EP2188418A2 - Power control device of a power network of an electrochemical coating facility - Google Patents

Power control device of a power network of an electrochemical coating facility

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Publication number
EP2188418A2
EP2188418A2 EP08803944A EP08803944A EP2188418A2 EP 2188418 A2 EP2188418 A2 EP 2188418A2 EP 08803944 A EP08803944 A EP 08803944A EP 08803944 A EP08803944 A EP 08803944A EP 2188418 A2 EP2188418 A2 EP 2188418A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
control device
power
diode
current
anode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08803944A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Günter HEID
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2188418A2 publication Critical patent/EP2188418A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D21/00—Processes for servicing or operating cells for electrolytic coating
    • C25D21/12—Process control or regulation

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling the current of a power network of an electrochemical coating system.
  • workpieces are locally or globally coated with material layers by generating a potential difference between the workpiece to be coated and a medium in which the coating material is dissolved, and / or between the medium and external electrical conductors leads to a condensation of the coating material on the workpiece.
  • the medium may be in a liquid, gaseous or plasma state and may be the coating material itself or may be a solvent or vehicle containing the coating material.
  • electrochemical coating processes include, for example, plasma coating processes in which highly dilute gases are usually ionized by high field excitations and are thereby converted into a plasmatic state of matter. Chemical reactions in the plasma can then precipitate the reaction products on a substrate, in particular on a workpiece to be coated (sputtering).
  • electrolytic coating processes in which ion diffusions are induced by an externally applied electrical potential in an electrically dissociable medium, which indirectly leads to a material deposition on a workpiece, wel Ches is introduced into the medium, can lead. In this way, for example, in electroplating workpieces are coated with metals by electrolytically separating melts or solutions of metal salts.
  • Coating processes in which workpieces are introduced into a mostly liquid medium for the purpose of coating are also known as dip coating processes.
  • the layer application per unit of time onto the workpiece to be coated is a function of a plurality of parameters, which include, in particular, the applied electrical potential, the time and the thickness of the material layer already applied to the workpiece.
  • the ion concentration in the medium decreases over time, thus also with otherwise constant chemical properties, in particular the ion concentration of the bath, the current intensity of the ion current traveling to the cathode and consequently the layer application per unit time.
  • the layer deposition per unit of time generally decreases with a constant electrical potential, so that the electrical potential with the residence time must be increased continuously in order to form a temporally linear layer thickness increase on the workpiece.
  • power units are usually available for the DC voltage supplying the immersion bath, with which only a few, substantially constant potential values are set for technical reasons can.
  • These potential values are also referred to as voltage levels.
  • a change between the voltage levels in the immersion bath in the course of a stratification process unfavorably causes discontinuities in the layer order, in particular arise when switching from one voltage level to the next higher voltage level current peaks, which adversely affects the coating quality.
  • the or each voltage level is generated from an externally supplied AC voltage, by means of the network and circuit components, the AC voltage is rectified and smoothed.
  • low-pulse circuits are used, which are significantly more cost-effective in comparison with higher-pulse circuits and require a comparably low control effort, but which produce a higher proportion of reactive power in the external network, which burdens the network and the operating costs of the coating system increase.
  • At least one reserve unit is usually installed, which is connected to the external supply network via further network and circuit components.
  • An object of the invention is thus to provide a power control device for an electrochemical coating system, which is as cost-effective as possible, and by which the most efficient and reliable operation of the coating system is ensured at the same time ensuring a high coating quality.
  • the object of the invention is solved by the features of claim 1. Thereafter, a current control device of an electrochemical coating system comprising a number of anodes and a number of cathodes is disclosed comprising a plurality of control modules, each control module for establishing and controlling a localized current flow of predetermined magnitude as a function of location and as a function of the Time is formed between an anode and a cathode of the power grid.
  • a common dip-coating machine for vehicle bodies usually comprises two to four power units.
  • the first unit feeds the dipping bath with a given DC voltage.
  • the current intensity in the immersion bath and thus the layer deposition per unit time decreases.
  • the second power unit is switched on, which feeds the bath with an increased voltage, so that the layer application per unit of time increases again and thereby corresponds to a predetermined (constant) value in the time average.
  • the currents and voltages present in the bath are subject to global boundary conditions which limit a continuous controllability of the electrical potential applied to the immersion bath and thus define the (above-mentioned) voltage levels.
  • Network conditions corresponding boundary conditions for the currents and voltages in the immersion bath boundary conditions to the AC voltages and currents with respect to their amplitudes and their relative phase shifts.
  • certain minimums for the phase shift between the alternating voltage and the alternating current in the converter circuit are predetermined by the voltage levels in the dipping bath.
  • this produces a so-called shift reactive power in the network, which in correspondence with the minima of the phase shift can only be reduced to a certain value.
  • the invention is therefore based on the idea to modularize the power control for the bath-feeding power network.
  • the shortcomings with regard to the feasibility of uniform layer application on an object to be coated and the irreducibility of the reactive power that arises in the course of the bath power supply in the external supply network is due in large part to the fact that a high global bath current is generated with the aid of a small number of power units is.
  • the number of variierba The parameter is correspondingly low under defined boundary conditions.
  • local currents can be formed and controlled in each case between one cathode and one anode in each case in the bath.
  • the currents controlled by the individual control modules are not subject to the same boundary conditions as a global bath current, so that in particular the amplitudes and the relative phase shifts of or between the alternating voltages and currents applied to the control modules on the network side can be lower. As a result, the overall reactive power in the network is reduced. Furthermore, the harmonic components of the alternating voltages and currents, which are caused by the individual control modules which are decoupled from each other, are statistically independent of one another, so that the amplitude of the total reactive power in the supply network, which is due to harmonic effects, is significantly reduced by statistical interference of the waves is.
  • control modules require no additional number of modules as reserve units.
  • the system is already highly redundant, so the failure of a control module during a coating process does not significantly affect the process.
  • individual control selectively connect or disconnect modules or groups of modules during a coating process.
  • one or each control module comprises a circuit arrangement with a number of power converters, in particular with a number of rectifiers.
  • a rectifier By means of a rectifier, an alternating current from the external supply network is converted to a direct current with which the immersion bath is fed.
  • a united and iteratively expandable circuit arrangement of several rectifiers, in particular in a parallel circuit a high pulse count can be achieved, whereby the proportion of the harmonics of such a circuit is iteratively reduced in a corresponding manner.
  • the pulse number describes the number of koperiodic voltage or current waves that are triggered within a wave period, the relative phase shift between two successive partial waves is given by the period divided by the number of pulses.
  • one or each power converter in particular one or each rectifier, is connected to a number of anodes or cathodes of the power network.
  • the object to be coated is conductively connected to a cathode and the coupling of the or each power converter is preferably carried out on the anode side.
  • one or each circuit arrangement of power converters is implemented as a series connection of a controlled rectifier with an uncontrolled rectifier.
  • This local circuit topology is based on the principle of a so-called positive and negative circuit through which mains Since the phase shift between AC voltage and current is optimized during load operation, and thus a correspondingly small displacement reactive power is realized.
  • one or each controlled rectifier is realized as a thyristor bridge and / or one or each uncontrolled rectifier is realized as a diode bridge.
  • Such a combination has the advantage that an uncontrolled diode bridge is much cheaper than a controlled power converter.
  • the current control device is designed in such a way that one or each control module is connected to a number of isolation transformers.
  • one or each controlled rectifier is connected to a respective isolation transformer, and one or each diode bridge is connected to a respective further isolation transformer.
  • Such an embodiment is realized, for example, in a circuit arrangement in which a diode bridge and a controlled rectifier, which are connected in series with one another, are connected to a first or second insulation transformer.
  • the first isolation transformer feeds the diode bridge with a first current in phase with the external AC voltage
  • the second isolation transformer feeds the controlled rectifier with a second current that is out of phase with the first current by 30 degrees.
  • Such a 12-pulse, that is a 30 degrees out of phase supply of this rectifier circuit for example, with a first isolation transformer of the vector DyO type and with a second isolation transformer of the vector type Dy5 from a 6-pulse power supply realized in which the phase shifts are each 60 degrees.
  • a relatively inexpensive illustrated, 12-pulse rectifier circuit which is advantageous in terms of the total harmonic wave generation against a low-pulse, in particular against a 6-pulse rectifier circuit.
  • the isolation transformers can be of the same type, for example as insulation transformers of the vector type DyO.
  • the power factor of the current control device which describes the ratio of the effectively used active power to the total power in the supply network including the reactive power, can thus for example reach a value of more than 0.94, and at a nominal load of 12.5% even more than 0, 8th.
  • the reactive power reduction leads in particular to a relief of the feeding mains transformers.
  • a 12-pulse rectifier circuit generates twice as many current and voltage maxima on the DC side as with a 6-pulse control. The amplitudes of the maxima are also lower. Thus, the DC current and DC voltage generated by the 12-pulse rectifier circuit has relatively low fluctuations. In a suitable 12-pulse rectifier circuit, the fluctuation amplitude may be less than 1% of the generated DC or DC voltage.
  • the necessary Buffer capacitances and inductances for Gleichtheseszwzw, for DC smoothing, which are realized for example by a smoothing capacitor or a DC reactor can therefore be advantageously designed smaller than in a low-pulse rectifier circuit, so that overall the efficiency and the efficiency of the power control device is increased.
  • the decoupling circuit comprises a plurality of series-connected diodes, which diodes are each connected in the forward direction with one anode.
  • the decoupling circuit comprises a series connection of a first diode having a second diode, which is connected in each case in the forward direction to a first anode or to a second anode, wherein the first diode is connected in the reverse direction via a switching element and an inductance with the control module and wherein the second diode is reverse-connected to the first diode, to the first anode and to a smoothing capacitor.
  • the current flows through the first diode for both anodes, while only the current flows through the second anode for the second anode.
  • the voltage drop at each of the first and second diodes may result in different voltages at the first and second anode. This voltage difference however, the cable path for an anode across the bath is necessarily longer.
  • the provision of a smoothing capacitor between the two series connected diodes of the decoupling circuit has the advantage that no resonant circuit can arise between the smoothing capacitor and between the inductance required for smoothing the total current flow, which is given in particular as a DC choke coil.
  • the smoothing capacitor is charged by the converter circuit via the inductance and via the first diode in the forward direction.
  • a return oscillation of the energy from the smoothing capacitor to the diode is not possible due to the blocking effect of the diode.
  • the energy can therefore discharge only through the resistance of the bath.
  • unwanted Ausmaschineententladungs- and compensation processes are thus prevented within the bath.
  • an energy-lossy damping which would be needed for a resonant circuit, not required.
  • a computing unit with a simulation model for simulating voltage and / or current specifications is expediently set up for the current control device.
  • a simulation model for simulating voltage and / or current specifications is expediently set up for the current control device.
  • voltage and current specifications in the bath and the parameters dependent thereon are calculated for a coating process.
  • the determination of location-dependent desired coating thicknesses in a CAD representation of the object to be coated is generated by a travel program which is used to specify the voltage and / or the current that is discharged via an or each anode to the bath as a function the object position in the bathroom is used.
  • FIG. 2 shows a further circuit diagram of the Strom Kunststoffungsvorrich- device in a schematic representation.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a circuit diagram of a current control device 1 of a power network 2 of an electrochemical coating system.
  • the potential change indicated by the coating process takes into account the adaptation of the secondary voltage of the isolation transformers. It causes an additional optimization of the reactive power share in the driving network.
  • the power network 2 comprises a plurality of cathodes 3 which are conductively connected to a number of objects 4 to be coated, and a plurality of anodes 5 grouped in pairs.
  • the cathodes 3 with the objects 4 to be coated and the anodes 5 are introduced into an immersion bath, which contains a metal salt solution.
  • the current control device 1 comprises a number of control modules 6 each having a series circuit 7 comprising a controlled tyristor bridge 8 and an uncontrolled diode bridge 9. Both the thyristor bridge 8 and the diode bridge 9 are on the line side, each with a three-phase insulation transformer 10 or 11 connected.
  • the thyristor bridge 8 is connected in the forward direction via a decoupling circuit 12 with a pair of anodes 5.
  • the decoupling circuit 12 comprises a first and a second diode 13 and 14, which are each connected in the forward direction to an anode 5 of the pair of anodes 5.
  • the first diode 13 is connected in the reverse direction via a switching element 15 and a DC reactor 16 to the Tyristor Hampshire 8, and the second Diode 14 is connected in the reverse direction to the first diode 13 and to the anode 5 connected therewith in the forward direction as well as to a smoothing capacitor 17.
  • the isolation transformers 10 and 11 feed the Tyristor bridge 8 and the diode bridge 9, each with an AC voltage, the AC voltages are in phase, or have a phase angle of 30 degrees to each other.
  • the series connection 7 of the thyristor bridge 8 and diode bridge 9 generates from it and out of it via the isolation transformers
  • Diode 14 can flow back to the DC reactor 16.
  • the decoupling circuit 12 compensating effects of the fields between the cathodes 3 and the anodes 5 are avoided.
  • FIG 2 shows a further circuit diagram of the current control device shown in FIG 1 according to FIG 1 in a schematic representation.
  • the pairs of anodes 5 shown there, which are each connected to a control module 6, are sketched as a unit in this representation.
  • the decoupling circuits 12 shown in FIG. 1 are not shown here.
  • the area of the immersion bath 18 is characterized by a dividing line 19. At the anodes 5 are depending on their linear position with respect to the immersion bath 18 each different high DC voltages and DC currents to achieve a uniform in the immersion bath 18 to the anodes 5 passed vehicle body a uniform layer order.
  • the isolation transformers 10 and 11 are designed to transform different high voltage differences.
  • control modules can be switched in parallel to increase the current in any desired number, the interconnection can be performed in particular according to the master-slave principle.
  • ATL Automatic dip coating
  • KTL cathodic dip painting
  • the DC circuit consists in particular of the series connection of unregulated and regulated converter and of memory elements (L and C).
  • the application also covers the arbitrary order of these elements in the series connection.
  • the sequence controlled bridge, inductance, uncontrolled bridge, capacitive smoothing, diode is conceivable.
  • 2 systems can be connected in series whose isolation transformers are offset from the first system by an angle of 15 degrees.

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Abstract

A power control device (1) of a power network (2), which comprises a number of anodes (5) and a number of cathodes (3), of an electrochemical coating facility is disclosed, having a plurality of control modules (6), each control module (6) being configured to calculate and control a local current flow having a predetermined quantity as a function of the location and as a function of the time between an anode (5) and a cathode (3) of the power network (2).

Description

Beschreibungdescription
Stromsteuerungsvorrichtung eines Stromnetzes einer elektrochemischen BeschichtungsanlagePower control device of a power network of an electrochemical coating plant
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stromsteuerung eines Stromnetzes einer elektrochemischen Beschichtungsanlage.The invention relates to a device for controlling the current of a power network of an electrochemical coating system.
In einer elektrochemischen Beschichtungsanlage werden Werkstücke lokal oder global flächig mit Materialschichten überzogen, indem zwischen dem zu beschichtenden Werkstück und einem Medium, in welchem das Beschichtungsmaterial gelöst ist, und/oder zwischen dem Medium und externen elektrischen Lei- tern eine Potentialdifferenz erzeugt wird, die mittelbar zu einer Kondensation des Beschichtungsmaterials auf dem Werkstück führt. Zusätzlich zur Änderung des Aggregatzustandes des Beschichtungsmaterials kann sich dieses im Zuge des Kondensationsprozesses auf dem Werkstück auch chemisch verän- dern . Das Medium kann sich in einem flüssigen, gasartigen oder plasmatischen Aggregatzustand befinden und kann das Beschichtungsmaterial selbst sein, oder kann ein Lösungs- oder Transportmittel sein, welches das Beschichtungsmaterial enthält.In an electrochemical coating system, workpieces are locally or globally coated with material layers by generating a potential difference between the workpiece to be coated and a medium in which the coating material is dissolved, and / or between the medium and external electrical conductors leads to a condensation of the coating material on the workpiece. In addition to changing the state of aggregation of the coating material, this can also change chemically in the course of the condensation process on the workpiece. The medium may be in a liquid, gaseous or plasma state and may be the coating material itself or may be a solvent or vehicle containing the coating material.
Bekannte elektrochemische Beschichtungsverfahren umfassen beispielsweise Plasmabeschichtungsverfahren, bei denen in der Regel durch Hochfeldanregungen stark verdünnte Gase ionisiert und dadurch in einen plasmatischen Aggregatzustand versetzt werden. Durch chemische Reaktionen in dem Plasma können sich dann die Reaktionsprodukte auf einem Substrat - insbesondere auf einem zu beschichtenden Werkstück - niederschlagen (Spüt- tern) . Eine weitere bedeutende Untergruppe der elektrochemischen Beschichtungsverfahren stellen die elektrolytischen Be- schichtungsverfahren dar, bei welchen durch ein extern angelegtes elektrisches Potential in einem elektrisch dissoziierbaren Medium Ionendiffusionen induziert werden, welches mittelbar zu einer Materialabscheidung an einem Werkstück, wel- ches in das Medium eingebracht ist, führen kann. Auf diese Weise werden beispielsweise in der Galvanotechnik Werkstücke mit Metallen beschichtet, indem Schmelzen oder Lösungen von Metallsalzen elektrolytisch getrennt werden. Hierbei wird ein - in der Regel metallisches - Werkstück mit einer Elektrode, insbesondere einer Kathode, leitend verbunden, und zwischen der Elektrode und der korrespondierenden anderen Elektrode, insbesondere de Anode, wird ein externes elektrisches Potential angelegt. Die positiv geladenen Metallionen (Kationen) in der Metallsalzschmelze oder -lösung wandern zur Kathode, werden bei Kontakt mit dem Werkstück elektrisch neutralisiert und scheiden sich als Metallatome auf dem Werkstück ab. Be- schichtungsverfahren, bei denen Werkstücke in ein zumeist flüssiges Medium zum Zwecke der Beschichtung eingebracht wer- den, sind auch als Tauchbadbeschichtungsverfahren bekannt.Known electrochemical coating processes include, for example, plasma coating processes in which highly dilute gases are usually ionized by high field excitations and are thereby converted into a plasmatic state of matter. Chemical reactions in the plasma can then precipitate the reaction products on a substrate, in particular on a workpiece to be coated (sputtering). Another important subgroup of the electrochemical coating processes are the electrolytic coating processes, in which ion diffusions are induced by an externally applied electrical potential in an electrically dissociable medium, which indirectly leads to a material deposition on a workpiece, wel Ches is introduced into the medium, can lead. In this way, for example, in electroplating workpieces are coated with metals by electrolytically separating melts or solutions of metal salts. Here, a - usually metallic - workpiece with an electrode, in particular a cathode, conductively connected, and between the electrode and the corresponding other electrode, in particular de anode, an external electrical potential is applied. The positively charged metal ions (cations) in the metal salt melt or solution migrate to the cathode, become electrically neutralized upon contact with the workpiece, and deposit as metal atoms on the workpiece. Coating processes in which workpieces are introduced into a mostly liquid medium for the purpose of coating are also known as dip coating processes.
Bei einer elektrolytischen Tauchbadbeschichtung ist der Schichtauftrag pro Zeiteinheit auf das zu beschichtende Werkstück eine Funktion von mehreren Parametern, zu denen insbe- sondere das angelegte elektrische Potential, die Zeit und die Dicke der auf das Werkstück bereits aufgetragenen Materialschicht gehören. Einerseits nimmt bei konstantem Potential im Zuge der Beschichtung mit der Zeit die Ionenkonzentration in dem Medium ab, somit auch bei ansonsten konstant gehaltenen chemischen Eigenschaften, insbesondere der Ionenkonzentration des Bades die Stromstärke des zur Kathode wandernden Ionenstroms und infolgedessen der Schichtauftrag pro Zeiteinheit. Dieser Effekt kann verstärkt werden, wenn die bereits aufgetragene Materialschicht isolierend wirkt, was wiederum von der Leitfähigkeit des Kathodenmaterials, der zeitabhängigen Leitfähigkeit des Mediums mit den Ionen und von der Leitfähigkeit des Schichtmaterials sowie von den Verhältnissen dieser Leitfähigkeiten abhängig ist. Bei der Berücksichtigung aller Einflussparameter nimmt insgesamt bei konstantem elektrischem Potential in der Regel der Schichtauftrag pro Zeiteinheit ab, so dass zur Bildung einer zeitlich linearen Schichtdickenzunahme auf das Werkstück das elektrische Potential mit der Verweilzeit kontinuierlich erhöht werden muss. Bei kommerziellen Tauchbad-Beschichtungsanlagen, die für die Beschichtung großer Werkstücke ausgebildet sind, beispielsweise für die Beschichtung von Fahrzeugkarosserien, stehen für die das Tauchbad speisende Gleichspannung in der Regel Leistungseinheiten zur Verfügung, mit denen aus technischen Gründen nur einige, im Wesentlichen konstante Potentialwerte eingestellt werden können. Diese Potentialwerte werden auch als Spannungsebenen bezeichnet. Weiterhin bedingt ein Wechsel zwischen den Spannungsebenen im Tauchbad im Zuge eines Be- Schichtungsprozesses ungünstigerweise Diskontinuierlichkeiten im Schichtauftrag, insbesondere entstehen bei einem Umschalten von einer Spannungsebene zur nächst höheren Spannungsebene kurzzeitig Stromspitzen, was die Beschichtungsqualität negativ beeinflusst. Die oder jede Spannungsebene ist aus einer extern zugeführten Wechselspannung generiert, indem mittels der Netz- und Schaltungskomponenten die Wechselspannung gleichgerichtet und geglättet wird. Dabei kommen unter anderen aus Kostengründen niederpulsige Schaltungen zum Einsatz, die im Vergleich zu höherpulsigen Schaltungen deutlich kos- tengünstiger sind und eines vergleichbar geringen Regelungsaufwandes bedürfen, die jedoch einen höheren Anteil an Blindleistung im externen Netz produzieren, wodurch das Netz belastet und die Betriebskosten der Beschichtungsanlage erhöht werden. Um zudem einen durch einen Ausfall einer Leistungs- einheit bedingten Produktionsausfall vorbeugen zu können, ist in der Regel zumindest eine Reserveeinheit installiert, die über weitere Netz- und Schaltungskomponenten an das externe Versorgungsnetz angebunden ist. Durch solche Redundanzkomponenten, die im Regelfall nicht beansprucht sind, erhöhen sich jedoch weiterhin die Kosten für die Beschichtungsanlage.In the case of an electrolytic immersion coating, the layer application per unit of time onto the workpiece to be coated is a function of a plurality of parameters, which include, in particular, the applied electrical potential, the time and the thickness of the material layer already applied to the workpiece. On the one hand, with constant potential in the course of the coating, the ion concentration in the medium decreases over time, thus also with otherwise constant chemical properties, in particular the ion concentration of the bath, the current intensity of the ion current traveling to the cathode and consequently the layer application per unit time. This effect can be enhanced if the already applied material layer has an insulating effect, which in turn depends on the conductivity of the cathode material, the time-dependent conductivity of the medium with the ions and the conductivity of the layer material and on the ratios of these conductivities. When taking into account all influencing parameters, the layer deposition per unit of time generally generally decreases with a constant electrical potential, so that the electrical potential with the residence time must be increased continuously in order to form a temporally linear layer thickness increase on the workpiece. In commercial dip-coating systems, which are designed for the coating of large workpieces, for example, for the coating of vehicle bodies, power units are usually available for the DC voltage supplying the immersion bath, with which only a few, substantially constant potential values are set for technical reasons can. These potential values are also referred to as voltage levels. Furthermore, a change between the voltage levels in the immersion bath in the course of a stratification process unfavorably causes discontinuities in the layer order, in particular arise when switching from one voltage level to the next higher voltage level current peaks, which adversely affects the coating quality. The or each voltage level is generated from an externally supplied AC voltage, by means of the network and circuit components, the AC voltage is rectified and smoothed. For reasons of cost, among other things, low-pulse circuits are used, which are significantly more cost-effective in comparison with higher-pulse circuits and require a comparably low control effort, but which produce a higher proportion of reactive power in the external network, which burdens the network and the operating costs of the coating system increase. In addition, in order to be able to prevent a loss of production due to a failure of a power unit, at least one reserve unit is usually installed, which is connected to the external supply network via further network and circuit components. By such redundancy components, which are not claimed as a rule, but continue to increase the cost of the coating system.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es somit, eine Stromsteuerungsvorrichtung für eine elektrochemische Beschichtungsanlage anzugeben, welche möglichst kostengünstig ist, und durch welche einen möglichst effizienter und zuverlässiger Betrieb der Beschichtungsanlage gewährleistet ist bei zugleich der Gewährleistung einer hohen Beschichtungsqualität. Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Danach wird eine Stromsteuerungsvorrichtung eines eine Anzahl von Anoden und eine Anzahl von Kathoden umfassenden Stromnetzes einer elektrochemischen Beschichtungs- anläge angegeben, die eine Mehrzahl von Steuerungsmodulen aufweist, wobei jedes Steuerungsmodul zur Bildung und Steuerung eines lokalen Stromflusses vorgegebener Größe als Funktion des Ortes und als Funktion der Zeit zwischen einer Anode und einer Kathode des Stromnetzes ausgebildet ist.An object of the invention is thus to provide a power control device for an electrochemical coating system, which is as cost-effective as possible, and by which the most efficient and reliable operation of the coating system is ensured at the same time ensuring a high coating quality. The object of the invention is solved by the features of claim 1. Thereafter, a current control device of an electrochemical coating system comprising a number of anodes and a number of cathodes is disclosed comprising a plurality of control modules, each control module for establishing and controlling a localized current flow of predetermined magnitude as a function of location and as a function of the Time is formed between an anode and a cathode of the power grid.
Eine gebräuchliche Tauchbad-Beschichtungsanlage für Fahrzeugkarosserien umfasst üblicherweise zwei bis vier Leistungseinheiten. Die erste Einheit speist das Tauchbad mit einer vorgegebenen Gleichspannung. Im Zuge des Beschichtungsprozesses nimmt die Stromstärke im Tauchbad und damit der Schichtauftrag pro Zeiteinheit ab. Ab einem bestimmten Zeitpunkt wird die zweite Leistungseinheit zugeschaltet, die das Bad mit einer erhöhten Spannung speist, so dass der Schichtauftrag pro Zeiteinheit wieder ansteigt und dadurch im Zeitmittel einem vorgegebenen (konstanten) Wert entspricht. Die im Bad vorhandenen Ströme und Spannungen unterliegen globalen Randbedingungen, die eine kontinuierliche Regelbarkeit des an dem Tauchbad anliegenden elektrischen Potentials einschränkt und somit die (oben genannten) Spannungsebenen definieren. Somit existieren beispielsweise Schwellwerte, die zu erreichen sind, um einen effektiven Schichtauftrag zu gewährleisten, andererseits existieren auch Grenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen, damit das am zu beschichtenden Objekt keine partiellen Teilentladungen entstehen. Für die Ge- währleistung einer hohen Beschichtungsqualität ist jedoch ein möglichst konstanter Schichtauftrag pro Zeiteinheit für alle Zeitpunkte relevant. Die räumliche Verteilung der Schichtdicke über die Oberfläche des beschichteten Objektes ist zudem nur bedingt kontrollierbar, was insbesondere dann nachteilig ist, wenn ein räumlich variabler Schichtauftrag gezielt erfolgen soll. Da beide Leistungseinheiten durch eine Wechselspannung aus einem externen Netz gespeist werden, ist eine Stromrichterschaltung mit Gleichrichtern eingerichtet, welche die Wechselspannung/den Wechselstrom in eine gepulste Gleichspannung bzw. gepulsten Gleichstrom wandelt. Mittels Pufferkapazitäten und -induktivitäten wird die Spannung bzw. der Strom durch Verminderung und Kompensation der Fluktuationsamplituden geglättet.A common dip-coating machine for vehicle bodies usually comprises two to four power units. The first unit feeds the dipping bath with a given DC voltage. In the course of the coating process, the current intensity in the immersion bath and thus the layer deposition per unit time decreases. At a certain point in time, the second power unit is switched on, which feeds the bath with an increased voltage, so that the layer application per unit of time increases again and thereby corresponds to a predetermined (constant) value in the time average. The currents and voltages present in the bath are subject to global boundary conditions which limit a continuous controllability of the electrical potential applied to the immersion bath and thus define the (above-mentioned) voltage levels. Thus, for example, there are threshold values that are to be achieved in order to ensure an effective layer application, on the other hand, there are also limit values which must not be exceeded so that the object to be coated does not develop partial partial discharges. To ensure a high coating quality, however, it is necessary to use as much layering as possible per unit of time for all times as constant as possible. Moreover, the spatial distribution of the layer thickness over the surface of the coated object is only conditionally controllable, which is disadvantageous in particular if a spatially variable layer application is to be targeted. Since both power units are powered by an AC voltage from an external network, a converter circuit is arranged with rectifiers, which converts the AC voltage / AC into a pulsed DC voltage or pulsed DC current. By means of buffer capacitances and inductances, the voltage or the current is smoothed by reducing and compensating the fluctuation amplitudes.
Netzseitig korrespondierenden Randbedingungen für die Ströme und Spannungen im Tauchbad Randbedingungen an die Wechselspannungen und -ströme bezüglich deren Amplituden und deren relativen Phasenverschiebungen. Insbesondere sind durch die Spannungsebenen im Tauchbad bestimmte Minima für die Phasen- Verschiebung zwischen Wechselspannung und Wechselstrom in der Stromrichterschaltung vorgegeben. Dadurch wird jedoch eine so genannte Verschiebungsblindleistung im Netz produziert, die in Korrespondenz zu den Minima der Phasenverschiebung jeweils nur bis auf einen bestimmten Wert reduzibel ist.Network conditions corresponding boundary conditions for the currents and voltages in the immersion bath boundary conditions to the AC voltages and currents with respect to their amplitudes and their relative phase shifts. In particular, certain minimums for the phase shift between the alternating voltage and the alternating current in the converter circuit are predetermined by the voltage levels in the dipping bath. However, this produces a so-called shift reactive power in the network, which in correspondence with the minima of the phase shift can only be reduced to a certain value.
Weiterhin kommen aus Kostengründen zumeist niederpulsige Stromrichterschaltungen zum Einsatz, die unter Last in den hochfrequenten harmonischen Wellenanteilen der Wechselspannungen und -ströme, den so genannten Oberwellen, insgesamt größere Amplitudenbeiträge im Versorgungsnetz erzeugen, als höherpulsige Stromrichterschaltungen. Diese Oberwellenbeiträge erzeugen innerhalb des Netzes eine zusätzliche Blindleistung .Furthermore, for reasons of cost, usually low-pulse converter circuits are used which, under load in the high-frequency harmonic wave components of the alternating voltages and currents, the so-called harmonics, produce overall larger amplitude contributions in the supply network than higher-pulse converter circuits. These harmonic contributions generate additional reactive power within the network.
Die Erfindung geht daher von der Überlegung aus, die Stromsteuerung für das badspeisende Stromnetz zu modularisieren . Die Unzulänglichkeiten bezüglich der Realisierbarkeit eines gleichmäßigen Schichtauftrags auf ein zu beschichtendes Objekt sowie die Irreduzibilität der Blindleistung, die im Zuge der Badstromversorgung im externen Versorgungsnetz entsteht, ist zu einem wesentlichen Anteil darauf zurückzuführen, dass mit Hilfe einer kleinen Anzahl von Leistungseinheiten ein hoher globaler Badstrom erzeugt ist. Die Anzahl der variierba- ren Parameter ist bei definierten Randbedingungen entsprechend gering. Im Gegensatz dazu können mit Hilfe einer höheren Anzahl von entkoppelten und separat ansteuerbaren Leis- tungs- und Steuerungsmodulen jeweils lokale Ströme zwischen jeweils einer Kathode und jeweils einer Anode im Bad gebildet und kontrolliert werden. Hierdurch ist es insbesondere möglich, durch eine gezielte Ansteuerung in definierten räumlichen Zonen des Bades unterschiedlich hohe Schichtaufträge pro Zeiteinheit zu realisieren, beispielsweise kann dadurch bei einer Fahrzeugkarosserie im Zuge eines Beschichtungsprozesses die B-Säule stärker beschichtet werden als das Fahrzeugdach. Ausgleichseffekte im Bad, die eine räumlich und zeitlich definierte Verteilung des Strömungsfeldes im Bad zu homogenisieren bestrebt sind, können durch schaltungstechnische Maß- nahmen und durch eine geeignete Schaltungsnetztopologie vermieden oder vermindert werden.The invention is therefore based on the idea to modularize the power control for the bath-feeding power network. The shortcomings with regard to the feasibility of uniform layer application on an object to be coated and the irreducibility of the reactive power that arises in the course of the bath power supply in the external supply network is due in large part to the fact that a high global bath current is generated with the aid of a small number of power units is. The number of variierba The parameter is correspondingly low under defined boundary conditions. In contrast, with the aid of a higher number of decoupled and separately controllable power and control modules, local currents can be formed and controlled in each case between one cathode and one anode in each case in the bath. As a result, it is possible, in particular, to realize differently high layer orders per unit of time by targeted activation in defined spatial zones of the bath; for example, in a vehicle bodywork in the course of a coating process, the B-pillar can be more heavily coated than the vehicle roof. Balancing effects in the bath, which endeavor to homogenize a spatially and temporally defined distribution of the flow field in the bath, can be avoided or reduced by means of circuitry measures and by means of a suitable circuit network topology.
Die von den einzelnen Steuerungsmodulen kontrollierten Ströme unterliegen nicht denselben Randbedingungen wie ein globaler Badstrom, so dass insbesondere die Amplituden und die relativen Phasenverschiebungen der bzw. zwischen den netzseitig an den Steuerungsmodulen anliegenden Wechselspannungen und -ströme geringer sein können. Dadurch wird die Verschiebungsblindleistung im Netz insgesamt vermindert. Des Weiteren sind die Oberwellenanteile der Wechselspannungen und -ströme, die durch die einzelnen voneinander entkoppelten Steuerungsmodule bedingt werden, statistisch unabhängig voneinander, so dass durch eine statistische Interferenz der Wellen die Amplitude der Gesamtblindleistung im Versorgungsnetz, die auf Oberwel- leneffekte zurückzuführen ist, deutlich reduziert ist.The currents controlled by the individual control modules are not subject to the same boundary conditions as a global bath current, so that in particular the amplitudes and the relative phase shifts of or between the alternating voltages and currents applied to the control modules on the network side can be lower. As a result, the overall reactive power in the network is reduced. Furthermore, the harmonic components of the alternating voltages and currents, which are caused by the individual control modules which are decoupled from each other, are statistically independent of one another, so that the amplitude of the total reactive power in the supply network, which is due to harmonic effects, is significantly reduced by statistical interference of the waves is.
Ferner ist durch eine relativ große Anzahl an Steuerungsmodulen keine zusätzliche Anzahl von Modulen als Reserveeinheiten erforderlich. Das System ist schon hoch redundant, der Aus- fall eines Steuerungsmoduls während eines Beschichtungsprozesses führt daher zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung des Prozesses. Darüber hinaus ist es möglich, einzelne Steue- rungsmodule oder Modulgruppen im Zuge eines Beschichtungsre- zeptes selektiv zu- oder abzuschalten.Furthermore, a relatively large number of control modules require no additional number of modules as reserve units. The system is already highly redundant, so the failure of a control module during a coating process does not significantly affect the process. In addition, it is possible to use individual control selectively connect or disconnect modules or groups of modules during a coating process.
Die bisher diskutierte Überlegung, von der die Erfindung aus- geht, lässt sich auf den verallgemeinerten Fall übertragen, bei welchem das Tauchbad durch ein Medium einer elektrochemischen Beschichtungsanlage allgemeiner Art substituiert ist.The consideration discussed so far, on which the invention is based, can be transferred to the generalized case in which the immersion bath is substituted by a medium of an electrochemical coating plant of general type.
In einer vorteilhaften Ausführung der Stromsteuerungsvorrich- tung umfasst ein oder jedes Steuerungsmodul eine Schaltungsanordnung mit einer Anzahl von Stromrichtern, insbesondere mit einer Anzahl von Gleichrichtern. Mittels eines Gleichrichters ist ein Wechselstrom aus dem externen Versorgungsnetz zu einem Gleichstrom, mit welchem das Tauchbad gespeist ist, gewandelt. Durch eine geeinte und iterativ erweiterbare Schaltungsanordnung mehrerer Gleichrichter, insbesondere in einer Parallelschaltung, kann eine hohe Pulszahl erreicht werden, wodurch der Anteil der Oberwellen einer solchen Schaltung in entsprechender Weise iterativ reduziert ist. Die Pulszahl beschreibt die Anzahl von koperiodischen Spannungsoder Stromwellen, die innerhalb einer Wellenperiode ausgelöst sind, die relative Phasenverschiebung zwischen zwei aufeinander folgenden Teilwellen ist dabei durch die Periodendauer geteilt durch die Pulszahl gegeben.In an advantageous embodiment of the current control device, one or each control module comprises a circuit arrangement with a number of power converters, in particular with a number of rectifiers. By means of a rectifier, an alternating current from the external supply network is converted to a direct current with which the immersion bath is fed. By a united and iteratively expandable circuit arrangement of several rectifiers, in particular in a parallel circuit, a high pulse count can be achieved, whereby the proportion of the harmonics of such a circuit is iteratively reduced in a corresponding manner. The pulse number describes the number of koperiodic voltage or current waves that are triggered within a wave period, the relative phase shift between two successive partial waves is given by the period divided by the number of pulses.
Vorzugsweise ist ein oder jeder Stromrichter, insbesondere ein oder jeder Gleichrichter, mit einer Anzahl von Anoden oder Kathoden des Stromnetzes verbunden. Bei einer elektrolytischen Beschichtungsanlage zur Beschichtung mit Metallen ist das jeweils zu beschichtende Objekt mit einer Kathode leitend verbunden und die Ankopplung des oder jedes Stromrichters erfolgt vorzugsweise anodenseitig .Preferably, one or each power converter, in particular one or each rectifier, is connected to a number of anodes or cathodes of the power network. In an electrolytic coating system for coating with metals, the object to be coated is conductively connected to a cathode and the coupling of the or each power converter is preferably carried out on the anode side.
Vorteilhafterweise ist eine oder jede Schaltungsanordnung von Stromrichtern als Reihenschaltung eines gesteuerten Gleichrichters mit einem ungesteuerten Gleichrichter realisiert. Dieser lokalen Schaltungstopologie liegt das Prinzip einer so genannten Zu- und Gegenschaltung zugrunde, durch welche netz- seitig im Lastbetrieb die Phasenverschiebung zwischen Wechselspannung und -ström optimiert ist, und somit eine entsprechend geringe Verschiebungsblindleistung realisiert ist.Advantageously, one or each circuit arrangement of power converters is implemented as a series connection of a controlled rectifier with an uncontrolled rectifier. This local circuit topology is based on the principle of a so-called positive and negative circuit through which mains Since the phase shift between AC voltage and current is optimized during load operation, and thus a correspondingly small displacement reactive power is realized.
In einer günstigen Weiterbildung der Schaltungsanordnung von Stromrichtern ist ein oder jeder gesteuerter Gleichrichter als Tyristorbrücke realisiert ist und/oder ist ein oder jeder ungesteuerter Gleichrichter als Diodenbrücke realisiert. Eine derartige Kombination hat den Vorteil, dass eine ungesteuerte Diodenbrücke wesentlich kostengünstiger ist als ein gesteuerter Stromrichter.In a favorable development of the circuit arrangement of power converters, one or each controlled rectifier is realized as a thyristor bridge and / or one or each uncontrolled rectifier is realized as a diode bridge. Such a combination has the advantage that an uncontrolled diode bridge is much cheaper than a controlled power converter.
Bevorzugterweise ist die Stromsteuerungsvorrichtung dahingehend ausgebildet, dass ein oder jedes Steuerungsmodul mit ei- ner Anzahl von Isolationstransformatoren verbunden ist.Preferably, the current control device is designed in such a way that one or each control module is connected to a number of isolation transformers.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Stromsteuerungsvorrichtung ist eine oder jeder gesteuerter Gleichrichter mit jeweils einem Isolationstransformator verbunden, und eine oder jede Diodenbrücke ist mit jeweils einem weiteren Isolationstransformator verbunden .In a particularly advantageous embodiment of the current control device, one or each controlled rectifier is connected to a respective isolation transformer, and one or each diode bridge is connected to a respective further isolation transformer.
Eine solche Ausführung ist beispielsweise bei einer Schaltungsanordnung realisiert, in der eine Diodenbrücke und ein gesteuerter Gleichrichter, die zueinander in Reihe geschaltet sind, mit einem ersten bzw. zweiten Isolationstransformator verbunden sind. Der erste Isolationstransformator speist die Diodenbrücke mit einem ersten, zur externen Wechselspannung phasengleichen Strom, der zweite Isolationstransformator speist den gesteuerten Gleichrichter mit einem zweiten Strom, der zu dem ersten Strom netzseitig um 30 Grad phasenverschoben ist. Eine derartige 12-pulsige, also eine um jeweils 30 Grad phasenversetzte Speisung dieser Gleichrichterschaltung ist beispielsweise mit einem ersten Isolationstransformator des Vektortyps DyO und mit einem zweiten Isolationstransformator des Vektortyps Dy5 aus einer 6-pulsigen Energieeinspeisung realisierbar, in welcher die Phasenverschiebungen jeweils 60 Grad betragen. Somit ist eine relativ kostengüns- tige, 12-pulsige Gleichrichterschaltung dargestellt, die hinsichtlich der Gesamtoberwellenerzeugung gegenüber einer nie- derpulsigen, insbesondere gegenüber einer 6-pulsigen Gleichrichterschaltung, vorteilhaft ist.Such an embodiment is realized, for example, in a circuit arrangement in which a diode bridge and a controlled rectifier, which are connected in series with one another, are connected to a first or second insulation transformer. The first isolation transformer feeds the diode bridge with a first current in phase with the external AC voltage, and the second isolation transformer feeds the controlled rectifier with a second current that is out of phase with the first current by 30 degrees. Such a 12-pulse, that is a 30 degrees out of phase supply of this rectifier circuit, for example, with a first isolation transformer of the vector DyO type and with a second isolation transformer of the vector type Dy5 from a 6-pulse power supply realized in which the phase shifts are each 60 degrees. Thus, a relatively inexpensive illustrated, 12-pulse rectifier circuit, which is advantageous in terms of the total harmonic wave generation against a low-pulse, in particular against a 6-pulse rectifier circuit.
Steht dagegen schon netzseitig eine 12-pulsige Speisung zur Verfügung, so können die Isolationstransformatoren typengleich ausgebildet sein, beispielsweise als Isolationstransformatoren des Vektortyps DyO.On the other hand, if a 12-pulse supply is already available on the supply side, then the isolation transformers can be of the same type, for example as insulation transformers of the vector type DyO.
In Ergänzung zu der Gesamtreduktion der Oberwellenanteile, die sich aus der statistischen Unabhängigkeit und mithin aus der statistisch gleichverteilten Interferenz der Oberwellenfluktuationen, die von den einzelnen Steuerungsmodulen ausge- löst sind, ergeben, ist eine zusätzliche Reduktion der in das externe Netz zurückwirkenden Oberwellen dadurch erreicht, dass deren Amplituden umgekehrt proportional zu der Anzahl der Steuerungsmodule skalieren.In addition to the overall reduction of the harmonic components resulting from the statistical independence, and hence from the statistically equally distributed interference of the harmonic fluctuations caused by the individual control modules, an additional reduction of the harmonics acting back into the external network is achieved by that their amplitudes scale in inverse proportion to the number of control modules.
Somit wird insgesamt mit der Verschiebungsblindleistungsre- duktion eine besonders effektive Blindleistungsreduktion erreicht. Der Powerfaktor der Stromsteuerungsvorrichtung, der das Verhältnis aus der effektiv genutzten Wirkleistung zu der Gesamtleistung im Versorgungsnetz inklusive der Blindleistung beschreibt, kann somit beispielsweise einen Wert von mehr als 0,94 erreichen, und bei einer Nennlast von 12,5 % noch mehr als 0,8. Die Blindleistungsreduktion führt insbesondere zu einer Entlastung der speisenden Netztransformatoren.As a result, a particularly effective reactive power reduction is achieved overall with the shift reactive power reduction. The power factor of the current control device, which describes the ratio of the effectively used active power to the total power in the supply network including the reactive power, can thus for example reach a value of more than 0.94, and at a nominal load of 12.5% even more than 0, 8th. The reactive power reduction leads in particular to a relief of the feeding mains transformers.
Durch eine 12-pulsige Gleichrichterschaltung entstehen auf der Gleichstromseite doppelt so viele Strom- und Spannungs- maxima wie bei einer 6-pulsigen Ansteuerung. Die Amplituden der Maxima sind ebenfalls geringer. Somit weist der durch die 12-pulsige Gleichrichterschalung erzeugte Gleichstrom und die Gleichspannung verhältnismäßig geringe Fluktuationen auf. Bei einer geeigneten 12-pulsigen Gleichrichterschaltung kann die Fluktuationsamplitude weniger als 1 % der erzeugten Gleichstromstärke oder Gleichspannung betragen. Die erforderlichen Pufferkapazitäten und -induktivitäten zur Gleichspannungsbzw, zur Gleichstromglättung, die beispielsweise durch einen Glättungskondensator bzw. eine Gleichstromdrossel realisiert sind, können daher vorteilhafterweise kleiner ausgeführt sein als bei einer niederpulsigen Gleichrichterschaltung, so dass insgesamt die Effizienz und die Wirtschaftlichkeit der Stromsteuerungsvorrichtung erhöht ist.A 12-pulse rectifier circuit generates twice as many current and voltage maxima on the DC side as with a 6-pulse control. The amplitudes of the maxima are also lower. Thus, the DC current and DC voltage generated by the 12-pulse rectifier circuit has relatively low fluctuations. In a suitable 12-pulse rectifier circuit, the fluctuation amplitude may be less than 1% of the generated DC or DC voltage. The necessary Buffer capacitances and inductances for Gleichspannungszwzw, for DC smoothing, which are realized for example by a smoothing capacitor or a DC reactor can therefore be advantageously designed smaller than in a low-pulse rectifier circuit, so that overall the efficiency and the efficiency of the power control device is increased.
In einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsvariante der Stromsteuerungsvorrichtung ist zwischen einem oder jedemIn a further advantageous embodiment of the power control device is between one or each
Steuerungsmodul und jeweils einer Anzahl von Anoden eine Entkopplungsschaltung ausgebildet, welche das jeweilige Steuerungsmodul von dem Tauchbad entkoppelt. Die Entkopplungsschaltung umfasst eine Mehrzahl von in Reihe geschalteter Dioden, welche Dioden jeweils in Durchlassrichtung mit jeweils einer Anode verbunden sind.Control module and each of a number of anodes a decoupling circuit is formed, which decouples the respective control module of the immersion bath. The decoupling circuit comprises a plurality of series-connected diodes, which diodes are each connected in the forward direction with one anode.
Mit Hilfe einer derartigen Entkopplungsschaltung ist eine Rückflusskompensation realisiert, so dass ein definiert ein- gestelltes Strömungsfeld im Bad zwischen den Anoden und Kathoden nicht zusammenbricht und/oder homogenisiert ist. Ausgleichströme zwischen örtlich benachbarten Einspeisestellen werden verhindert.With the aid of such a decoupling circuit, a backflow compensation is realized, so that a defined set flow field in the bath between the anodes and cathodes does not collapse and / or is homogenized. Equalization currents between locally adjacent infeed points are prevented.
Vorzugsweise umfasst die Entkopplungsschaltung eine Reihenschaltung einer ersten Diode mit einer zweiten Diode, die jeweils in Durchlassrichtung mit einer ersten Anode bzw. mit einer zweiten Anode verbunden ist, wobei die erste Diode in Sperrrichtung über ein Schaltelement und eine Induktivität mit dem Steuerungsmodul verbunden ist und wobei die zweite Diode in Sperrrichtung mit der ersten Diode, mit der ersten Anode und mit einem Glättungskondensator verbunden ist.Preferably, the decoupling circuit comprises a series connection of a first diode having a second diode, which is connected in each case in the forward direction to a first anode or to a second anode, wherein the first diode is connected in the reverse direction via a switching element and an inductance with the control module and wherein the second diode is reverse-connected to the first diode, to the first anode and to a smoothing capacitor.
Über die erste Diode fließt der Strom für beide Anoden, über die zweite Anode fließt nur der Strom für die die zweite Anode. Der Spannungsabfall jeweils an der ersten und an der zweiten Diode kann zu unterschiedlichen Spannungen an der ersten und an der zweiten Anode führen. Diese Spannungsdiffe- renz ist dadurch kompensiert, dass der Kabelweg für eine Anode über das Bad jedoch zwangsläufig länger ist.The current flows through the first diode for both anodes, while only the current flows through the second anode for the second anode. The voltage drop at each of the first and second diodes may result in different voltages at the first and second anode. This voltage difference however, the cable path for an anode across the bath is necessarily longer.
Die Anbringung eines Glättungskondensators zwischen den bei- den in Reihe geschalteten Dioden der Entkopplungsschaltung hat den Vorteil, dass zwischen dem Glättungskondensator und zwischen der zur Glättung des Gesamtstromflusses erforderlichen Induktivität, welche insbesondere als Gleichstromdrosselspule gegeben ist, kein Schwingkreis entstehen kann. Der Glättungskondensator ist von der Stromrichterschaltung über die Induktivität sowie über die erste Diode in Durchlassrichtung aufgeladen. Ein Rückschwingen der Energie vom Glättungskondensator zur Diode ist durch die Sperrwirkung der Diode jedoch nicht möglich. Die Energie kann sich daher nur über den Widerstand des Bades entladen. Insbesondere sind somit unerwünschte Ausgleichsentladungs- und Kompensationsvorgänge innerhalb des Bades unterbunden. Weiterhin ist eine energie- verlustbehaftete Bedämpfung, welche für einen Schwingkreisen benötigt würde, nicht erforderlich.The provision of a smoothing capacitor between the two series connected diodes of the decoupling circuit has the advantage that no resonant circuit can arise between the smoothing capacitor and between the inductance required for smoothing the total current flow, which is given in particular as a DC choke coil. The smoothing capacitor is charged by the converter circuit via the inductance and via the first diode in the forward direction. However, a return oscillation of the energy from the smoothing capacitor to the diode is not possible due to the blocking effect of the diode. The energy can therefore discharge only through the resistance of the bath. In particular, unwanted Ausgleichententladungs- and compensation processes are thus prevented within the bath. Furthermore, an energy-lossy damping, which would be needed for a resonant circuit, not required.
Zweckmäßigerweise ist für die Stromsteuerungsvorrichtung eine Recheneinheit mit einem Simulationsmodell zur Simulation von Spannungs- und/oder Stromvorgaben eingerichtet. Durch eine solche Simulation sind insbesondere Spannungs- und Stromvor- gaben im Bad und die davon abhängigen Parameter für einen Be- schichtungsprozess berechnet. Die Festlegung von ortsabhängigen Soll-Beschichtungsstärken in einer CAD-Darstellung des zu beschichtenden Objektes ist durch ein Fahrprogramm erzeugt, welches zur Vorgabe der Spannung und/oder des Stroms, die bzw. der über eine oder jede Anode an das Bad abgegeben ist, als Funktion der Objektposition im Bad verwendet ist.A computing unit with a simulation model for simulating voltage and / or current specifications is expediently set up for the current control device. By means of such a simulation, in particular voltage and current specifications in the bath and the parameters dependent thereon are calculated for a coating process. The determination of location-dependent desired coating thicknesses in a CAD representation of the object to be coated is generated by a travel program which is used to specify the voltage and / or the current that is discharged via an or each anode to the bath as a function the object position in the bathroom is used.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromsteuerungsvorrichtung eines Stromnetzes einer elektrochemischen Beschichtungsanlage anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigen: FIG 1 ein Schaltbild der Stromsteuerungsvorrichtung in schematischer Darstellung, undHereinafter, an embodiment of a power control device according to the invention of a power grid of an electrochemical coating plant will be explained with reference to a drawing. Showing: 1 shows a circuit diagram of the current control device in a schematic representation, and
FIG 2 ein weiteres Schaltbild der Stromsteuerungsvorrich- tung in schematischer Darstellung.2 shows a further circuit diagram of the Stromsteuerungsvorrich- device in a schematic representation.
Einander entsprechende Teile in verschieden Figuren sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts in different figures are provided with the same reference numerals.
In FIG 1 ist ein Schaltbild einer Stromsteuerungsvorrichtung 1 eines Stromnetzes 2 einer elektrochemischen Beschichtungs- anlage schematisch dargestellt.1 shows a schematic diagram of a circuit diagram of a current control device 1 of a power network 2 of an electrochemical coating system.
Der durch den Beschichtungsprozess indizierten Potentialan- passung trägt die Anpassung der Sekundärspannung der Isolationstransformatoren Rechnung. Sie bewirkt eine zusätzliche Optimierung des Blindleistungsanteiles in dem treibenden Netz.The potential change indicated by the coating process takes into account the adaptation of the secondary voltage of the isolation transformers. It causes an additional optimization of the reactive power share in the driving network.
Das Stromnetz 2 umfasst mehrere Kathoden 3, welche mit einer Anzahl von zu beschichtenden Objekten 4 leitend verbunden sind, sowie eine Mehrzahl von jeweils paarweise gruppierten Anoden 5. Die Kathoden 3 mit den zu beschichtenden Objekten 4 und die Anoden 5 sind in ein Tauchbad eingebracht, welches eine Metallsalzlösung enthält.The power network 2 comprises a plurality of cathodes 3 which are conductively connected to a number of objects 4 to be coated, and a plurality of anodes 5 grouped in pairs. The cathodes 3 with the objects 4 to be coated and the anodes 5 are introduced into an immersion bath, which contains a metal salt solution.
Die Stromsteuerungsvorrichtung 1 umfasst eine Anzahl von Steuerungsmodulen 6 mit jeweils einer Reihenschaltung 7 aus einer gesteuerten Tyristorbrücke 8 und einer ungesteuerten Diodenbrücke 9. Sowohl die Tyristorbrücke 8 als auch die Dio- denbrücke 9 sind netzseitig mit jeweils einem Drehstrom-Iso- lationstransformator 10 bzw. 11 verbunden. Die Tyristorbrücke 8 ist in Durchlassrichtung über eine Entkopplungsschaltung 12 mit einem Paar von Anoden 5 verbunden. Die Entkopplungsschaltung 12 umfasst eine erste und eine zweite Diode 13 bzw. 14, die jeweils in Durchlassrichtung mit einer Anode 5 des Paars von Anoden 5 verbunden sind. Die erste Diode 13 ist in Sperrrichtung über ein Schaltelement 15 und eine Gleichstromdrossel 16 mit der Tyristorbrücke 8 verbunden, und die zweite Diode 14 ist in Sperrrichtung mit der ersten Diode 13 und mit der damit in Durchlassrichtung verbundenen Anode 5, sowie mit einem Glättungskondensator 17 verbunden.The current control device 1 comprises a number of control modules 6 each having a series circuit 7 comprising a controlled tyristor bridge 8 and an uncontrolled diode bridge 9. Both the thyristor bridge 8 and the diode bridge 9 are on the line side, each with a three-phase insulation transformer 10 or 11 connected. The thyristor bridge 8 is connected in the forward direction via a decoupling circuit 12 with a pair of anodes 5. The decoupling circuit 12 comprises a first and a second diode 13 and 14, which are each connected in the forward direction to an anode 5 of the pair of anodes 5. The first diode 13 is connected in the reverse direction via a switching element 15 and a DC reactor 16 to the Tyristorbrücke 8, and the second Diode 14 is connected in the reverse direction to the first diode 13 and to the anode 5 connected therewith in the forward direction as well as to a smoothing capacitor 17.
Die Isolationstransformatoren 10 und 11 speisen die Tyristor- brücke 8 bzw. die Diodenbrücke 9 mit jeweils einer Wechselspannung, wobei die Wechselspannungen phasengleich sind, oder einen Phasenwinkel von 30 Grad zueinander aufweisen. Die Reihenschaltung 7 aus Tyristorbrücke 8 und Diodenbrücke 9 er- zeugt daraus und aus dem über die IsolationstransformatorenThe isolation transformers 10 and 11 feed the Tyristor bridge 8 and the diode bridge 9, each with an AC voltage, the AC voltages are in phase, or have a phase angle of 30 degrees to each other. The series connection 7 of the thyristor bridge 8 and diode bridge 9 generates from it and out of it via the isolation transformers
10 und 11 eingehenden, frequenzgleichen Wechselstrom eine gepulste Gleichspannung bzw. einen gepulsten Gleichstrom, deren bzw. dessen Fluktuationsamplituden mit Hilfe des Glättungs- kondensators 17 bzw. mit der Gleichstromdrossel 16 geglättet sind. Die Bildung eines LC-Schwingkreises aus der Gleichstromdrossel 16 und dem Glättungskondensator 17 ist dabei durch die schaltungstechnisch dazwischenliegend angeordnete erste Diode 14 der Entkopplungsschaltung 12 verhindert, da die im elektrischen Feld des Glättungskondensators 17 gespei- cherte Energie nicht als Strom in Sperrrichtung der ersten10 and 11 incoming, frequency-like AC a pulsed DC voltage or a pulsed DC whose or whose fluctuation amplitudes are smoothed by means of the smoothing capacitor 17 and the DC reactor 16. The formation of an LC resonant circuit comprising the DC choke 16 and the smoothing capacitor 17 is prevented by the first diode 14 of the decoupling circuit 12, which is interposed therebetween, since the energy stored in the electric field of the smoothing capacitor 17 does not act as a current in the reverse direction of the first
Diode 14 zur Gleichstromdrossel 16 zurückfließen kann. Durch die Entkopplungsschaltung 12 sind Ausgleichseffekte der Felder zwischen den Kathoden 3 und den Anoden 5 vermieden.Diode 14 can flow back to the DC reactor 16. The decoupling circuit 12 compensating effects of the fields between the cathodes 3 and the anodes 5 are avoided.
FIG 2 zeigt ein weiteres Schaltbild der in FIG 1 gezeigten Stromsteuerungsvorrichtung nach FIG 1 in schematischer Darstellung.2 shows a further circuit diagram of the current control device shown in FIG 1 according to FIG 1 in a schematic representation.
Sichtbar sind die Steuerungsmodule 6 mit den Tyristorbrücken 8 und den Diodenbrücken 9, die mittels der Isolationstransformatoren 10 bzw. 11 an das Stromnetz 2 angeschlossen sind, und die badseitig mit den Anoden 5 verbunden sind. Im Gegensatz zu FIG 1 sind die dort dargestellten Paare von Anoden 5, die mit jeweils einem Steuerungsmodul 6 verbunden sind, in dieser Darstellung als Einheit skizziert. Die in FIG 1 dargestellten Entkopplungsschaltungen 12 sind hier nicht dargestellt. Das Gebiet des Tauchbades 18 ist durch eine Trennlinie 19 gekennzeichnet. An den Anoden 5 liegen je nach ihrer linearen Position bezüglich des Tauchbades 18 jeweils unterschiedlich hohe Gleichspannungen und Gleichstromflüsse an, um auf einer im Tauchbad 18 an den Anoden 5 vorbei geführten Fahrzeugkarosserie einen gleichmäßigen Schichtauftrag zu erzielen. Die Tyristorbrücken 8 und die Diodenbrücken 9 der Steuerungsmodule 6, die mit den jeweiligen Anoden 5 verbunden sind, erzeugen diese jeweiligen Gleichspannungen und Gleichströme aus Wechselspannungen bzw. Wechselströmen, die von den Isolationstransformatoren 10 bzw. 11 mit der jeweils erforderlichen Amplitude bereitgestellt sind. Je nach Position bezüglich des Tauchbades 18 sind daher die Isolationstransformatoren 10 bzw. 11 zur Transformation unterschiedlich hoher Spannungsdifferenzen ausgebildet.Visible are the control modules 6 with the Tyristorbrücken 8 and the diode bridges 9, which are connected by means of the isolation transformers 10 and 11 to the power grid 2, and the bath side are connected to the anodes 5. In contrast to FIG. 1, the pairs of anodes 5 shown there, which are each connected to a control module 6, are sketched as a unit in this representation. The decoupling circuits 12 shown in FIG. 1 are not shown here. The area of the immersion bath 18 is characterized by a dividing line 19. At the anodes 5 are depending on their linear position with respect to the immersion bath 18 each different high DC voltages and DC currents to achieve a uniform in the immersion bath 18 to the anodes 5 passed vehicle body a uniform layer order. The thyristor bridges 8 and the diode bridges 9 of the control modules 6, which are connected to the respective anodes 5, generate these respective DC voltages and DC currents from AC voltages provided by the isolation transformers 10 and 11, respectively, with the respective required amplitude. Depending on the position with respect to the immersion bath 18, therefore, the isolation transformers 10 and 11 are designed to transform different high voltage differences.
Die weiteren Details der Darstellung entsprechen den Details der Darstellung in FIG 1 und sind FIG 1 zu entnehmen.The further details of the representation correspond to the details of the illustration in FIG. 1 and are shown in FIG.
Die Steuerungsmodule lassen sich zur Stromerhöhung in beliebiger Stückzahl parallel schalten, wobei die Zusammen- Schaltung insbesondere nach dem Master-Slave-Prinzip ausgeführt sein kann. Damit können konventionelle Systeme in ATL (Adonische Tauchlackierung) und KTL (Kathodische Tauchlackie- rung) Ausführung identisch nachgebildet werden. Ein gemischter Betrieb von ATL und KTL ist nicht ausgeschlossen.The control modules can be switched in parallel to increase the current in any desired number, the interconnection can be performed in particular according to the master-slave principle. Thus, conventional systems in ATL (Adonian dip coating) and cathodic dip painting (KTL) can be simulated identically. Mixed operation of ATL and KTL is not excluded.
Der Gleichstromkreis besteht insbesondere aus der Reihenschaltung von ungeregeltem und geregeltem Stromrichter sowie aus Speicherelementen (L und C) . Die Anmeldung deckt auch die beliebige Reihenfolge dieser Elemente in der Reihenschaltung ab. Beispielsweise ist die Reihenfolge gesteuerte Brücke, Induktivität, ungesteuerte Brücke, kapazitive Glättung, Diode denkbar .The DC circuit consists in particular of the series connection of unregulated and regulated converter and of memory elements (L and C). The application also covers the arbitrary order of these elements in the series connection. For example, the sequence controlled bridge, inductance, uncontrolled bridge, capacitive smoothing, diode is conceivable.
Um die 12-pulsigen Netzrückwirkungen weiter zu reduzieren, können insbesondere 2 Systeme in Reihe geschaltet werden, deren Isolationstransformatoren zum ersten System um einen Winkel von 15 Grad versetzt sind. In order to further reduce the 12-pulse network perturbations, in particular 2 systems can be connected in series whose isolation transformers are offset from the first system by an angle of 15 degrees.

Claims

Patentansprüche claims
1. Stromsteuerungsvorrichtung (1) eines eine Anzahl von Anoden (5) und eine Anzahl von Kathoden (3) umfassenden Strom- netzes (2) einer elektrochemischen Beschichtungsanlage mit einer Mehrzahl von unabhängig voneinander an steuerbaren Steuerungsmodulen (6), wobei jedes Steuerungsmodul (6) zur Bildung und Steuerung eines lokalen Stromflusses vorgegebener Größe als Funktion des Ortes und als Funktion der Zeit zwi- sehen einer Anode (5) und einer Kathode (3) des Stromnetzes (2) ausgebildet ist.A current control device (1) of a power network (2) comprising a number of anodes (5) and a number of cathodes (2) of an electrochemical coating installation having a plurality of independently controllable control modules (6), each control module (6 ) to form and control a local current flow of predetermined size as a function of the location and as a function of time between see an anode (5) and a cathode (3) of the power network (2) is formed.
2. Stromsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei ein oder jedes Steuerungsmodul (6) eine Schaltungsanordnung (7) mit einer Anzahl von Stromrichtern (8, 9) umfasst.The power control device (1) according to claim 1, wherein one or each control module (6) comprises a circuit arrangement (7) with a number of power converters (8, 9).
3. Stromsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei ein oder jeder Stromrichter (8, 9) mit einer Anzahl von AnodenA power control device (1) according to claim 2, wherein one or each power converters (8, 9) having a number of anodes
(5) oder Kathoden (3) des Stromnetzes (2) verbunden ist.(5) or cathodes (3) of the power network (2) is connected.
4. Stromsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine oder jede Schaltungsanordnung (7) von Stromrichtern (8, 9) als Reihenschaltung (7) eines gesteuerten Gleichrichters (8) mit einem ungesteuerten Gleichrichter (9) reali- siert ist.4. Current control device (1) according to claim 2 or 3, wherein one or each circuit arrangement (7) of power converters (8, 9) as a series circuit (7) of a controlled rectifier (8) with an uncontrolled rectifier (9) is realized.
5. Stromsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei ein oder jeder gesteuerte Gleichrichter (8) als Tyristorbrücke5. Current control device (1) according to claim 4, wherein one or each controlled rectifier (8) as a thyristor bridge
(8) realisiert ist und/oder ein oder jeder ungesteuerte Gleichrichter (9) als Diodenbrücke (9) realisiert ist.(8) is realized and / or one or each uncontrolled rectifier (9) as a diode bridge (9) is realized.
6. Stromsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei ein oder jedes Steuerungsmodul (6) mit einer Anzahl von Isolationstransformatoren (10, 11) verbunden ist.A power control device (1) according to any one of claims 2 to 5, wherein one or each control module (6) is connected to a number of isolation transformers (10, 11).
7. Stromsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 5 und 6, wobei ein oder jeder gesteuerte Gleichrichter (8) mit jeweils einem Isolationstransformator (10) verbunden ist und eine oder jede Diodenbrücke (9) mit jeweils einem weiteren Isolationstransformator (11) verbunden ist.7. Power control device (1) according to claim 5 and 6, wherein one or each controlled rectifier (8) is connected to a respective isolation transformer (10) and a or each diode bridge (9) is connected to a respective further isolation transformer (11).
8. Stromsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen einem oder jedem Steuerungsmodul (6) und jeweils einer Anzahl von Anoden (5) eine Entkopplungsschaltung (12), umfassend eine Mehrzahl von in Reihe geschalteter Dioden (13, 14), welche Dioden (13, 14) jeweils in Durchlassrichtung mit jeweils einer Anode (5) verbunden sind, ausgebildet ist.A current control device (1) according to any one of claims 1 to 7, wherein between a or each control module (6) and a plurality of anodes (5) there is a decoupling circuit (12) comprising a plurality of series connected diodes (13, 14 ), which diodes (13, 14) are each connected in the forward direction with one anode (5) is formed.
9. Stromsteuerungsvorrichtung (1) nach Anspruch 8, wobei die Entkopplungsschaltung (12) eine Reihenschaltung einer ersten Diode (13) mit einer zweiten Diode (14) umfasst, die jeweils in Durchlassrichtung mit einer ersten Anode (5) und/oder mit einer zweiten Anode (5) verbunden ist, wobei die erste Diode (13) in Sperrrichtung über ein Schaltelement (15) und eine Induktivität (16) mit dem Steuerungsmodul (6) verbunden ist und wobei die zweite Diode (14) in Sperrrichtung mit der ers- ten Diode (13), mit der ersten Anode (5) und mit einem Glät- tungskondensator (17) verbunden ist.9. Current control device (1) according to claim 8, wherein the decoupling circuit (12) comprises a series connection of a first diode (13) with a second diode (14), each in the forward direction with a first anode (5) and / or with a second Anode (5) is connected, wherein the first diode (13) in the reverse direction via a switching element (15) and an inductance (16) is connected to the control module (6) and wherein the second diode (14) in the reverse direction with the first th diode (13), with the first anode (5) and with a smoothing condenser (17) is connected.
10. Stromsteuerungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Recheneinheit mit einem Simulationsmodell zur Simulation von Spannungs- und/oder Stromvorgaben vorgesehen ist. 10. Current control device (1) according to one of claims 1 to 9, wherein a computing unit is provided with a simulation model for the simulation of voltage and / or current specifications.
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