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IGBT整流源在汽車翻轉輸送生產線上的應用

作者:海飛樂技術 時間:2021-12-03 10:19

  近幾年,隨著絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)技術的不斷發展,基于IGBT技術的整流電源設備逐漸成熟并應用于汽車行業。
  國內某自主品牌新能源汽車廠在前處理電泳生產線上同時應用了具有完全自主知識產權的IGBT整流源設備和翻轉輸送系統,通過對其參數和程序的不斷優化,取得了良好的應用效果。
 
1. IGBT整流源
  IGBT整流源設備基本構成包括:二極管、IGBT模塊、變壓器、IGBT驅動板、IGBT控制板、電抗器、電阻和電容,其基本原理為:進線AC 380V通過三相橋二極管整流器模塊整定出定量直流電壓,然后通過有規則控制關斷4個IGBT逆變出高頻交流,通過控制周期內關斷的時間來控制交流大小,然后再通過二極管整流輸出可變的高頻直流(40kHz),區別于傳統的三段式整流電源,IGBT整流源在控制精細程度、使用靈活性、系統可靠性和能耗方面都有所提升。
 
1.1 控制精細程度
  傳統整流源采用三段式電壓控制,雖然通過車型識別等技術手段也可以實現控制電壓差異化,但畢竟由于分區已經固定,這種差異化控制有其局限性。而IGBT整流源采用獨立整流模塊,模塊對陽極進行獨立控制,電壓上升柔和,不僅避免了電壓突變對漆膜粗糙度的不良影響,提升整車漆膜的均一性,而且可以根據試驗車身的漆膜數據,獨立調整單根陽極的電壓,以達到更好的電泳效果,這種控制的精細程度是傳統三段式整流源所不具備的。
 
1.2 使用靈活性
  IGBT整流源使用若干個整流模塊,對陽極進行電壓輸出,可以選擇一個模塊對應輸出一根陽極,也可以在功率允許范圍內,同時控制多根陽極。這對于減少設備模塊數量、降低投資很有意義。因為在電泳槽高電壓區,電泳漆膜成膜速度降低,膜厚對電壓變化已經不敏感,完全可以多支陽極采用同一電壓輸出。
 
1.3 系統可靠性
  IGBT整流源由于采用了模塊化設計,每個模塊都有獨立的供電和控制系統,每個模塊只負責單根或若干根陽極,所以當某一個模塊發生故障后,對電泳槽內整體電場的影響不大,一般不會造成堵線故障。另外,主流IGBT整流源廠家的模塊均有在線帶電更換的能力,可在不影響生產的前提下,對整流源模塊實施維護和維修。這種對系統可靠性的提升,對于生產線的持續穩定運行意義重大,也是傳統三段式整流源設備所不具備的。
 
1.4 能耗
  傳統三段式整流源,無論過車與否,車身不論在電泳槽內哪個位置,整流源都會持續加電,而IGBT整流源通過與機運設備聯鎖后,獲得車體位置信息,可以實現"隨車加電"的模式,即車身通過的相關區域內的陽極加壓,其余陽極不加壓,這也很大程度上減少了車身電泳的能耗。
 
2. 翻轉輸送系統
  該汽車廠涂裝車間的前處理電泳生產線采用國內某自主品牌翻轉輸送系統(見圖1)。該系統由翻轉機本體、翻轉機控制系統、軌道及供電系統、通訊系統及上下線維修升降機組成。每臺翻轉機均獨立控制,安裝有行走控制系統和旋轉控制系統,兩者相互配合,可以實現車身在槽體內的擺動,360°旋轉,出槽后定點瀝水,慢速通過噴淋區等工藝動作。相比于積放鏈、擺桿等剛性輸送系統,翻轉輸送系統具有智能化、靈活性的特點,可以全面消除電泳車身內的氣袋,且可以很方便地調整車身瀝水角度、瀝水時間、工藝全浸時間等前處理電泳關鍵工藝參數,這對于提升電泳車身質量,加強生產線對新車型的適應能力有很大意義。

圖1 翻轉輸送系統 
圖1 翻轉輸送系統
 
3. IGBT整流源同翻轉輸送系統的數據交互
  整流源PLC同翻轉輸送系統的PLC通過網橋通信。在開始生產之前,需要將整流系統上電開啟,此時,整流源向翻轉輸送系統傳遞整流源就緒信號。此時,只要前處理電泳生產線水泵開啟,溫度到位,翻轉機就會有允許進車信號,此時就可以開始生產了。
  當翻轉機運行至車體識別位置時,會有3s的停頓,此時整流源控制的幾對射開關開始工作,根據車體對對射開關的遮擋情況,獲得翻轉機的車型信息,并根據預設的車型電壓基準值和偏移量,計算出陽極電壓的目標輸出值。
  在翻轉機進入電泳槽全浸位置時,會開始給整流電源PLC持續發送位置信息,整流電源根據位置信息,控制相應位置的陽極開始加壓(見圖2),只有車身經過的區域陽極才會加壓。當翻轉機到達翻轉出槽位置后,就會給整流源PLC發送離開信號,此時出槽部分的陽極會停止加壓。
圖2 整流源隨車身加壓情況 
圖2 整流源隨車身加壓情況
 
4. 車身電壓偏移量
  IGBT整流源之所以能夠實現對不同車型車身漆膜均一性的精細控制,主要是通過車身電壓偏移量來實現。在最初的工藝測試階段,工藝人員需要先設定每一支陽極的基礎電壓V1,之后通過對試驗車漆膜厚度和粗糙度的測試來決定如何調整基礎電壓。一般當漆膜粗糙度較大時,可以降低入槽階段陽極的電壓,當外側漆膜較薄時,可以增加中段電壓,當內側漆膜較薄時,則適當增加出槽段電壓,這樣就得出了正式的基礎電壓V2。
  但是由于車身結構和材料特點,會出現前后門漆膜厚度的差異,以及前后蓋和車門漆膜厚度的差異。比較理想的漆膜厚度是均一性好且不超過標準太多,這樣既保證了車身的防腐性能,又最大程度地減少了單車的涂料消耗。
  這時就需要利用車身電壓偏移量來對單支陽極的電壓進行精調(見圖3),針對車身的不同區域,整流源將其劃分了若干個區域,對應車身四門兩蓋的位置,其偏移量設定為V3,V3可以是正數也可以是負數。當翻轉輸送機帶車經過某一根陽極時,其輸出電壓V就是基本電壓V2與電壓偏移量V3之和。例如:當工藝人員認為前機蓋的漆膜厚度不足時,可以將前機蓋區域的V3設為10V,認為后門漆膜偏厚時,可以將后門區域的V3設為-5V。這樣,當車身通過某一根電壓設定為120V的陽極時就會有如下輸出:當車身未到達時,電壓為0,前機蓋經過時電壓為130V,前門經過時為120V,后門經過時為115V,后蓋經過時為120V,車身完全經過時又恢復為0。
圖3 車身電壓偏移量 
圖3 車身電壓偏移量
 
5. 生產數據
  現場安裝管式陽極,并根據車身長度,每側最多有30根管狀陽極同時工作,單支陽極的最大電流限制在50A以下。在電泳反應初期,反應劇烈,電流上升幅度快,由于IGBT整流源的限流功能,限制了反應速度。隨著車身前進至槽體中部,電壓進一步加大,但電流穩定維持在410~450A。即使在高電壓區,外部漆膜電阻較大時,整體也能維持200A以上的電流,證明系統也能保證內部的漆膜生成速率。這就說明:IGBT整流源可以較好地控制車身表面的成膜速率,不至于使漆膜初期生成速率過快,影響漆膜粗糙度;也不會使高壓區域陽極因為漆膜過厚,導致陽極效率不高。
 
6. 產品質量
  生產線的漆膜數據表明,可見車身整體漆膜厚度均勻,車身受帶電出槽造成的后部膜厚升高效果不明顯,前后門漆膜厚度相差不大,尾門未見膜厚異常,平面較立面膜厚少1μm,屬合格范圍。從膜厚角度分析,車身外表面成膜效果理想。
 
7. 結語
  本文對IGBT整流源在翻轉輸送前處理電泳生產線上的應用進行了介紹,并結合生產數據,得出如下結論:1)IGBT整流源可以實現對單支陽極的電壓控制;2)通過翻轉輸送系統和IGBT整流源的數據交互,可以實現IGBT整流源隨車身運行,智能加電,在不過車時不加電,達到了節能的效果;3)通過車身偏移量的設定,可以在車身經過同一根陽極時,實現不同的電壓輸出,達到對車身漆膜精密控制的效果。




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