CH666359A5

CH666359A5 - Vorrichtung zur steuerung von magnetisch angetriebenen massenschwingsystemen.

Info

Publication number: CH666359A5
Application number: CH482784A
Authority: CH
Inventors: Arthur Kobler; Bruno Pross
Original assignee: Arthur Kobler; Bruno Pross
Priority date: 1984-10-05
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1988-07-15
Also published as: EP0197136A1; AU4868285A; WO1986002058A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Steuerung von magnetisch angetriebenen Massenschwingsystemen von Förderern, in welchen die Resonanzfrequenzen verschieden sind und zudem während dem Betrieb in irgendwelcher Weise variieren können.

In der Industrie werden sehr häufig sog. Magnet-Vibrationsförderer zum Fortbewegen von Schüttgütern oder Kleinteilen eingesetzt. Diese Geräte bestehen aus einem Förderteil, der als Fördertrog, Förderrohr oder Förderrinne ausgeführt ist, ferner aus einer Gegenmasse (Stator). Der Förderteil und die Gegenmasse sind mit Federelementen miteinander verbunden. In der Literatur werden diese Geräte mit dem vollständigen Namen, als sog. magnetisch angetriebene, 2-Massen-Schwingsysteme bezeichnet.

Werden die Federelemente jeweils unter einem Winkel gegenüber einer festen Basis, d.h. gegenüber der Gegenmasse montiert und das 2-Massensystem mit Hilfe eines Elektromagneten d.h. von Magnetanker und Magnetspule in Schwingung versetzt, dann beginnen die zu fördernden Teile auf der Förderrinne, entsprechend einer sog. Wurfbewegung, in der festgelegten Richtung sich zu bewegen.

Da bekannte mechanische Konstruktionen, vor allem mechanische Schwingsysteme, nur in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz zu nennenswerten Schwingungen neigen, muss deren Resonanzfrequenz in die Nähe der Antriebsfrequenz des Magnetantriebes abgeglichen werden. Zumal aus dem Stromversorgungs-Netz 50 Hz bzw. 60 Hz zur Verfügung stehen, ergibt sich zwangsläufig eine Erregerfrequenz von 100 Hz bzw. 120 Hz, wenn der Elektromagnet direkt angeschlossen wird. Über Gleichrichterdioden, Thyristoren usw. angeschlossen ergeben sich 50 Hz, ggf. 25 Hz bzw. 60 Hz und ggf. 30 Hz.

Die Eigen frequenz eines 2-Massen-Schwingsystems errechnet sich aus:
EMI1.1

<tb> / <SEP> Federkonstante
<tb> <SEP> Summe <SEP> der <SEP> Gewichte
<tb> (Hz) (Formel 1)
Nutzgewicht x Statorgewicht Summe der Gewichte = (Formel 2)
Nutzgewicht + Statorgewicht Nutzgewicht = Tischgewicht + Förderaufsatz + das zum Teil angekoppelte (Formel 3)
Fördergutgewicht
Wirkt nun eine Kraft mit einer andern Frequenz über die Magnetspule auf das System ein, dann beginnt dieses mit der Antriebsfrequenz und nicht mit der Eigenfrequenz zu schwingen. Man spricht dann von einer erzwungenen Schwingung. Je geringer der Abstand Eigenresonanz zu Antriebsfrequenz ist, desto stärker sind die erzeugten Schwingungen.

Schwingamplitude = ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ 1 -(Antriebsfrequenz/Eigenfrequenz)2 (Formel 4)
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art die erwähnten Nachteile zu beheben, so dass man im Normalfall nunmehr auf den Resonanzabgleich des Massenschwingungssystems verzichten kann, da die Erfindung sich selbständig mit ihrer Erregerfrequenz auf die Resonanz einstellt.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäss durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1.

Gelingt es mit einer Messeinrichtung die Resonanzfrequenz bzw. die Phase und Schwingamplitude des Fördertroges zu messen, dann kann man die Erregerfrequenz der jeweiligen Resonanzfrequenz des Förderers anpassen und demzufolge alle Probleme betreffend Massenänderungen, Federkonstantenänderungen usw. umgehen. Die notwendige Erregerenergie ist dabei nur ein Bruchteil der zuvor benötigten Erregerenergie, da nur die Dämpfung des mechanischen Resonanzkreises überwunden werden muss. Mit der gleichen Messeinrichtung lässt sich auf einfache Art auch die Schwingamplitude regeln, indem die Erregerenergie geregelt wird.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass die mechanisch heiklen Resonanzfrequenz-Abgleicharbeiten entfallen, und dass Änderungen der wirksamen Massen und Federkonstanten die Schwingamplitude nicht mehr beeinflussen; auch ist nur ein Minimum an Erregerleistung erforderlich.

Schlussendlich kann zuverlässig und dauernd mit höheren Schwingamplituden gearbeitet werden, infolgedessen für eine bestimmte Förderleistung Geräte, als bisher, kleinerer Abmessung eingesetzt werden können.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Hierbei zeigen die
Fig. 1 und 2 zur näheren Erläuterung der Erfindung dienende Darstellungen;
Fig. 3 den Aufbau eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemässen Förderers;
Fig. 4 schematisch den Aufbau der elektrischen Steuer- und Leistungsschaltung.

In Fig. 1 ist ein herkömmlicher Magnet-Vibrationsförderer dargestellt. Dabei sind mit 1 die Förderrinne, mit 2 der Tisch und mit 3 die Federelemente bezeichnet. Der Tisch und die Förderrinne bilden zusammen die Nutzmasse bzw. Nutzgewicht.

Der Magnetanker ist mit 4 und die Magnetspule mit 5 bezeichnet während die Gegenmasse oder Stator mit 6 angegeben ist.

Das Gerät ruht auf Entkopplungsfederelementen, insbesondere auf Gummifüssen 7. Die Federelemente 3 schliessen mit der Basis der Gegenmasse 6 einen Federanstellwinkel 8 bzw. a ein, während mit 9 die Wurfbahn eines Teilchens angedeutet ist.

Fig. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen der Schwingamplitude und dem Verhältnnis von Antriebsfrequenz zu Resonanzfrequenz bei verschiedenen Dämpfungen.

In dieser erwähntenn Fig. 2 bedeuten:
Buchstabe R die Resonanzverschiebung infolge einer Dämpfungsänderung, D + 6 den Dämpfungs- und Resonanzeinfluss durch Rinnenbeladung.

Stets aus Fig. 2 ist ersichtlich, wie im unterkritischen Bereich der Einfluss der zusätzlichen Massenankopplung auf die Amplitude kleiner als im überkritischen Bereich ist.

Fallen beide Frequenzen zusammen d.h. ist fANTR/fRES = 1, so wird der Nenner zu Null. Es ergibt sich ein Resonanzbetrieb mit theoretisch unendlich grossen Amplituden.

Dieser Betriebszustand ist jedoch für Magnetvibratoren un
D+G brauchbar. Einmal führt das Ändern der Dämpfung , wie
1 sie durch unterschiedliche Fördergüter oder Förderschichten auftritt, zu einem laufenden Ändern der Schwingbreite, wie aus Fig. 2 ersichtlich. Auch wirken sich Frequenz- oder Spannungsschwankungen des speisenden Netzes dann zu stark auf die Schwingbreite aus.

Weiter erfordert das Ausnutzen grösserer Schwingbreiten in Resonanznähe das Einstellen eines grossen Luftspaltes. Da die magnetische Zugkraft jedoch etwa umgekehrt proportional mit dem Quadrat des Luftspaltes abnimmt, sind die Voraussetzungen einer konstanten Antriebskraft nicht mehr gegeben. Eine Reihe von Gründen verbietet also das Arbeiten in unmittelbarer Nähe der Resonanz. Es empfiehlt sich daher, eine Eigenfrequenz fe des Schwingsystems zu wählen, welche von der Antriebsfrequenz einen bestimmten Resonanzabstand hat. Dadurch werden die geschilderten Nachteile zum Teil umgangen und dennoch eine Resonanzerhöhung der Schwingbreite erreicht.

Der Abgleich der Eigenfrequenz erfolgt durch Ändern der Federkonstanten oder Ändern der Gewichte, vor allem des Nutzgewichtes.

Da sich aber in der Praxis die Federkonstanten durch Tem peratureinflüsse, Alterung usw. auch ändern und vor allem die wirksamen Massen nicht konstant sind, sie ändern sich mit der Beladung des Fördertroges, ist auch in einem unterkritischen Arbeitsbereich die Aufgabe nur mässig gut gelöst. Hinzu kommt, dass der mechanische Resonanzabgleich eines 2-Massen-Schwingsystems sehr zeitraubend ist und grosse Erfahrung erfordert. Der Anwender ist dazu meist nicht in der Lage. Zum Teil werden heute diese Einflüsse auf die Schwingamplitude eines Förderers damit korrigiert, indem die Schwingamplitude gemessen und mit Hilfe eines elektrischen Leistungsstellgliedes die Erregerleistung korrigiert wird. Die Regelmöglichkeiten sind allerdings auf einen kleinen Teil der Schwingfördermöglichkeiten beschränkt.

Fig. 3 entspricht dem prinzipiellen Aufbau eines Schwingförderers herkömmlicher Bauart (gemäss Fig. 1), der erfindungsgemäss zusätzlich mit einem Phasen- und Amplituden Messsystem ergänzt wurde.

Das Messsystem besteht aus einer Messspule 11 und einem Permanentmagneten 10. Schwingt der Trog einwandfrei, ist die in der Messspule erzeugte Spannung sinusförmig.

Die erzeugte Spannungsamplitude ist proportional der Schwingamplitude des Troges. Der Null-Durchgang der Messspannung fällt mit der Maximal-Auslenkung des Troges zusammen.

In Fig. 4 ist schematisch der Aufbau der elektrischen Steuerund Leistungsschaltung dargestellt. Diese besteht aus folgenden Funktionsgruppen: - Gruppe Triac 12, die als Stellglied zur Ladung des Kondensators C1 dient; - Triac-Ansteuerschaltung 13, die für konstante Spannung am Kondensator C1 sorgt; - Gleichrichter 14, der die Netz-Wechselspannung in eine Gleichspannung für den Kondensator C1 umwandelt; - Gleichspannungs-Energiespeicher 15;

; - Leistungsbrückenschaltung 16, mit zwei Transistoren T1, T2 und zwei Dioden D1, D2, bei welcher die Spannung vom Kondensator C1 an der Erregerspule 26 des Schwingförderers liegt und ein Strom zu fliessen beginnt, wenn die beiden Transistoren Tal., T2 gleichzeitig durchgeschaltet werden und das weitere Ansteigen des Spulenstromes unterbrochen wird, wenn die beiden Transistoren wieder gesperrt werden, wodurch an der Erregerspule die Polarität wechselt und die beiden Dioden D1, D2 leitend werden und den abnehmenden Spulenstrom in den Kondensator C1 zurückladen; - Permanentmagnet 17 am Fördertrog befestigt;

; - Messspule 18, die am Stator des Schwingförderers befestigt ist, - Phasendiskriminator 19, an den die momentane Erregerfrequenz und die Messfrequenz zugeführt werden und an dessen Ausgang eine positive oder negative Spannung entsteht, je nachdem ob die Erregerfrequenz grösser oder kleiner als die Resonanzfrequenz des Schwingförderers ist; - Phasen-Integralregler 20, welcher seine Ausgangsspannung in der richtigen Wirkungsrichtung so lange ändert, bis der Phasendiskriminator 19 keine Korrekturspannung mehr liefert; - spannungsgesteuerter Oszillator 21, welcher die durch den Regler gegebene Erregerfrequenz erzeugt; - Mess-Gleichrichter 22, welcher aus der Mess-Wechselspannung eine Gleichspannung macht, die proportional der Amplitude des Fördertroges ist;

; - Amplitudenregler 23, welcher die am Amplituden-Sollwerteinsteller 27 eingestellte Spannung mit derjenigen aus dem Mess-Gleichrichter 22 vergleicht und mit seiner Ausgangsspannung einen Impulsbreiten-Modulator 24 ansteuert; - Impulsbreiten-Modulator 24, welcher vom spannungsgesteuerten Oszillator 21 die richtige Frequenz und Phasenlage und vom Amplitudenregler 23 die Information über die notwendige Erregerenergie erhält und daraus einen Durchschaltimpuls im richtigen Moment und in der richtigen Länge für die beiden Transistoren T1, T2 macht; - Optokoppler 25, welche die Stromimpulse von der Steuerseite auf die Leistungsstufe übertragen; - Erregerspule 26 zum Antrieb des Schwingförderers, und - Amplituden-Sollwerteinsteller 27.

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Vorrichtung zur Steuerung von magnetisch angetriebenen Massenschwingsystemen von Förderern, in welchen die Reso nanzfrequenzen verschieden sind und zudem während dem Be trieb in irgendwelcher Weise variieren können, gekennzeichnet durch eine Messeinrichtung, welche die Resonanzfrequenz, die Phase und die Schwingamplitude des Massenschwingsystems misst und eine Regeleinrichtung, welche die Erregerfrequenz selbständig auf die Eigenfrequenz des Massenschwingsystems abgleicht und die Erregerenergie im optimalen Zeitpunkt und in der notwendigen Menge dem Magnetantrieb zuführt um mit minimaler Energie das Massenschwingsystem auf die gewünschte Schwingamplitude zu bringen.
2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung aus einer Messspule (11) und einem Permanentmagnet (10) besteht die so angeordnet sind, dass sie die freien Schwingungen des Massenschwingsystems in Frequenz, Phase und Amplitude messen können.
3. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung mit einem Schwingförderer-Magnet mit Anker (5, 4) ergänzt wird, bei dem die in der Ankerspule (5) induktiv gespeicherte elektrische Energie wieder in einen als Kondensator (C1) ausgebildeten kapazitiven Energiespeicher (15) zurückgebracht wird.
4. Vorrichtung gemäss Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine elektrische Steuer- und Leistungsschaltung, bestehend aus folgenden Funktionsgruppen: - Gruppe Triac (12), die als Stellglied zur Ladung des Kondensators (C1) dient; - Triac-Ansteuerschaltung (13), die für konstante Spannung am Kondensator (C1) sorgt; - Gleichrichter (14), der die Netz-Wechselspannung in eine Gleichspannung für den Kondensator (C1) umwandelt; - Gleichspannungs-Energiespeicher (15);

; - Leistungsbrückenschaltung (16), mit zwei Transistoren (T1, T2) und zwei Dioden (Dl, D2), bei welcher die Spannung vom Kondensator (C1) an der Erregerspule (26) des Schwingförderers liegt und ein Strom zu fliessen beginnt, wenn die beiden Transistoren gleichzeitig durchgeschaltet werden und das weitere Ansteigen des Spulenstromes unterbrochen wird, wenn die beiden Transistoren wieder gesperrt werden, wodurch an der Erregerspule die Polarität wechselt und die beiden Dioden (D1, D2) leitend werden und den abnehmenden Spulenstrom in den Kondensator (C1) zurückladen; - Permanentmagnet (17) am Fördertrog befestigt; - Messspule (18), die am Steuer des Schwingförderers befestigt ist;

; - Phasendiskriminator (19), an den die momentane Erregerfrequenz und die Messfrequenz zugeführt werden und an dessen Ausgang eine positive oder negative Spannung entsteht, je nachdem ob die Erregerfrequenz grösser oder kleiner als die Resonanzfrequenz des Schwingförderers ist; - Phasen-Integralregler (20), welcher seine Ausgangsspannung in der richtigen Wirkungsrichtung so lange ändert, bis der Phasendiskriminator (19) keine Korrekturspannung mehr liefert; - spannungsgesteuerter Oszillator (21), welcher die durch den Regler gegebene Erregerfrequenz erzeugt; - Mess-Gleichrichter (22), welcher aus der Mess-Wechselspannung eine Gleichspannung macht, die proportional der Amplitude des Fördertroges ist;

; - Amplitudenregler (23), welcher die am Amplituden-Sollwerteinsteller (27) eingestellte Spannung mit derjenigen aus dem Mess-Gleichrichter (22) vergleicht und mit seiner Ausgangsspannung einen Impulsbreiten-Modulator (24) ansteuert; - Impulsbreiten-Modulator (24), welcher vom spannungsgesteuerten Oszillator (21) die richtige Frequenz und Phasenlage und vom Amplitudenregler (23) die Information über die notwendige Erregerenergie erhält und daraus einen Durchschaltimpuls im richtigen Moment und in der richtigen Länge für die beiden Transistoren (T1, T2) macht; - Optokoppler (25), welche die Stromimpulse von der Steuerseite auf die Leistungsstufe übertragen; - Erregerspule (26) zum Antrieb des Schwingförderers, und - Amplituden-Sollwerteinsteller (27).