DE3643730A1 - Hochspannungserzeuger fuer eine elektrostatische lackiereinrichtung, insbesondere nach der spruehspalttechnik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungserzeuger für eine elektrostatische Lackiereinrichtung, insbesondere nach der Sprühspalttechnik, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem allgemein bekannten elektrostatischen Lackierver­ fahren werden Rotationszerstäuber verwendet. Bei diesem Verfahren liegen die maximal erforderlichen elektrischen Spannungen bei ca. 100 kV bei einem maximal erforderlichen Strom bis zu ca. 200 Mikroampere. Aufgrund des Verfahrens wird der Lackierprozeß durch die anliegende Spannung in einer relativ großen Bandbreite von ca. 70 bis 100 kV nur unwesentlich beeinflußt.

Bekannte Hochspannungserzeuger für das Rotationszerstäuber­ verfahren liefern daher nur Stromgrößen bis maximal ca. 200 Mikroampere bei maximalen Spannungswerten von ca. 100 kV. Wegen der geringen Beeinflußung des Lackierergebnisses in weiten Spannungsbereichen ist an den Hochspannungserzeugern entweder keine oder nur eine wenig genaue Regelung der Aus­ gangsspannung vorgesehen. Es sind Geräte bekannt, die mit Netzfrequenz oder im Mittelfrequenzbereich bei ca. 2 bis 20 KHz betrieben werden.

Im Gegensatz zur Rotationszerstäubertechnik werden bei der Sprühspalttechnik Lackpartikel nur durch die anliegende Hochspannung aus dem Sprühspalt bewegt. Die erforderlichen Spannungs- und Stromwerte sind daher im Vergleich zur Rotationszerstäubertechnik wesentlich höher und liegen bei ca. 110 bis 140 kV bzw. bis zu ca. 2.000 Mikroampere.

Für die Sprühspalttechnik sind ungeregelte Hochspannungsgeräte für Netzfrequenzbetriebe bekannt, die die erforderlichen hohen Strom- und Spannungswerte liefern. Die Spannungseinstellung erfolgt dabei von Hand primärseitig über einen Ringkernstell­ trafo. Für ein gleichmäßiges Lackierergebnis ist es erforder­ lich, bei Laständerungen und Änderungen der Umgebungsbedingun­ gen, insbesondere bei Änderungen der Umgebungstemperatur oder der Lackviskosität, etc., die Hochspannung mit dem einstell­ baren Ringkerntrafo nachzustellen, was üblicherweise von einer mit der Anlage vertrauten und erfahrenen Person durchgeführt wird.

Die Hochspannung ist bei der Sprühspalttechnik die einzige Prozeßgröße und die Schichtdicke des aufgebrachten Lacks sowie Begrenzungslinien bzw. Übergangszonen beim Lackieren von Streifen sind empfindlich von dem anliegenden Spannungswert abhängig. Durch die oben genannte Nachstellung von Hand sind genaue Schichtdicken und genau abgegrenzte Übergangsbereiche bzw. gerade Ränder beim Spritzen eines Streifens nur unbefrie­ digend zu erreichen. Bei einem bekannten Verfahren (DE-PS 34 35 937) zur Herstellung zwei- oder mehrfarbiger Lackierun­ gen wird ein erster Lack auf mindestens einen Teil eines Sub­ strats aufgebracht und danach ohne zwischenzeitliches Ein­ brennen ein zweiter und gegebenenfalls weiterer andersfarbiger Lack mittels der Sprühspalttechnik unter Zuhilfenahme eines elektrostatischen Feldes aufgebracht. Der zweite und gegebe­ nenfalls die weiteren Lackaufträge überdecken jeweils den vor­ hergehenden Lackauftrag teilweise und anschließend werden alle Lackaufträge gemeinsam gehärtet. Mit diesem Verfahren sollen auf vorlackierte Automobilkarossen Streifen in einem Naß-in- Naß-Verfahren aufgespritzt werden. Die Übergangsbereiche oder Streifenränder sollen dabei auf einer genau vorgegebenen Kon­ tur verlaufen und so schmal sein, daß sie von Zierleisten ab­ gedeckt werden können. Weiter bestehen sehr enge Toleranzen für die Schichtdicken beim Lackieren von Kraftfahrzeugka­ rossen. Für die vorstehend genannte Zweifarbenlackierung mit der Sprühspalttechnik ist eine grobe Nachregulierung von Hand zum Erreichen des geforderten Lackierergebnisses keinesfalls ausreichend.

Der Fachmann wird daher in seinen Überlegungen auf eine auto­ matische Nachstellung als Ersatz für die Handnachstellung bzw. auf eine Regelung der Hochspannung geführt.

Es wäre denkbar, den üblichen Ringkernstelltrafo durch einen üblichen Stellmotor nachzustellen, wobei dieser durch einen üblichen Dreipunkt-Regler angesteuert ist. Es hat sich ge­ zeigt, daß eine solche Regelung insbesondere für die vor­ stehend aufgezeigten hohen Anforderungen der Serienfertigung im Automobilbau zu ungenau (ca. +/- 3% Regelabweichung) und zu langsam ist, d. h. insgesamt nicht ausreicht. Zudem wird der Stellantrieb ständig im Vorwärts-Rückwärts-Betrieb hin- und hergefahren.

An sich bekannte elektronische Steuer- und Regeleinrichtungen verwenden Transistor- oder Thyristor-Rechteckumrichter oder Thyristor-Phasenanschnittsteuerungen. Die Verlustleistung der Halbleiter ist zwar hier gering, es entstehen aber hohe Um­ magnetisierungsverluste durch Oberwellen. Bei einem Transi­ stor- oder Thyristor-Rechteckumrichter ist ein zusätzlicher Linearregler zur Amplitudeneinstellung erforderlich. Weiter ist wegen der steilen Spitzen und Flanken die Geräuschbelästi­ gung bei Ausführungen der Hochspannungsgeneratoren mit Blech­ paketen unerwünscht hoch.

Bei der Ansteuerung von Drehstrommotoren ist es erforderlich, linear mit der Frequenz die Motorspannung zu verändern. Dazu ist ein sogenannter Frequenzumrichter für Drehstrom-Asynchron­ motoren bekannt, bei dem durch spezielle Impulsbreitenmodu­ lation eine Sinuskurvenform erzeugt wird, die sich ent­ sprechend einer Steuerspannung in ihrer Frequenz und zugleich proportional in ihrer Amplitude verändert. Diese sinusförmige Grundwelle besteht aus einer Vielzahl aneinandergereihter Rechteckimpulse. Da sich bei einem Hochspannungserzeuger für eine elektrostatische Lackiereinrichtung die Frequenz nicht verändern soll, ist dieser Umrichtertyp in der skizzierten Art nicht einsetzbar.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Hochspannungserzeuger für eine elektrostatische Sprüheinrichtung zu schaffen, mit dem die Ausgangsspannung genau und schnell regelbar ist und mit dem die, insbesondere für die Sprühspalttechnik erforderlichen hohen Strom- und Spannungswerte erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist ein Hochspannungstrafo über einen Spannungsabgriff mit dem Istwert-Eingang eines PI-Reglers ver­ bunden. Die Verwendung eines PI-Reglers hat den Vorteil, daß die Regelung wegen des I-Anteils auf eine Regelabweichung von Null ausregelt und somit sehr genau ist. Der Spannungsausgang des PI-Reglers ist mit einem Spannungssteuereingang eines Um­ richters verbunden, der über eine Impulsbreitenmodulation und Integration eine sinusförmige Grundwelle bestimmter Frequenz erzeugt. Diese sinusförmige Grundwelle besteht aus schmalen Rechteckimpulsen, wobei die Amplitudenhöhe der Grundwelle pro­ protional der Steuerspannung veränderlich ist. Das dazu ver­ wendete Verfahren besteht im wesentlichen darin, daß im Um­ richter die zugeführte Netzspannung gleichgerichtet wird und diese Gleichspannung in Abhängigkeit der Sollwertvorgabe in Rechteckimpulse variabler Breite zerlegt wird. Anschließend erfolgt eine Integration dieser Rechteckimpulse innerhalb einer von außen aufgebrachten und einstellbaren Frequenz, die der Frequenz der Grundwelle entspricht. Dadurch entsteht eine Grundwelle, deren Amplitude entsprechend der Sollwertvorgabe veränderlich ist. Die Frequenz dagegen bleibt gleich bzw. von Hand einstellbar. Eine Kopplung zwischen Amplitudenhöhe und Frequenz besteht hier nicht.

Der Umrichter ist eingangsseitig mit einer Versorgungswechsel­ spannung, zweckmäßig der üblichen Netzspannung, verbunden und ausgangsseitig mit einem Leistungstiefpaßfilter. Dieses Lei­ stungstiefpaßfilter siebt die vorhandenen Oberwellen, die auf­ grund der vielen Rechteckimpulse in der Grundwelle vorliegen, heraus, so daß der nachgeschaltete Hochspannungstransformator nur mit der niederfrequenten Grundwelle angesteuert wird.

Insgesamt wird somit eine Regeleinrichtung zum Anschluß an einen Hochspannungstrafo geschaffen, der eine Versorgungs­ wechselspannung, insbesondere die übliche Netzspannung, in eine Wechselspannung mit fester, bestimmter Frequenz und ge­ regelter Sinusamplitude umsetzt. Grundsätzlich kann jeder be­ liebige Hochspannungstrafo entsprechender Leistung an diese Regelung angeschlossen werden.

Die beschriebene Regelung ist genau und schnell, so daß die eingangs beschriebenen Forderungen nach gleichmäßiger Schicht­ dicke und einer Naß-in-Naß-Zweifarbenlackierung im Kraftfahr­ zeugbau gelöst werden können. Wegen des geringen Oberwellenan­ teils aufgrund der Sinusform sind die Ummagnetisierungsver­ luste gering. Wegen der Sinusform besteht keine Beschränkung in der Verwendung beliebiger Hochspannungstransformatoren. Insbesondere ergeben sich geringe Bauteilbelastungen und die Geräuschbelästigung bei Ausführungen mit Blechpaketen ist ge­ ring.

Die Frequenz der sinusförmigen Grundwelle am Ausgang des Um­ richters kann fest vorgegeben werden. Es ist jedoch nach An­ spruch 2 vorteilhaft, diese Frequenz einstellbar zu machen, wodurch eine Optimierung auf minimale Verluste durchführbar ist, da diese in gewissen Grenzen von der Grundwellenfrequenz abhängig sind. Als zweckmäßige Frequenzen haben sich nach An­ spruch 3 Frequenzen im Bereich zwischen 40 und 60 Hz erwiesen.

Als Versorgungswechselspannung für den Umrichter wird nach An­ spruch 4 einfach die übliche Netzspannung von 220 V mit der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz verwendet, so daß keine zu­ sätzlichen Frequenzumrichter, Adapter, etc., für einen An­ schluß an die Versorgungsenergiequelle erforderlich sind. Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird somit eine Regeleinrich­ tung geschaffen, die aus der Netzspannung eine geregelte Wechselspannung veränderlicher Amplitude und fester Frequenz macht.

Je nach Ausführung des Umrichters sind unterschiedliche Steuerspannungsbereiche erforderlich. Nach Anspruch 5 liegt der Steuerspannungsbereich bei Verwendung bekannter Bauteile ca. zwischen 5 bis 7 Volt.

Gemäß Anspruch 6 ist ein Ein-Aus-Schalter für die Hochspannung vorgesehen, wobei mit diesem Schalter zusätzlich eine Regler­ sperre geschaltet wird. Dies ist wesentlich, beispielsweise bei der automatischen Lackierung von nacheinander durch eine Lackierstraße laufenden Fahrzeugkarosserien. Je nachdem, ob eine Karosserie an dem Sprühspalt vorbeiläuft oder nicht, än­ dert sich die Ausgangsspannung am Hochspannungstrafo, so daß der PI-Regler versucht, die Spannung nachzuregeln. Aufgrund des I-Anteils in der Regelung würde die Regelung wegtriften und die Spannung würde unerwünscht bis zum Vorbeifahren einer neuen Karosserie auf einen maximal möglichen Sättigungswert hochfahren. Um diesen unerwünschten Effekt zu vermeiden, ist eine sogenannte Reglersperre vorgesehen, bei der mit Hilfe eines Schalters, z. B. durch einen automatisch arbeitenden Endschalter oder eine Lichtschranke bei nicht vorbeifahrendem Lackierobjekt dem Frequenzumrichter eine mittlere, eventuell einstellbare Regelspannung vorgegeben wird, wobei zugleich der Reglerausgang vom Umrichter abgetrennt ist.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung mit wei­ teren Einzelheiten, Merkmalen und Vorteilen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Hochspannungserzeugers für eine elektrostatische Lackiereinrichtung nach der Sprühspalttechnik,

Fig. 2 eine konkrete Ausführung und Beschaltung der Bauteile gemäß dem Blockschaltbild nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangshoch­ spannung von der Steuerspannung zeigt.

In Fig. 1 ist ein Hochspannungserzeuger 1 für eine Sprühspalt­ lackiereinrichtung dargestellt. Der Hochspannungserzeuger 1 besteht aus einem PI-Regler 2 mit Sollwertrampe, einem Umrich­ ter 3, einem Tiefpaßfilter 4 und einem Hochspannungstrafo 5. Dem PI-Regler 2 wird über die Leitung 6 ein Istwertsignal der Hochspannung über einen Spannungsabgriff am Hochspannungstrafo 5 zugeführt. Mit dem Funktionspfeil 7 ist die Sollwertvorgabe als Spannungssignal für die Hochspannung bezeichnet. An einem weiteren Eingang 8 des Reglers 2 ist die später näher ausge­ führte Reglersperre angedeutet, wobei dieses Signal ebenfalls dem Umrichter 3 zugeführt wird. Der Umrichter 3 ist weiter mit dem Reglerausgang 9 verbunden. Über einen weiteren Eingang 10 ist eine Handverstellung der Frequenz für die vom Umrichter 3 abgegebene Sinusgrundwelle im Bereich zwischen 40 bis 60 Hz möglich. Der Umrichter 3 ist über den Eingang 11 an die Netz­ versorgung angeschlossen. Über die Verbindung 12 ist dem Um­ richter 3 ein Tiefpaßfilter 4 nachgeschaltet und diesem über die Verbindung 13 der Hochspannungstrafo 5.

In Fig. 2 sind die Bauteile aus dem Blockschaltbild gemäß Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Einzelne Teile sind gegenüber dem Blockschaltbild genauer ausgeführt und die Be­ schaltung im einzelnen gezeigt. Der Frequenzumrichter 3 ist wegen der besseren Darstellung in zwei Einzelbausteinen 3 a, 3 b dargestellt.

Dem Frequenzumrichter 3 a ist eine Glättungsdrossel 14 nachge­ schaltet. Nach einem Trafo 15 liegt ein Netzfilter 16, das über einen Kondensator 17 an den Hochspannungsgenerator 5 an­ geschlossen ist. Am Hochspannungsgenerator 5 wird die Istwert­ spannung 6 abgegriffen und über ein Meßinstrument 18 ange­ zeigt. Die einstellbare Sollwertspannung wird mit Hilfe eines Potentiometers 19 erzeugt.

Von einem Netzteil 20 wird eine Widerstandskombination 21 und eine Relaisanordnung 22 versorgt. Die Relais werden über einen Schalter 23 gesteuert, der die sogenannte Reglersperre über die Kontakte der Relais 22 betätigt. Dabei wird insbesondere der Reglerausgang 9 abgetrennt und über die Leitung 24 eine an der Widerstandskombination 21 zur Verfügung stehende Spannung, die einer mittleren Regelspannung entspricht, dem Frequenzum­ richter 3 b zugeführt.

In Fig. 3 ist die Abhängigkeit der Ausgangsspannung (U _A ) von der am Spannungseingang des Umrichters 3 b anliegenden Spannung (U _e ) aufgetragen für unterschiedliche Einstellungen der Frequenz über den Eingang 10. Es zeigt sich, daß der Ausgangs­ spannungswert der Hochspannung ein Minimum durchläuft. Für die Regelung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die im Bereich 25 liegenden, etwa linearen Äste der Kurven zu verwenden, um eindeutige Zuordnungen zwischen der Regelspannung und der Aus­ gangsspannung zu erhalten.

Die dargestellte Schaltung hat folgende Funktion:

Mit dem Sollwertpotentiometer 19 wird am Sollwerteingang 7 des PI-Reglers 2 die für das gewünschte Lackierergebnis geeignete Ausgangs-Sollwertspannung des Hochspannungsgenerators 5 einge­ stellt. Wenn vor dem Sprühspalt kein zu lackierendes Objekt ist, ist der Schalter 23 offen und über die Leitung 24 dem Frequenzumrichter ein mittlerer Spannungswert als Sollwert zu­ geführt. Wenn ein Objekt lackiert werden soll, wird der Schal­ ter 23 gegebenenfalls automatisch geschlossen und damit der Reglerausgang mit dem Umrichter 3 b verbunden. Dadurch wird entsprechend der Regelspannung die Spannungsamplitude im Frequenzumrichter 3 geregelt, wobei die Frequenz der am Um­ richter abgegebenen Grundwelle fest und dem am Eingang 10 ein­ gestellten Wert entspricht. Die Grundwelle ist sinusförmig und besteht aus eng aneinanderliegenden schmalen Einzelimpulsen, die durch das Tiefpaßfilter 4 bzw. die Glättungsdrossel 14 und das Filter 16 soweit geglättet werden, daß am Hochspannungs­ generator nur noch die von Oberwellen befreite Grundwelle an­ kommt. Am Ausgang des Hochspannungsgenerators wird der Istwert abgegriffen und dem Regler 2 zugeführt, wodurch der Regelkreis geschlossen ist.

Zusammenfassend wird festgestellt, daß mit der Erfindung ein Hochspannungserzeuger geschaffen wird, der eine schnelle und genaue Regeleinrichtung enthält, die bei fester eingestellter Frequenz eine Regelung der Amplitude einer sinusförmigen Aus­ gangsspannung ermöglicht, die dann einem Hochspannungsgenerator zuführbar ist.

Claims (6)

1. Hochspannungserzeuger für eine elektrostatische Lackier­ einrichtung, insbesondere nach der Sprühspalttechnik, mit einem Hochspannungstrafo,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hochspannungstrafo (5) über einen Spannungsab­ griff mit dem Istwerteingang eines PI-Reglers (2) ver­ bunden ist,
daß ein Spannungsausgang des PI-Reglers (2) mit einem Spannungssteuereingang eines Umrichters (3) verbunden ist, der über eine Impulsbreitenmodulation und lnte­ gration eine sinusförmige Grundwelle bestimmter Frequenz bestehend aus schmalen Rechteckimpulsen erzeugt, wobei die Amplitudenhöhe der Grundwelle proportional der Steuerspannung veränderlich ist, und
daß der Umrichter (3) eingangsseitig mit einer Versor­ gungswechselspannung (11) und ausgangsseitig mit dem Hochspannungstrafo (5) über ein Leistungstiefpaßfilter (4) verbunden ist.

2. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Grundwelle über einen von Hand einstellbaren Frequenz­ geber (10) einstellbar ist.

3. Hochspannungserzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzein­ stellung zwischen ca. 40 Hz bis 60 Hz liegt.

4. Hochspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungswechselspannung die übliche Netzspannung mit üblicher Netzfrequenz ist.

5. Hochspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannung zwischen ca. 5 bis 7 Volt liegt.

6. Hochspannungserzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (23) für die Hochspannung vorgesehen ist, mit dem eine Reglersperre schaltbar ist.