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IGBT整流源在汽车翻转输送生产线上的应用

作者:海飞乐技术 时间:2021-12-03 10:19

  近几年,随着绝缘栅双极型晶体管(IGBT)技术的不断发展,基于IGBT技术的整流电源设备逐渐成熟并应用于汽车行业。
  国内某自主品牌新能源汽车厂在前处理电泳生产线上同时应用了具有完全自主知识产权的IGBT整流源设备和翻转输送系统,通过对其参数和程序的不断优化,取得了良好的应用效果。
 
1. IGBT整流源
  IGBT整流源设备基本构成包括:二极管、IGBT模块、变压器、IGBT驱动板、IGBT控制板、电抗器、电阻和电容,其基本原理为:进线AC 380V通过三相桥二极管整流器模块整定出定量直流电压,然后通过有规则控制关断4个IGBT逆变出高频交流,通过控制周期内关断的时间来控制交流大小,然后再通过二极管整流输出可变的高频直流(40kHz),区别于传统的三段式整流电源,IGBT整流源在控制精细程度、使用灵活性、系统可靠性和能耗方面都有所提升。
 
1.1 控制精细程度
  传统整流源采用三段式电压控制,虽然通过车型识别等技术手段也可以实现控制电压差异化,但毕竟由于分区已经固定,这种差异化控制有其局限性。而IGBT整流源采用独立整流模块,模块对阳极进行独立控制,电压上升柔和,不仅避免了电压突变对漆膜粗糙度的不良影响,提升整车漆膜的均一性,而且可以根据试验车身的漆膜数据,独立调整单根阳极的电压,以达到更好的电泳效果,这种控制的精细程度是传统三段式整流源所不具备的。
 
1.2 使用灵活性
  IGBT整流源使用若干个整流模块,对阳极进行电压输出,可以选择一个模块对应输出一根阳极,也可以在功率允许范围内,同时控制多根阳极。这对于减少设备模块数量、降低投资很有意义。因为在电泳槽高电压区,电泳漆膜成膜速度降低,膜厚对电压变化已经不敏感,完全可以多支阳极采用同一电压输出。
 
1.3 系统可靠性
  IGBT整流源由于采用了模块化设计,每个模块都有独立的供电和控制系统,每个模块只负责单根或若干根阳极,所以当某一个模块发生故障后,对电泳槽内整体电场的影响不大,一般不会造成堵线故障。另外,主流IGBT整流源厂家的模块均有在线带电更换的能力,可在不影响生产的前提下,对整流源模块实施维护和维修。这种对系统可靠性的提升,对于生产线的持续稳定运行意义重大,也是传统三段式整流源设备所不具备的。
 
1.4 能耗
  传统三段式整流源,无论过车与否,车身不论在电泳槽内哪个位置,整流源都会持续加电,而IGBT整流源通过与机运设备联锁后,获得车体位置信息,可以实现"随车加电"的模式,即车身通过的相关区域内的阳极加压,其余阳极不加压,这也很大程度上减少了车身电泳的能耗。
 
2. 翻转输送系统
  该汽车厂涂装车间的前处理电泳生产线采用国内某自主品牌翻转输送系统(见图1)。该系统由翻转机本体、翻转机控制系统、轨道及供电系统、通讯系统及上下线维修升降机组成。每台翻转机均独立控制,安装有行走控制系统和旋转控制系统,两者相互配合,可以实现车身在槽体内的摆动,360°旋转,出槽后定点沥水,慢速通过喷淋区等工艺动作。相比于积放链、摆杆等刚性输送系统,翻转输送系统具有智能化、灵活性的特点,可以全面消除电泳车身内的气袋,且可以很方便地调整车身沥水角度、沥水时间、工艺全浸时间等前处理电泳关键工艺参数,这对于提升电泳车身质量,加强生产线对新车型的适应能力有很大意义。

图1 翻转输送系统 
图1 翻转输送系统
 
3. IGBT整流源同翻转输送系统的数据交互
  整流源PLC同翻转输送系统的PLC通过网桥通信。在开始生产之前,需要将整流系统上电开启,此时,整流源向翻转输送系统传递整流源就绪信号。此时,只要前处理电泳生产线水泵开启,温度到位,翻转机就会有允许进车信号,此时就可以开始生产了。
  当翻转机运行至车体识别位置时,会有3s的停顿,此时整流源控制的几对射开关开始工作,根据车体对对射开关的遮挡情况,获得翻转机的车型信息,并根据预设的车型电压基准值和偏移量,计算出阳极电压的目标输出值。
  在翻转机进入电泳槽全浸位置时,会开始给整流电源PLC持续发送位置信息,整流电源根据位置信息,控制相应位置的阳极开始加压(见图2),只有车身经过的区域阳极才会加压。当翻转机到达翻转出槽位置后,就会给整流源PLC发送离开信号,此时出槽部分的阳极会停止加压。
图2 整流源随车身加压情况 
图2 整流源随车身加压情况
 
4. 车身电压偏移量
  IGBT整流源之所以能够实现对不同车型车身漆膜均一性的精细控制,主要是通过车身电压偏移量来实现。在最初的工艺测试阶段,工艺人员需要先设定每一支阳极的基础电压V1,之后通过对试验车漆膜厚度和粗糙度的测试来决定如何调整基础电压。一般当漆膜粗糙度较大时,可以降低入槽阶段阳极的电压,当外侧漆膜较薄时,可以增加中段电压,当内侧漆膜较薄时,则适当增加出槽段电压,这样就得出了正式的基础电压V2。
  但是由于车身结构和材料特点,会出现前后门漆膜厚度的差异,以及前后盖和车门漆膜厚度的差异。比较理想的漆膜厚度是均一性好且不超过标准太多,这样既保证了车身的防腐性能,又最大程度地减少了单车的涂料消耗。
  这时就需要利用车身电压偏移量来对单支阳极的电压进行精调(见图3),针对车身的不同区域,整流源将其划分了若干个区域,对应车身四门两盖的位置,其偏移量设定为V3,V3可以是正数也可以是负数。当翻转输送机带车经过某一根阳极时,其输出电压V就是基本电压V2与电压偏移量V3之和。例如:当工艺人员认为前机盖的漆膜厚度不足时,可以将前机盖区域的V3设为10V,认为后门漆膜偏厚时,可以将后门区域的V3设为-5V。这样,当车身通过某一根电压设定为120V的阳极时就会有如下输出:当车身未到达时,电压为0,前机盖经过时电压为130V,前门经过时为120V,后门经过时为115V,后盖经过时为120V,车身完全经过时又恢复为0。
图3 车身电压偏移量 
图3 车身电压偏移量
 
5. 生产数据
  现场安装管式阳极,并根据车身长度,每侧最多有30根管状阳极同时工作,单支阳极的最大电流限制在50A以下。在电泳反应初期,反应剧烈,电流上升幅度快,由于IGBT整流源的限流功能,限制了反应速度。随着车身前进至槽体中部,电压进一步加大,但电流稳定维持在410~450A。即使在高电压区,外部漆膜电阻较大时,整体也能维持200A以上的电流,证明系统也能保证内部的漆膜生成速率。这就说明:IGBT整流源可以较好地控制车身表面的成膜速率,不至于使漆膜初期生成速率过快,影响漆膜粗糙度;也不会使高压区域阳极因为漆膜过厚,导致阳极效率不高。
 
6. 产品质量
  生产线的漆膜数据表明,可见车身整体漆膜厚度均匀,车身受带电出槽造成的后部膜厚升高效果不明显,前后门漆膜厚度相差不大,尾门未见膜厚异常,平面较立面膜厚少1μm,属合格范围。从膜厚角度分析,车身外表面成膜效果理想。
 
7. 结语
  本文对IGBT整流源在翻转输送前处理电泳生产线上的应用进行了介绍,并结合生产数据,得出如下结论:1)IGBT整流源可以实现对单支阳极的电压控制;2)通过翻转输送系统和IGBT整流源的数据交互,可以实现IGBT整流源随车身运行,智能加电,在不过车时不加电,达到了节能的效果;3)通过车身偏移量的设定,可以在车身经过同一根阳极时,实现不同的电压输出,达到对车身漆膜精密控制的效果。




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