FR2704699A1 - Method and device for producing a high voltage, especially for electrostatic application of a coating product - Google Patents
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Abstract
Description
"Procédé et dispositif d'élaboration de haute tension,
notamment pour l'application électrostatique de produit
de revêtement"
L'invention concerne un procédé et un dispositif d'élaboration de haute tension, notamment pour l'application électrostatique de produit de revêtement, en particulier dans une installation de projection d'un tel produit liquide ou pulvérulent."Process and device for producing high voltage,
especially for electrostatic product application
coating "
The invention relates to a process and a device for producing high voltage, in particular for the electrostatic application of a coating product, in particular in an installation for spraying such a liquid or pulverulent product.
Dans de telles installations, qui peuvent être manuelles ou automatiques, une électrode portée à la haute tension doit être alimentée électriquement pour créer un champ électrostatique entre le pulvérisateur et l'objet à revêtir. La tension fournie à l'électrode est de l'ordre de plusieurs dizaines de kilovolts, voire plusieurs centaines de kilovolts. Pour alimenter une électrode à partir du secteur, ou de toute autre source de tension classique telle qu'une batterie d'accumulateurs, il est donc nécessaire d'augmenter sensiblement la tension disponible. In such installations, which can be manual or automatic, an electrode brought to the high voltage must be electrically supplied to create an electrostatic field between the sprayer and the object to be coated. The voltage supplied to the electrode is of the order of several tens of kilovolts, or even several hundred kilovolts. To supply an electrode from the mains, or from any other conventional voltage source such as a storage battery, it is therefore necessary to substantially increase the available voltage.
Le courant est généralement limité à quelques milliampères pour raison de sécurité et pour limiter la puissance électrique consommée par l'électrode.The current is generally limited to a few milliamps for safety reasons and to limit the electrical power consumed by the electrode.
Une contrainte essentielle des installations de revêtement par voie électrostatique réside dans le fait que le pulvérisateur est mobile et situé en un lieu peu accessible et de faible volume, dans le cas d'une installation automatique, ou bien porté à bout de bras par un opérateur dans le cas d'une installation manuelle. Il est donc important que ce pulvérisateur soit léger et de faible encombrement. Pour augmenter la manoeuvrabilité du pulvérisateur, l'électrode est le plus souvent alimentée par deux sous-systèmes, l'un situé à poste fixe à proximité de l'installation et habituellement dénommé "unité basse tension", l'autre situé au contact du pulvérisateur et qui sera ici dénommé "redresseur-élévateur de tension". Les deux unités sont connectées entre elles par un toron de câbles conducteurs souples. An essential constraint of electrostatic coating installations lies in the fact that the sprayer is mobile and located in an inaccessible place and of small volume, in the case of an automatic installation, or carried at arm's length by an operator. in the case of manual installation. It is therefore important that this sprayer is light and compact. To increase the maneuverability of the sprayer, the electrode is most often supplied by two subsystems, one located at a fixed position near the installation and usually called "low voltage unit", the other located in contact with the sprayer and which will be referred to here as "voltage rectifier-booster". The two units are connected together by a strand of flexible conductive cables.
Si elle doit être suffisante pour permettre à l'électrode de remplir son rôle, la puissance fournie par l'unité basse tension au redresseur-élévateur de tension ne doit pas être trop importante sous peine de détériorer les composants de l'unité basse tension ou du redresseurélévateur de tension par un échauffement destructif, ni élever trop sensiblement la température du toron de câbles électriques reliant l'unité basse tension au redresseurélévateur de tension. A tension de sortie du redresseurélévateur de tension donnée, la puissance transmise est optimale lorsque la fréquence du courant transitant entre l'unité basse tension et le redresseur-élévateur de tension est égale à la fréquence propre du redresseur-élévateur de tension. If it must be sufficient to allow the electrode to fulfill its role, the power supplied by the low-voltage unit to the rectifier-step-up voltage must not be too great, otherwise the components of the low-voltage unit may be damaged or of the rectifier / step-up by destructive heating, or raising the temperature of the strand of electric cables connecting the low voltage unit to the rectifier / step-up too appreciably. At the output voltage of the voltage-raising rectifier, the transmitted power is optimal when the frequency of the current flowing between the low-voltage unit and the voltage-raising rectifier is equal to the natural frequency of the voltage-raising rectifier.
I1 existe deux types d'alimentation en haute tension du redresseur-élévateur de tension:
- les systèmes auto-oscillateurs qui fonctionnent automatiquement à la fréquence propre du redresseurélévateur de tension mais dont le rendement est inférieur à 50%;
- les systèmes avec alimentation à découpage, en particulier avec générateur d'impulsions à rapport cyclique variable, dont le rendement peut atteindre 95%.There are two types of high voltage supply to the rectifier-step-up rectifier:
- self-oscillating systems which operate automatically at the natural frequency of the voltage-raising rectifier but whose efficiency is less than 50%;
- systems with switching power supply, in particular with pulse generator with variable duty cycle, the efficiency of which can reach 95%.
A cause des rendements obtenus, il est préférable d'utiliser un système avec alimentation à découpage. De plus, un auto-oscillateur ou une alimentation à découpage à rapport cyclique fixe, par exemple classiquement 50%, nécessitent une unité de commande séparée pour réguler la valeur de la tension d'alimentation alors qu'une alimentation à découpage à rapport cyclique variable réalise elle-même cette fonction. Because of the yields obtained, it is preferable to use a system with switching power supply. In addition, a self-oscillator or a switching power supply with a fixed duty cycle, for example conventionally 50%, requires a separate control unit to regulate the value of the supply voltage while a switching power supply with variable duty cycle performs this function itself.
Dans les systèmes à alimentation à découpage de l'art antérieur, la fréquence du courant fourni par l'unité basse tension au redresseur-élévateur de tension est imposée par la fréquence des impulsions. Néanmoins, la valeur de la fréquence du courant haché par l'alimentation à découpage est fixée manuellement à une valeur déterminée et constante, si possible proche de la fréquence propre estimée des redresseurs-élévateurs de tension. Or, dans une fabrication industrielle, les fréquences propres des redresseurs-élévateurs de tension varient fortement à cause des tolérances de fabrication des composants et de la géométrie exacte de ces unités. Des variations de l'ordre de 20% sur les fréquences propres sont habituelles, elles induisent des surconsommations de courant de plus de 250% et peuvent conduire à la destruction du redresseurélévateur de tension par échauffement et de l'unité basse tension par surcourant. Ces systèmes ne donnent donc pas satisfaction. In switching power supply systems of the prior art, the frequency of the current supplied by the low voltage unit to the rectifier-step-up is imposed by the frequency of the pulses. Nevertheless, the value of the frequency of the chopped current by the switching power supply is manually fixed at a determined and constant value, if possible close to the estimated natural frequency of the voltage rectifiers-boosters. However, in an industrial production, the natural frequencies of the rectifiers-boosters vary greatly because of the manufacturing tolerances of the components and the exact geometry of these units. Variations of the order of 20% on the natural frequencies are usual, they induce overconsumption of current of more than 250% and can lead to the destruction of the rectifierelevator of voltage by heating and of the low voltage unit by overcurrent. These systems are therefore not satisfactory.
Des systèmes plus élaborés apparient les unités basse tension et les redresseurs-élévateurs de tension lors du montage de l'installation: la fréquence du courant haché de chaque unité basse tension est fixée en fonction de la fréquence propre du redresseur-élévateur de tension qu'elle devra alimenter. Cette sensible amélioration ne permet cependant pas d'échange standard de l'un des deux soussystèmes lorsqu'une opération de maintenance est nécessaire, à moins de retourner les deux sous-ensembles au fabricant pour un nouvel appariement. De plus, la fréquence propre des redresseurs-élévateurs de tension est variable, non seulement d'un redresseur-élévateur de tension à l'autre, comme indiqué ci-dessus, mais aussi, pour un même redresseur-élévateur de tension, en fonction de son échauffement, c'est-à-dire de sa durée d'utilisation ininterrompue, de la température ambiante et du point de fonctionnement, ce dernier dépendant des paramètres d'utilisation de l'installation qui varient sensiblement dans le temps. L'appariement ne peut être effectué que dans des conditions moyennes qui ne sont pas forcément représentatives de l'utilisation réelle de l'installation. More elaborate systems pair the low-voltage units and the rectifiers-step-up voltages during the assembly of the installation: the frequency of the chopped current of each low-voltage unit is fixed according to the natural frequency of the rectifier-step-up voltage that it will have to feed. This significant improvement does not however allow standard exchange of one of the two sub-systems when a maintenance operation is necessary, unless the two sub-assemblies are returned to the manufacturer for a new pairing. In addition, the natural frequency of the rectifier-boosters is variable, not only from one rectifier-booster to another, as indicated above, but also, for the same rectifier-booster, depending its heating, that is to say its uninterrupted period of use, the ambient temperature and the operating point, the latter depending on the parameters of use of the installation which vary appreciably over time. The pairing can only be carried out under average conditions which are not necessarily representative of the actual use of the installation.
Ces systèmes ne donnent donc pas non plus entièrement satisfaction. L'invention vise à résoudre ces problèmes.These systems are therefore not entirely satisfactory either. The invention aims to solve these problems.
Elle concerne un procédé d'élaboration d'une haute tension, notamment pour l'application électrostatique de produit de revêtement du type consistant à découper une tension continue en des impulsions de rapport cyclique variable pour obtenir un signal alternatif et à appliquer ce signal à l'entrée d'un redresseur-élévateur de tension possédant une fréquence propre variable, caractérisé en ce qu'il consiste à faire varier continûment la fréquence dudit signal alternatif pour qu'elle demeure sensiblement égale à ladite fréquence propre. It relates to a process for developing a high voltage, in particular for the electrostatic application of a coating product of the type consisting in cutting a direct voltage into pulses of variable cyclic ratio to obtain an alternating signal and in applying this signal to the input of a voltage rectifier-booster having a variable natural frequency, characterized in that it consists in continuously varying the frequency of said alternating signal so that it remains substantially equal to said natural frequency.
L'invention concerne aussi un dispositif générateur de haute tension, notamment pour alimenter un projecteur électrostatique d'un produit de revêtement, du type comprenant une unité basse tension délivrant un signal alternatif et dont la sortie est connectée à un redresseurélévateur de tension possédant une fréquence propre variable caractérisé en ce que ladite unité basse tension comporte:
- un générateur d'impulsions de courant à rapport cyclique variable,
- des moyens de commande à variation de fréquence connectés pour piloter ledit générateur d'impulsions de courant, et
- des moyens comparateurs pour élaborer une grandeur représentative d'un déphasage entre la tension dudit signal alternatif et un signal représentatif du courant délivré par le générateur d'impulsions de courant, une sortie desdits moyens comparateurs étant connectée à un régulateur de phase lui-même connecté pour piloter lesdits moyens de commande.The invention also relates to a high-voltage generating device, in particular for supplying an electrostatic headlamp with a coating product, of the type comprising a low-voltage unit delivering an alternating signal and the output of which is connected to a voltage-raising rectifier having a frequency own variable characterized in that said low voltage unit comprises:
- a current pulse generator with variable duty cycle,
- frequency variation control means connected to drive said current pulse generator, and
- comparator means for developing a quantity representative of a phase difference between the voltage of said alternating signal and a signal representative of the current delivered by the current pulse generator, an output of said comparator means being connected to a phase regulator itself connected to control said control means.
Grâce au procédé et au dispositif de l'invention, l'élaboration de la haute tension est en permanence effectuée dans les conditions optimum de transfert de l'énergie en comparant les phases du courant et de la tension d'alimentation du redresseur-élévateur de tension. Thanks to the method and the device of the invention, the development of the high voltage is continuously carried out under the optimum conditions of energy transfer by comparing the phases of the current and of the supply voltage of the rectifier-booster of voltage.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un dispositif d'élaboration de la haute tension pour une installation de projection de produit de revêtement par voie électrostatique conforme à son principe donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 est une vue schématique d'un circuit électrique d'un dispositif selon l'invention;
- la figure 2 est une vue schématique de l'allure des courbes représentatives de la tension au secondaire du transformateur de liaison et de la tension d'activation des interrupteurs pilotés par l'alimentation à découpage.The invention will be better understood and other advantages of it will appear more clearly in the light of the following description of an embodiment of a device for developing the high voltage for a projection installation of electrostatic coating product in accordance with its principle given solely by way of example and made with reference to the appended drawings in which:
- Figure 1 is a schematic view of an electrical circuit of a device according to the invention;
- Figure 2 is a schematic view of the shape of the curves representative of the secondary voltage of the link transformer and the activation voltage of the switches controlled by the switching power supply.
Dans le circuit de la figure 1, une unité de modulation de largeur d'impulsions 1 pilote deux interrupteurs commandés 2 et 3 délivrant un courant à l'enroulement primaire d'un transformateur de liaison 4 à partir d'une alimentation 5 en courant de secteur redressé. In the circuit of FIG. 1, a pulse width modulation unit 1 controls two controlled switches 2 and 3 delivering a current to the primary winding of a link transformer 4 from a current supply 5 of straightened sector.
A titre d'exemple, les interrupteurs 2 et 3 peuvent être des transistors MOS.By way of example, the switches 2 and 3 can be MOS transistors.
L'enroulement secondaire du transformateur de liaison 4 est connecté à un câble électrique 6 basse tension de longueur suffisante pour être relié au primaire d'un transformateur-élévateur 7 dont le secondaire est connecté à un multiplicateur de tension 8. Le signal fourni au transformateur-élévateur de puissance 7 est un signal alternatif. De manière connue, le multiplicateur de tension est constitué d'une cascade de condensateurs et de diodes. The secondary winding of the link transformer 4 is connected to a low voltage electric cable 6 of sufficient length to be connected to the primary of a step-up transformer 7, the secondary of which is connected to a voltage multiplier 8. The signal supplied to the transformer -power elevator 7 is an alternating signal. In known manner, the voltage multiplier consists of a cascade of capacitors and diodes.
L'ensemble des éléments 7 et 8 constitue le redresseurélévateur de tension 9. De par sa structure, ce redresseurélévateur a une certaine fréquence propre, variable comme indiqué ci-dessus.The set of elements 7 and 8 constitutes the voltage rectifier-elevator 9. By its structure, this rectifier-elevator has a certain natural frequency, variable as indicated above.
En fonction de la tension souhaitée à l'électrode et à partir de tables de conversions stockées dans le système, des valeurs de consigne en courant et en tension sont fournies à l'unité 1 sous la forme de deux signaux 1Ref et
URef. Les valeurs du courant et de la tension délivrées à l'électrode non représentée sont mesurées, par exemple, par un piquage à l'enroulement secondaire du transformateurélévateur 7 ou à la sortie haute tension et transmises par un câble de retour à l'unité 1 sous la forme de deux signaux de retour IRet et URet La valeur de la tension et du courant de sortie à l'électrode est ainsi régulée en boucle fermée en agissant sur le rapport cyclique de l'unité de modulation de largeur d'impulsions 1. En pratique, le rapport cyclique du générateur d'impulsions est inférieur à 45%. Depending on the desired voltage at the electrode and from conversion tables stored in the system, current and voltage setpoints are supplied to the unit 1 in the form of two signals 1Ref and
URef. The values of the current and the voltage delivered to the electrode not shown are measured, for example, by a tap at the secondary winding of the step-up transformer 7 or at the high voltage output and transmitted by a return cable to the unit 1 in the form of two return signals IRet and URet The value of the output voltage and current at the electrode is thus regulated in a closed loop by acting on the duty cycle of the pulse width modulation unit 1. In practice, the duty cycle of the pulse generator is less than 45%.
Le redresseur-élévateur de tension 9 fonctionne à sa fréquence propre lorsque son courant et sa tension d'alimentation sont déphasés d'une manière déterminée par l'impédance du redresseur-élévateur de tension. Si le redresseur-élévateur de tension est purement inductif et capacitif, son impédance est purement imaginaire et sa fréquence propre est atteinte lorsque son courant et sa tension d'alimentation sont en phase. The rectifier-step-up voltage 9 operates at its natural frequency when its current and its supply voltage are phase-shifted in a manner determined by the impedance of the rectifier-step-up voltage. If the rectifier-step-up is purely inductive and capacitive, its impedance is purely imaginary and its natural frequency is reached when its current and its supply voltage are in phase.
Selon une caractéristique importante de l'invention, on utilise le fait que cette situation correspond à un déphasage de 90" entre le passage à zéro de la courbe représentative de la tension et le point maximum de la courbe représentative du courant. According to an important characteristic of the invention, use is made of the fact that this situation corresponds to a phase shift of 90 "between the zero crossing of the curve representative of the voltage and the maximum point of the curve representative of the current.
On détecte la tension Uc au secondaire du transformateur de liaison 4 puisqu'il s'agit là de la tension d'alimentation du primaire du transformateurélévateur 7. Le signal prélevé est appliqué à une première entrée d'un comparateur de phase 10. The voltage Uc at the secondary of the link transformer 4 is detected since this is the supply voltage of the primary of the step-up transformer 7. The signal taken is applied to a first input of a phase comparator 10.
En ce qui concerne le courant, le courant au secondaire du transformateur de liaison 4 est en opposition de phase avec le courant au primaire de ce transformateur. Regarding the current, the secondary current of the link transformer 4 is in phase opposition with the primary current of this transformer.
On pourrait donc détecter le courant d'attaque du transformateur de liaison 4. Or, ce signal est fortement bruité. Cependant, le courant au primaire du transformateur de liaison 4 est fourni directement par les deux interrupteurs 2 et 3. On peut donc détecter la tension d'activation Uh d'au moins l'un des deux interrupteurs commandés 2 et 3 qui est représentative du courant au primaire du transformateur de liaison 4. En pratique, la fin de la phase de fermeture drun interrupteur 2 ou 3 correspond au maximum du courant au primaire du transformateur de liaison. Le signal représentatif de Uh est prélevé à la sortie de l'unité de modulation de largeur d'impulsions 1 et est appliqué à une seconde entrée du comparateur de phase 10.We could therefore detect the drive current of the link transformer 4. However, this signal is very noisy. However, the current at the primary of the link transformer 4 is supplied directly by the two switches 2 and 3. It is therefore possible to detect the activation voltage Uh of at least one of the two controlled switches 2 and 3 which is representative of the current at the primary of the link transformer 4. In practice, the end of the closing phase of a switch 2 or 3 corresponds to the maximum of the current at the primary of the link transformer. The signal representative of Uh is taken from the output of the pulse width modulation unit 1 and is applied to a second input of the phase comparator 10.
Le comparateur de phase 10 délivre un signal représentatif du déphasage entre les deux tensions Uc et
Uh. I1 est appliqué à une entrée d'un régulateur de phase 11 à travers un filtre passe-bas 12. Le régulateur de phase 11 est connecté pour piloter un oscillateur contrôlé en tension 13 qui commande l'unité de modulation de largeur d'impulsion 1 agissant sur les deux interrupteurs 2 et 3.The phase comparator 10 delivers a signal representative of the phase difference between the two voltages Uc and
Uh. I1 is applied to an input of a phase regulator 11 through a low-pass filter 12. The phase regulator 11 is connected to control a voltage-controlled oscillator 13 which controls the pulse width modulation unit 1 acting on the two switches 2 and 3.
Le régulateur de phase 11 comporte une autre entrée sur laquelle est appliquée une valeur de consigne fO représentative du déphasage souhaité. Le régulateur de phase élabore un signal représentatif de l'écart entre la valeur du déphasage élaboré par le comparateur de phase 10 et la valeur de fO Ce signal pilote l'oscillateur 13.The phase regulator 11 has another input to which a setpoint fO representative of the desired phase shift is applied. The phase regulator generates a signal representative of the difference between the value of the phase shift produced by the phase comparator 10 and the value of fO. This signal controls the oscillator 13.
D'après ce qui a été vu ci-dessus, la valeur de doit être proche de 90". Or, le système n'est pas parfait: son impédance a une partie réelle à cause des pertes en ligne et des temps de réponse de certains composants. En fait, la valeur optimale de fO déterminée expérimentalement est généralement comprise entre 70" et 900 et de préférence voisine de 800. From what has been seen above, the value of must be close to 90 ". However, the system is not perfect: its impedance has a real part because of line losses and response times of certain components. In fact, the optimal value of fO determined experimentally is generally between 70 "and 900 and preferably close to 800.
L'ensemble des éléments 1 à 5 et 10 à 13 constitue l'unité basse tension 15 mentionnée plus haut. The set of elements 1 to 5 and 10 to 13 constitutes the low voltage unit 15 mentioned above.
La figure 2 montre l'allure des courbes des valeurs des tensions Uc et Uh en fonction du temps. L'allure sinusoïdale de Uc est imposée par l'élément qu'elle alimente, à savoir le redresseur-élévateur de tension 9. FIG. 2 shows the shape of the curves of the values of the voltages Uc and Uh as a function of time. The sinusoidal shape of Uc is imposed by the element which it supplies, namely the voltage rectifier-booster 9.
L'allure de Uh est à impulsion rectangulaire comme cela est classique en sortie d'un générateur d'impulsions à rapport cyclique variable. Comme indiqué précédemment, le régulateur de phase 11 et l'oscillateur contrôlé en tension 13 sont activés pour maintenir le déphasage proche de soit 800. The pace of Uh is of rectangular pulse as is conventional at the output of a pulse generator with variable duty cycle. As previously indicated, the phase regulator 11 and the voltage controlled oscillator 13 are activated to maintain the phase shift close to either 800.
On peut noter que le procédé de l'invention est efficace quel que soit le coefficient de surtension du transformateur-élévateur 7. En particulier, la valeur de la haute tension obtenue à l'électrode n'est pas nécessairement liée à ce coefficient du fait de l'utilisation d'un générateur d'impulsions à rapport cyclique variable. It can be noted that the method of the invention is effective whatever the overvoltage coefficient of the step-up transformer 7. In particular, the value of the high voltage obtained at the electrode is not necessarily linked to this coefficient because the use of a pulse generator with variable duty cycle.
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| FR9304880A Pending FR2704699A1 (en) | 1993-04-26 | 1993-04-26 | Method and device for producing a high voltage, especially for electrostatic application of a coating product |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2704699A1 (en) |
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1993
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