-
-
Beschreibung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrostatische Spritzvorrichtung
mit einem an einen elektrostatischen Spritzkopf angeschlossenen Hochspannungsgenerator
in Form einer von einem regelbaren Schaltnetzteil gespeisten Gleichrichter-Spannungsvervielfacherkaskade
und mit einer die Ausgangs spannung und den Ausgangsstrom des Hochspannungsgenerators
steuernden Regelschaltung in Form einer Spannungsregelschaltung und einer die Spannungsregelschaltung
ab einem vorgegebenen Ausgangsstromwert übersteuernden Stromregelschaltung.
-
Bei derartigen elektrostatischen Spritzvorrichtungen wird die Farbe
bzw. das Beschichtungsmaterial durch Druckluft oder hydraulischen Druck über eine
Düse versprüht und mittels einer an den Hochspannungsgenerator angeschlossenen Elektrode
des Spritzkopfs elektrostatisch aufgeladen, so daß es in sehr feine Tröpfchen zerteilt
wird. Die Tröpfchen sind geladen und werden durch das elektrische Feld zwischen
der Elektrode des Spritzkopfs und dem zu lackierenden Gegenstand sehr gleichmäßig
über den Gegenstand verteilt.
-
Die Lack- bzw. Beschichtungsmaterialverluste sind sehr gering, da
sich die Tröpfchen nur an dem geerdeten Gegenstand niederschlagen, nicht aber an
ungeerdeten Gegenständen der Nachbarschaft.
-
Die Feldverteilung ändert sich mit dem Abstand des Spritzkopfes vom
Gegenstand. Ist der Abstand zu klein, so kann es zu einem Lichtbogen zwischen dem
Spritzkopf und den Gegenstand kommen, der das meist brennbare Spritzmaterial entzünden
kann. Ausgangsspannung und Ausgangsstrom des Hochspannungsgenerators müssen daher
so geregelt werden, daß es unabhängig vom Abstand des Spritzkopfes von dem zu beschichtenden
Gegenstand nicht zu derartigen Erscheinungen kommen kann.
-
Aus der DE-OS 29 15 670 ist bereits eine Spritzvorrichtung der in
Rede stehenden Art bekanntgeworden, bei der eine rechteckförmige Strom-Spannungskennlinie
realisiert ist, d.h., die Spannung ist bis zu einem bestimmten vorgegebenen Stromwert
konstant und fällt bei diesem vorgegebenen Stromwert praktisch unmittelbar auf Null
ab. Zu diesem Zweck sind eine Spannungsregelschaltung und eine Stromregelschaltung
vorgesehen, wobei die Stromregelschaltung die Spannungsregelschaltung übersteuert
und erst ab dem vorgegebenen Stromwert freigegeben wird.
-
Es hat sich nun gezeigt, daß bei einer elektrostatischen Beschichtung
mit rechteckförmigen oder auch linear abfallenden Strom-Spannungskennlinien optimale
Beschichtungsergebnisse nicht erzielbar sind. Idealer ist eine Strom-Spannungskennlinie,
die bis zu einem vorgegebenen Stromwert, beispielsweise in einem Bereich von 0 bis
130 RA spannungsstabil und bei weiterer Stromerhöhung, d.h., bei unbeabsichtigter
Annäherung des Spritzkopfes an den zu beschichtenden Gegenstand nahezu linear bis
zu einem maximalen Stromwert auf die Spannung Null abfällt.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spritzvorrichtung
der oben beschriebenen Art anzugeben, mit der eine derartige Strom-Spannungskennlinie
realisierbar ist. Darüber hinaus soll auch bei einer zu schnellen Annäherung des
Spritzkopfes an den zu beschichtenden Gegenstand zur Vermeidung von dann auftretenden
Koranaentladungen eine Schnellabschaltung möglich sein.
-
Da bei bestimmten Lackiergroßanlagen, insbesondere bei Anlagen mit
Rotationszerstäuber, die Kapazität der Anlage auf der Hochspannungsseite sehr groß
ist, kann es trotz einer Schnellabschaltung aufgrund von kapazitiven Entladungen
durch Uberschläge zur Zündung des Gemisches aus Beschichtungsmaterial und Luft kommen.
Es müssen daher
Möglichkeiten vorgesehen werden, in der genannten
Kapazität noch vorhandene Restladungen abzubauen, bevor eine gefährliche Annäherung
an den Spritzkopf und/oder den zu beschichtenden Gegenstand stattfindet.
-
Die vorstehend genannte Aufgabe wird bei einer elektrostatischen Spritzvorrichtung
der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Primärkreis des
regelbaren Schaltnetzteils ein Regeltransistor und ein Schalttransistor vorgesehen
sind, die jeweils von einer durch einen Rechteckimpulsgenerator gelieferte Rechteckimpulsfolge
angesteuert sind, daß der Rechteckimpulsgenerator mit Kreisen zur Voreinstellung
einer vorgegebenen Impulsfolgefrequenz und einer vorgegebenen Impulsbreite der Rechteckimpulsfolgen
beschaltet sind und daß die Impulsbreite der Rechteckimpulsfolgen bis zu dem vorgegebenen
Ausgangsstromwert durch die Spannungsregelschaltung mit zunehmendem Ausgangsstromwert
zur Aufrechterhaltung einer konstanten Ausgangs spannung erhöht und die Impulsbreite
ab dem vorgegebenen Ausgangsstromwert mit weiter zunehmendem Ausgangsstrom zwecks
linearer Absenkung der Ausgangsspannung bis zu einem maximal zulässigen Stromwert
durch die Stromregelschaltung reduziert wird.
-
Weitere Ausgestaltungen des vorstehend definierten Erfindungsgedankens
sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Diagramm
einer durch die erfindungsgemäße Spritzvorrichtung realisierten Strom-Spannungskennlinie;
Fig.
2 ein Gesamtschaltbild einer erfindungsgemäBen Spritzvorrichtung; und Fig. 3 eine
Ausführungsform eines in der erfindungsgemäßen Spritzvorrichtung verwendbaren Rechteckimpulsgenerators.
-
Im Diagramm nach Fig. 1, das eine Strom-Spannungscharakteristik einer
erfindungsgemäßen Spritzvorrichtung zeigt, ist die Ausgangsspannung U in kV über
dem Ausgangs strom I in ßA aufgetragen. In dieser eine mögliche Ausführungsform
darstellenden Strom-Spannungscharakteristik ist die Ausgangsspannung U in einem
Bereich des Ausgangsstroms I von 0 bis 130 ßA auf einem Wert von 90 kV konstant.
Für Ausgangsströme oberhalb des vorgegebenen Stromwertes von 130 ßA wird die Ausgangsspannung
U nahezu linear bis zu einem Wert von 200 ßA des Ausgangsstroms I auf 0 heruntergeregelt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß in der erfindungsgemäßen Spritzvorrichtung natürlich
auch andere Werte der konstanten Ausgangsspannung U, des vorgegebenen Ausgangsstromwertes,
bei dem die Spannungsregelung einsetzt, und andere maximal zulässige Ausgangsstromwerte,
bei denen die Ausgangsspannung auf 0 heruntergeregelt ist, realisierbar sind.
-
Gemäß Fig. 2, in der eine Ausführungsform einer erfindungsgemßen elektrostatischen
Spritzvorrichtung dargestellt ist, speist ein regelbares Schaltnetzteil 100 über
einen Hochspannungstransformator 101 eine Gleichrichter-Spannungsvervielfacherkaskade
102, an die ein nicht näher dargestellter an sich bekannter elektrostatischer Spritzkopf
zur Beschichtung eines Gegenstandes beispielsweise mit Lack angekoppelt ist. Das
regelbare Schaltnetzteil 100 enthält als wesentliche Elemente einen Regeltransistor
T1 sowie einen Schalttransistor T2, welche in Serie zur Primärwicklung des Ilochspannungstransformators
101 liegen.
Diese beiden Transistoren T1 und T2 werden zur Realisierung
der Strom-Spannungscharakteristik gemäß Fig. 1 über einen Rechteckimpulsgenerator
IC2 mit jeweils einer Rechteckimpulsfolge angesteuert. Dieser Rechteckimpulsgenerator
IC2 wird im folgenden anhand von Fig. 3 noch näher erläutert.
-
Generell wesentlich ist, daß zunächst eine vorgegebene Impulsfolgefrequenz
und eine vorgegebene Impulsbreite der Impulsfolgen eingestellt wird und daß die
Impulsbreite im Ausgangsstrombereich mit konstanter Ausgangs spannung zunächst mit
zunehmendem Ausgangs strom erhöht und sodann ab dem vorgegebenen Ausgangsstromwert,
bei dem die Herabregelung der Ausgangsspannung einsetzt, reduziert wird.
-
Der Rechteckimpulsgenerator IC2 liefert dabei die Steuerimpulsfolgen
für den Transistor T1 und den Transistor T2 derart, daß in beiden Transistoren eine
Impulsfolge gleicher Frequenz eingespeist wird, wobei die den Transistor T2 ansteuernden
Impulse in den Impulspausen der den Transistor T2 ansteuernden Impulse liegen.
-
Die Impulsbreite wird in der Vorrichtung nach Fig. 2 wie folgt eingestellt:
An einer Anschlußleiste mit Klemmen a bis q liegt an Klemmen e und n ein Potentiometer
P2, das mit seinem Schleifer an eine Klemme g angeschlossen ist. Uber Anschlüsse
2 und 16 wird durch das Potentiometer T2 und ein RC-Netzwerk R22 bis R26, C9 eine
Referenzspannung eingestellt. Mittels des an der Klemme g liegenden Schleifers des
Potentiometers P2 wird sodann über ein RC-Netzwerk R20, C7 die Impulsbreite über
Anschlüsse 1 und 9 des Rechteckimpulsgenerators IC2 im Vergleich zur Referenzspannung
am Anschluß 2 eingestellt.
-
Die Impulsfolgefrequenz wird mittels eines ein Potentiometer P1 enthaltenden
RC-Netzwerkes P1, R35, C12 eingestellt.
Die Spannungs- und Stromregelung
erfolgt über einen Schaltungsteil, der einen an die Primärwicklung des Hochspannungstransformators
101 angeschlossenen Stromfühlerwiderstand R13 enthält. Dieser Stromfühlerwiderstand
R13 ist über ein Glättungsnetzwerk C5, R14, D4, R15 und C6 an einen Operationsverstärker
IC1 angekoppelt. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers IC1 ist über einen Schalter
S und ein Dioden-Widerstandsnetzwerk D8, R37, R38 an den Fußpunkt des Potentiometers
P2 an der Klemme n angekoppelt.
-
Weiterhin ist der Ausgang des Operationsverstärkers IC1 über ein Dioden-Widerstandsnetzwerk
D5, R18, R19 an einen Anschluß 4 des Rechteckimpulsgenerators IC2 angekoppelt.
-
Die Ansteuerung der Transistoren T1 und T2 erfolgt über ein Dioden-Widerstandsnetzwerk
D7, R29 von einem Anschluß 13 des Rechteckimpulsgenerators IC2 bzw. über ein RC-Netzwerk
C11, R30 bis R32 von einem Anschluß 11 des Rechteckimpulsgenerators IC2.
-
Im Bereich der Strom-Spannungscharakteristik gemäß Fig. 1 mit konstanter
Ausgangsspannung U werden die Transistoren T1 und T2 über die vorgenannten Netzwerke
von den Anschlüssen 13 und 11 des Rechteckimpulsgenerators IC2 und die Spannungsregelschaltung
vom Ausgang des Operationsverstärkers IC1, das Dioden-Widerstandsnetzwerk D8, R37,
R38 und das Potentiometer P2 derart angesteuert, daß die Impulsbreite mit. zunehmenden
Ausgangsstrom sukzessive erhöht wird.
-
Erreicht der Ausgangsstrom I den vorgegebenen Stromwert, der gemäß
der Strom-Spannungskennlinie nach Fig. 1 beispielsweise bei 130 ßA liegt, so setzt
die die Spannungsregelung übersteuernde Stromregelung über das Dioden-Widerstandsnetzwerk
D5, Reib, R19 vom Ausgang des Operationsverstärkers IC1 und einen am Anschluß 4
des Rechteckimpulsgenerators IC2 liegenden Widerstand R33 ein, wodurch die
Impulsbreite
der die Transistoren Tl und T2 ansteuernden impulsfolgen reduziert wird, wodurch
die Ausgangsspannung U gemäß der Strom-Spannungscharakteristik gemäß Fig. 1 oberhalb
des vorgegebenen Stromwertes (im Ausführungsbeispiel 130 ßA) sukzessive nahezu linear
bis zu einem maximalen Ausgangsstromwert (im Ausführungsbeispiel 200 aA) abfällt.
-
Fließt im Hochspannungsteil ein unzulässig hoher Strom, was dadurch
zustandekommen kann, daß der nicht näher dargestellte Spritzkopf dem zu beschichtenden
Gegenstand unzulässig nahe angelegt wird, so drückt sich diese Stromerhöhung in
einem entsprechend hohen, den Stromfühlerwiderstand R13 durchfließenden Strom aus.
Die entsprechende, am Stromfühlerwiderstand R13 abfallende Spannung wird über das-Glättungsnetzwerk
C5, R14, D4, R15 und C6, den Operationsverstärker IC1 und den Schalter 5 auf eine
Schnellabschaltschaltung 103 übertragen, welche den Rechteckimpulsgenerator IC2
über einen Widerstand R36 an einem Anschluß 10 abschaltet. In dieser Schnellabschaltschaltung
103 wird die dem unzulässig hohen Ausgangsstrom entsprechende Spannungsgröße vom
Ausgang des Operationsverstärkers IC1 und den Schalter S über ein Ansteuernetzwerk
104 auf einen Thyristor 105 übertragen, der dann zündet, wodurch ein Transistor
T4 gesperrt wird. Eine an einer Klemme 106 liegende Versorgungsspannung wird dabei
über ein Relais Rl2 und den Widerstand R36 auf den Anschluß 10 des Rechteckimpulsgenerators
IC2 gegeben, wodurch dieser gesperrt wird und damit die Impuls folgen von den Transistoren
T1 und T2 abgeschaltet werden. Das Relais Rl2 kann entsprechende nicht dargestellte
Lampen steuern, wodurch die Schnellabschaltung angezeigt wird.
-
In Spritzvorrichtungen für Lackiergroßanlagen, insbesondere für Anlagen
mit Rotationszerstäubern, die auf der I1ochspannungsseite eine große Kapazität besitzen,
kann
es trotz der vorstehend beschriebenen Schnellabschaltung aufgrund von Koronaentladungen
aufgrund der großen Kapazität zu Überschlägen und damit zur.Zündung des Gemisches
aus Beschichtungsgut und Luft bei unzulässiger Annäherung des Spritzkopfes an den
zu beschichtenden Gegenstand kommen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist an dem
Verbindungspunkt der Widerstände R14 und R15 im Glüttungsnetzwerk eine die Spannung
in diesem Netzwerk auswertende Schaltung 107 angekoppelt, welche über den Schalter
S in seiner in der Fig. 2 gestrichelt dargestellten Stellung an den Ausgang des
Operationsverstärkers IC1 ankoppelbar ist. Bei unzulässiger und damit gefährlicher
Annäherung des Spritzkopfes an den zu beschichtenden Gegenstand tritt am Stromfühlerwiderstand
R13 sowohl eine erhöhte Gleichspannung als auch eine dieser überlagerte Koronawechselspannung
auf. Die Gleichspannung wird, wie bereits oben anhand der Schnellabschaltung erläutert,
auf den Thyristor 105 und den Transistor T4 der Schnellabschaltschaltung 103 gegeben,
wodurch die erläuterte Abschaltung über den Anschluß 10 des Rechteckimpulsgenerators
IC2 erfolgt. Die Koronawechselspannung wird vom Abgriff zwischen den Widerständen
R14 und R15 im Glättungsnetzwerk auf die Schaltung 107 gegeben und in dieser über
einen zweistufigen Operationsverstärker IC4 verstärkt und ebenfalls über den dann
in der gestrichelt dargestellten Schaltstellung befindlichen Schalter S auf die
Schnellabschaltschaltung 103 gegeben. Die Operationsverstärker IC4 sind durch ihre
Beschaltung stark gegengekoppelt, so daß die Verstärkung zunächst unter 1 liegt.
Erst wenn über den Schalter S und Widerstände R56 und R57 eine höhere Gleichspannung
auf einem Transistor T5 gegeben wird, so schaltet dieser Transistor durch, so daß
die Operationsverstärker IC4 an Masse gelegt werden. Die dann auftretende volle
Verstärkung erzwingt eine Abschaltung über einen Widerstand R53. Durch diese Schnellabschaltung
ist es beim Auftreten von Koronaströmen unmöglich, eine Wiedereinschaltung
zu
erreichen, solange die gefährliche Annäherung zwischen dem Spritzkopf und den beschichteten
Gegenstand nicht beseitigt ist.
-
Für den Fall eines Versagens der Schnellabschaltung oder eines Durchbrechens
des Regeltransistors T1 ist eine Notabschaltung über einen Thyristor 107 im regelbaren
Schaltnetzteil 100 vorgesehen. Tritt ein Defekt im Operationsverstärker IC1 auf
oder bricht der Regeltransistor T1 durch, so zündet eine Zener-Diode D2 in der Notabschaltung
und schaltet den Thyristor 107 durch. Damit wird die Spannung im Primärkreis des
Hochspannungstransformators 101 kurzgeschlossen, so daß eine Sicherung Si im regelbaren
Schaltnetzteil 100 anspricht. Das Gerät ist dann außer Betrieb und muß nach Beseitigung
des Regelfehlers und nach Einsetzen einer neuen Sicherung erneut gestartet werden.
-
Wie bereits ausgeführt, erfolgt die Reduzierung der Impulsbreite bei
einem Ausgangs strom 1 oberhalb des vorgegebenen Stromwertes (im Ausführungsbeispiel
130 aA) über den Anschluß 4 des Rechteckimpulsgenerators IC2 und das Dioden-Widerstandsnetzwerk
D5, R18, R19. Dem Anschluß 4 des Rechteckimpulsgenerators IC2 wird dabei eine Versorgungsspannung
über einen Spannungsteiler R2,R3 und eine Diode D1 aus dem regelbaren Schaltnetzteil
100 zugeführt. Übersteigt der Spannungsabfall am Stromfühlerwiderstand Ri3 den dem
vorgegebenen Ausgangsstrom entsprechenden Wert, so wird über den einstellbaren Widerstand
R18 und die Diode D5 eine zusätzlich erhöhte Spannung auf den Anschluß 4 gegeben,
wodurch eine zusätzliche Stromregelung über den Anschluß 11 des Rechteckimpulsgenerators
IC2 und den Schalttransistor T2 erfolgt.
-
Wie oben bereits ausgeführt, wird die Ausgangsspannung U gemäß der
Strom-Spannungskennlinie nach Fig. 1 im Strombereich bis zum vorgegebenen Stromwert
(im Ausführungs-
beispiel von 0 bis 100 ßA) über die dem Ausgangsstrom
I entsprechende Spannung am Stromfühlerwiderstand R13 sowie über den Widerstand
R37 und die Diode DB am Fußpunkt des Potentiometers P2 an der Klemme n konstant
gehalten. Dabei wird auch die Impulsbreite über diese Klemme n und den Anschluß
1 des Rechteckimpulsgenerators IC2 vergrößert, so daß der Spannungsabfall durch
den Innenwiderstand der Kaskade 102 kompensiert wird.
-
Eine "fold-back"-Kennlinie wird folgendermaßen erreicht: Von einem
Masseanschluß M der Kaskade 102 wird über einen Widerstand R9 an einem Operationsverstärker
IC11, der mit dem Operationsverstärker IC1 im gleichen integrierten Schaltkreis
ausgebildet sein, eine Referenz für die Spannung in der Kaskade über ein Widerstandsnetzwerk
R10 bis R12 eingestellt. Der Ausgang des Operationsverstärkers IC1' ist über einen
Widerstand R50 und eine .Diode D13 an die Klemme e (oberer Anschluß des Potentiometers
P2) angeschlossen. Tritt am Ausgang des Operationsverstärkers IC12 eine Spannung
von weniger als 5V auf, so wird die Diode D13 leitend und steuert die Impulsbreite
der Impulsfolgen an den Transistoren T1 und T2 über die Klemme g soweit zurück,
daß die fold-back"-Kennlinie erreicht wird.
-
Insbesondere bei Großanlagen, bei denen der Transport des Beschichtungsgutes
vom Spritzkopf zunbeschichtenden Gegenstand erst nach einer gewissen Zeit nach dem
Aufbau der Druckluft einsetzt, ist ein langsamer Hochlauf der Ausgangshochspannung
U am Ausgang der Kaskade 102 von Bedeutung. Es ist deshalb zweckmäßig, die Ausgangshochspannung
erst dann hochzufahren, wenn der Transport des Beschichtungsgutes schon eingesetzt
hat, um zu vermeiden, daß die Isolationsstrecken vorher unnötig belastet werden.
-
Der verzögerte Hochlauf der Ausgangshochspannung erfolgt über einen
Kreis aus einem Transistor T3, einer Kapazität
C8 und einem Widerstand
R21. Wird die Vorrichtung über einen nicht dargestellten, am Spritzkopf befindlichen
Schalter eingeschaltet, so wird die Regelspannung von der Klemme g über das Potentiometer
P2 auf den Rechteckimpulsgenerator IC2 gegeben. Dabei wird zunächst der Transistor
T3 kurzgeschlossen, bis sich in der Kapazität C8 über den Widerstand R21 eine Sperrspannung
aufgebaut hat, die den Transistor T3 sperrt. Je nach Einstellung des einstellbaren
Widerstandes R21 kann diese Hochlaufverzögerung kürzer oder länger eingestellt werden.
-
Eine automatische Wiedereinschaltung erfolgt nur durch Betätigung
des vorgenannten Schalters am Spritzkopf über einen SchaltkreisIC3 in der Schnellabschaltschaltung
103.
-
Bei Betätigung des Schalters wird eine Klemme h an Masse gelegt, wodurch
ein an dieser Klemme liegendes Relais Rl1 umschaltet und die die Impulsbreite einstellende
Spannung am Anschluß 1 des Rechteckimpulsgenerators IC2 freigibt. Falls bei einer
Störung die Schnellabschaltschaltung 103 über den Anschluß 10 abgeschaltet hat,
wobei der Thyristor 105 und der Transistor T4 gesperrt sind, kann durch Loslassen
des Schalters an der Spritzpistole über einen Widerstand R49 ein Impuls über ein
RC-Glied C13, R40 auf den Schaltkreis IC3 gegeben werden, wodurch der Thyristor
105 entriegelt und damit die Abschaltspannung am Anschluß 10 des Rechteckimpulsgenerators
10 beseitigt wird. Die Vorrichtung läuft dann wieder an und arbeitet weiter, es
sei denn, daß ein Störimpuls vom Stromfühlerwiderstand R13 über die Schaltung 107
sofort wieder eine Abschaltung erzwingt.
-
Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführungsform des Rechteckimpulsgenerators
IC2 nach Fig. 2, bei dem es sich um einen von der Firma TEXAS Instruments gelieferten
Schaltkreis mit der Typenbezeichnung SG 3524 handelt. Dieser Schalt-
kreis
enthält einen Rechteckimpulse liefernden Oszillator 300, einen Referenzregler 301
sowie eine Logik 302, mit der die vom Oszillator 300 gelieferten Rechteckimpulse
in zwei Rechteckimpulsfolgen überführbar sind, die im oben ausgeführten Sinne zur
Ansteuerung der Transistoren T1 und T2 dienen. Die Anschlüsse des Schaltkreises
nach Fig. 3 entsprechen dabei den Anschlüssen des in Fig. 2 in Blockform dargestellten
Rechteckimpulsgenerators IC2.
-
Da es sich hier um einen an sich konventionellen Schaltkreis handelt,
kann auf eine ins einzelne gehende Erläuterung verzichtet werden.
-
Es sei schließlich darauf hingewiesen, daß auch die Schaltungen IC1,
IC3 und IC4 konventionelle kommerziell erhältliche Schaltkreise sein können.