电路检测到异常操作时，控制电路使得与喷枪相关联的高电压电源能够自动断开。
为了检测异常操作，控制电路可以监视喷射电流与充电电极处的高电压之间的关系。该比率直接反映充电电极与接地物体之间的距离。一旦喷射电流/高电压比低于预定义或可定义的界限值，控制电路就通过断开设备自动断开高电压电源。
备选地，可以监视喷射电流/电压比随时间的变化率。如果接地物体高速接近喷涂装置的充电电极，则控制电路自动断开高电压电源。这种动态操作是优先选择的，因为它最小化不想要的自动断开的风险。
用于模拟断开信号的相应界限值可以优选地由喷涂装置的操作者手动调整，并适用于相应的环境和应用。然而在这种上下文中也可以设想的是，所述界限值通过总线系统(特别是现场总线系统)传输给控制设备。
在图1所描绘的本发明的喷涂装置的实例中，为了防止高电压电源的不想要的自动断开(特别是当高电压电源被激活或者高电压电源的工作点被修改时)，还提供优选以软件形式实现的瞬变保护设备。由于不能消除作为高电压电源的操作特性的参数特别是在激活时趋于过冲的事实，所以存在超过或低于对高电压电源的自动断开进行触发的界限值的风险。可以设想的是，在这种上下文中，瞬变保护设备被设计为：在高电压电源被激活或者修改高电压电源的工作点时，将高电压电源的自动断开停用预定义或可定义的时间段，特别是1至2秒。
备选地或附加地，可以设想，发起高电压电源的自动断开的界限值仅在激活时或者在修改高电压电源的工作点时从最初相对不敏感的值开始逐渐呈现预定义或可定义的值。
本发明不限于参考附图描述的示例实施例，而是从综合考虑本文公开的全部特征的上下文中产生。
附图标记列表
A 喷枪
B 具有控制电路的控制设备
C 电流供电枪
D 流体源
F 流体软管安装部
G 接地线
H 流体软管
J 流体馈送枪
K 接地线
L 流体控制器
X 电流电源控制设备
S1 在高电压电源的最大高电压输出处的开环系统
S2 在高电压电源的80％最大高电压输出处的开环系统
S3 闭环系统和在恒定电压操作中的高电压电源
S4 闭环系统和在恒定电流操作中的高电压电源
S5 工作点

Claims (14)

1.一种用于保护具有高电压电源的静电喷涂装置免受火花放电的控制电路，其中，所述控制电路包括用于自动断开所述高电压电源的断开设备和用于检测所述高电压电源的异常操作的设备，其中，用于检测所述高电压电源的异常操作的设备被设计为监视作为所述高电压电源的操作的特性的至少一个参数，并且当表征所述高电压电源的操作的所述至少一个参数超过或低于预定义或可定义的界限值时向所述断开设备输出对应的断开信号，
其中，还提供闭环系统以便以恒定电流操作来操作所述高电压电源，其中，在所述恒定电流操作中，喷射电流或所述高电压电源的工作电流保持恒定，且所述高电压电源的高电压输出取决于所限定的最小值和最大值之间的负载而变化，以及用于检测所述高电压电源的异常操作的设备被设计为检测所述高电压电源的高电压输出，并在以下情况下向所述断开设备输出对应的断开信号：
-所述高电压电源的高电压输出的瞬时值低于预定义或可定义的界限值；和/或
-所述高电压电源的高电压输出的变化率低于预定义或可定义的界限值。
2.根据权利要求1所述的控制电路，
其中，所述高电压电源的高电压输出的变化率对应于在可定义的时间段内所述高电压输出的平均变化。
3.根据权利要求1所述的控制电路，
其中，还提供开环系统以便以电压受控操作来操作所述高电压电源，且用于检测所述高电压电源的异常操作的设备被设计为检测喷射电流或所述高电压电源的工作电流，并在以下情况下向所述断开设备输出对应的断开信号：
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的瞬时值超过预定义或可定义的界限值；和/或
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的变化率超过预定义或可定义的界限值。
4.根据权利要求1所述的控制电路，
其中，还提供闭环系统以便以恒定电压操作来操作所述高电压电源，且用于检测所述高电压电源的异常操作的设备被设计为检测喷射电流或所述高电压电源的工作电流，并在以下情况下向所述断开设备输出对应的断开信号：
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的瞬时值超过预定义或可定义的界限值；和/或
-喷射电流或所述高电压电源的工作电流的变化率超过预定义或可定义的界限值。
5.根据权利要求3或4所述的控制电路，
其中，喷射电流或所述高电压电源的工作电流的变化率d对应于在可定义的时间段内工作电流的平均变化。
6.根据权利要求1或2所述的控制电路，
其中，还提供瞬变保护设备，以在激活所述高电压电源时或者在修改所述高电压电源的工作点时保护所述高电压电源免受由所述控制电路进行的不想要的自动断开。
7.根据权利要求6所述的控制电路，
其中，所述瞬变保护设备被设计为当所述高电压电源被激活或者所述高电压电源的工作点被修改时将所述断开设备停用预定义或可定义的时间段。
8.根据权利要求7所述的控制电路，
其中，所述预定义或可定义的时间段根据所述高电压电源的设置的工作点来选择，且在0.25至4秒之间。
9.根据权利要求7所述的控制电路，
其中，所述预定义或可定义的时间段根据所述高电压电源的设置的工作点来选择，且在1至2秒之间。
10.根据权利要求6所述的控制电路，
其中，所述瞬变保护设备被设计为在所述高电压电源被激活之后或者在修改所述高电压电源时将到所述断开设备的断开信号的输出界限值从最初相对不敏感的值改变为预定义值。
11.根据权利要求6所述的控制电路，
其中，所述瞬变保护设备被设计为仅当所述高电压电源操作的所述至少一个参数特性超过或分别低于所述预定义或可定义的界限值达到预定义的时间段时才允许所述断开设备自动断开所述高电压电源。
12.一种喷涂装置，用于利用涂层材料来静电喷涂物体，所述涂层材料具体是涂层粉末或湿涂料，其中所述喷涂装置包括以下组件：
-高电压电源；以及
-根据权利要求1至11中的一项所述的控制电路。
13.根据权利要求12所述的喷涂装置，
其中，所述高电压电源能够以恒定电流操作、恒定电压操作或电压受控操作来操作。
14.一种用于静电喷涂物体的方法，其中，涂层材料被通过连接到高电压电源的充电电极来进行静电充电并且朝向待涂覆物体雾化，作为所述高电压电源的操作的特性的至少一个参数被监视，并且当所述高电压电源操作的所述至少一个参数特性超过或低于预定义或可定义的界限值时向断开设备输出断开信号，所述断开设备然后自动断开所述高电压电源，
其中，以恒定电流操作来操作所述高电压电源，其中，在所述恒定电流操作中，喷射电流或所述高电压电源的工作电流保持恒定，且所述高电压电源的高电压输出取决于所限定的最小值和最大值之间的负载而变化，以及检测所述高电压电源的高电压输出，并在以下情况下向所述断开设备输出对应的断开信号：
-所述高电压电源的高电压输出的瞬时值低于预定义或可定义的界限值；和/或
-所述高电压电源的高电压输出的变化率低于预定义或可定义的界限值。
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