Schwingförderer
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für Schwingförderer der
Resonanzbauart, umfassend einen Elektromagneten mit einem Joch.[0001]
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Um ziemlich kleine Gegenstände zu fördern, werden häufig Vibrations- oder
Schwingförderer angewendet, die entweder linear oder schalenförmig ausgebildet sind. Eine
typische Ausführungsform eines Schwingförderers enthält eine Schale mit einer an der
Innenseite spiralförmig verlaufenden Bahn für die zu fördernden Gegenstände. Die Schale ist an
leicht geneigten Blattfedern aufgehängt, die ihrerseits an einem schweren Bodenelement
befestigt sind. Diese Teile bilden zusammen ein mechanisches Resonanzsystem. Das
Bodenelement ist gewöhnlich auf schwingungsgedämpften Elastomer-Füßen gelagert. An der
Oberseite des Bodenelements sind ein oder mehrere Elektromagnete angebracht. Wenn diese an
einen Wechselstrom angeschlossen sind, versetzen sie die Schale durch die wechselnde
magnetische Anziehung des Jochs an der Schale in Schwingungen, und zwar im Takt mit der
Frequenz des Wechselstroms. Normalerweise hat der angelegte Wechselstrom eine feste
Frequenz, da die Stromquelle das öffentliche Netz ist. Um bei dieser Frequenz eine ausreichende
Vibration zu erhalten, ist es erforderlich, das mechanische Resonanzsystem (annähernd) auf
die gleiche Frequenz wie die der aufgebrachten Kraft abzustimmen. Im Falle eines
Weicheisenkerns und -joches wird die Frequenz der Kraft das Zweifache der des
Stromversorgungsnetzes sein, und zwar wegen der elektromagnetischen Anziehung sowohl während der
positiven als auch während der negativen Stromrichtung. Die mechanische Resonanzfrequenz
schwankt jedoch als Funktion einer Anzahl von Faktoren, wie zum Beispiel der Temperatur,
der Alterung der Federn und der Masse der zu fördernden Gegenstände. Des weiteren ist die
aufgebrachte Magnetkraft von den Schwankungen der Netzspannung abhängig. Die
Bedienungsperson muß daher die Stromzufuhr zum Schwingförderer ständig einstellen, um eine
stabile Förderung der Gegenstände zu erreichen. Sofern eine hohe Geschwindigkeit der
Gegenstände verlangt wird, ist es weiterhin erforderlich, den Betrieb von Zeit zu Zeit zu
unterbrechen, um die Resonanzfrequenz erneut abzustimmen.[0002]
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Darüber hinaus hat es sich in der Praxis herausgestellt, daß die mechanische
Resonanzfrequenz von der Schwingungsamplitude abhängt, und zwar in der Weise, daß sich die
Resonanzfrequenz mit der Erhöhung der Schwingungsamplitude verringert. Falls das
mechanische System auf eine höhere Frequenz als die Antriebsfrequenz abgestimmt ist, bewirkt die
obige Beziehung eine positive Rückkopplung der Oszillation mit der Erhöhung der
Schwingungsamplitude und eine negative Rückkoplung im Falle einer Verringerung der Amplitude.
Als Folge davon läuft der Schwingförderer plötzlich außer Kontrolle, wenn mehr Energie
zugeführt wird, und stoppt plötzlich, wenn die Energiezufuhr verringert wird. Des weiteren
resultiert eine Erhöhung der Masse des oszillierenden Systems durch dessen Beladung mit
schweren Gegenständen in einer niedrigeren Resonanzfrequenz, so daß diese sich an die
Antriebsfrequenz annähert, wodurch sich die Schwingungsamplitude erhöht und das oben
erwähnte Phänomen der positiven Rückkopplung sich manifestiert. Um ein stabiles
Fördersystem zu erreichen, ist es daher erforderlich, die Resonanzfrequenz des Schwingförderers
derart abzustimmten, daß sie 5 bis 10% niedriger als die Antriebsfrequenz ist, wodurch eine
größere Energiezufuhr erforderlich ist, um eine ausreichende Schwingungs- oder
Vibrationsamplitude zu erzielen.[0003]
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Obwohl der Energiebedarf aufgrund der Resonanz verringert wird, gibt es bei großen
Förderanlagen aufgrund des großen Blindstroms, der durch die großen Luftspalte in den
Elektromagneten verursacht wird, noch einen Bedarf an überdimensionierter elektrischer Auf- und
Ausrüstung. Daraus ergeben sich entweder höhere Zahlungen an das
Energieversorgungsunternehmen oder die Notwendigkeit der Anschaffung eines Phasenentzerrers. Bei
herkömmlichen Systemen wird die Amplitude der Vibratorschwingung mittels eines verstellbaren
Netztransformators (Stelltrafo) für jede individuell abgestimmte Fördereinheit eingestellt.
Wahlweise kann eine Regulierung nach Art der Phasenanschnittsteuerung angewendet werden. All
diese Faktoren werden als besondere Nachteile der bekannten Systeme angesehen.[0004]
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Zur teilweisen Behebung dieser Nachteile wurde versucht, eine veränderliche
Frequenz anzuwenden, um die Schwingförderer anzutreiben, das heißt, um die individuelle
Antriebsfrequenz entsprechend den vorgegebenen mechanischen Resonanzen abzustimmen. Es
wurden einfache Frequenzwandler benutzt, aber bessere Ergebnisse erhält man durch
Bestimmung der Amplitude und der Frequenz der Schwingung selbst mit Hilfe eines
Beschleunigungsmessers, der Signale bereitstellt, die in einem geschlossenen Regelsystem (Closed-
Loop-Regelung) der Frequenzgeneratoren angewendet werden können. Das bringt jedoch
Schwierigkeiten bei der Installation mit sich, und es muß sichergestellt werden, daß das
Ka
bel,
welches das Signal des Beschleunigungsmessers führt, keiner Zerstörung unterworfen ist
oder keinen Mikrofoneffekt (Mikrofonie) bewirkt.[0005]
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Aus der EP 0 629 568 A2 ist eine Konstruktion bekannt, bei der der Schwingförderer
von einer Spannungsquelle angetrieben wird, die rechteckige Impulse erzeugt. Deren
Frequenz und Impulsbreite kann so variiert werden, daß der effektive Spulenstrom in Frequenz
und Amplitude verändert wird. Daraufhin wird die Schwingungsamplitude gemessen und als
Amplitude der dritten Oberschwingung (Oberwelle) des Spulenstroms (im Falle von
piezoelektrischen Vibratoren mittels der zweiten Oberschwingung) ausgedrückt. Es wurde
gefunden, daß es eine annähernd lineare Beziehung zwischen dem Inhalt der dritten
Oberschwingung und der Schwingungsamplitude gibt. Die Amplitude der dritten Oberschwingung wird in
einem Regelkreis als Rückkopplung benutzt, damit eine gegebene Amplitude beibehalten
werden kann. Die Resonanzfrequenz wird mittels Durchlaufens des Frequenzbereichs und
Sperren der Antriebsfrequenz gefunden, wenn der Inhalt der dritten Oberschwingung ein
Höchstwert ist. Von da an wird die Antriebsfrequenz konstant gehalten, bis eine gewünschte
Schwingung - selbst bei maximalem Strom - nicht aufrechterhalten werden kann. Es wird ein
neuer Durchlauf durchgeführt, und die Frequenz wird wieder verriegelt. Das bedeutet, daß zu
jedem Zeitpunkt des Einfüllens von Gegenständen auf den Schwingförderer und zusammen
mit dem Entladen der Gegenstände eine neue Frequenzabtastung erforderlich ist. Das hat pro
Stunde sehr viele unerwünschte Unterbrechungen zur Folge.[0006]
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Eine andere bekannte Ausführung wird in der US 48 11 835 beschrieben. Dieser Fall
befaßt sich ausschließlich mit der bipolaren Bauart, d. h. bei einer solchen, bei der das Joch ein
Permanentmagnet ist. Hierbei ist die mechanische Schwingungsfrequenz gleich der
Antriebsfrequenz. Wenn die Antriebsspannung sinusförmig ist, wird dem Antriebsstrom ein Signal
überlagert, das durch die Bewegung verursacht wird und das daher die gleiche Frequenz wie
die Antriebsfrequenz hat. Die Phasenverschiebung des Signals folgt der Phase der
Schwingung in der Weise, daß sie im Hinblick auf den Antriebsstrom um -90º und weit weg von der
Resonanz um 0º oder 180º in bezug auf den Antriebsstrom verschoben wird. Bei Resonanz
wird daher in dem Gesamtstrom ein Beitrag zur Phasenverschiebung geleistet, und entfernt
von der Resonanz wird nur die Amplitude des Antriebstroms beeinflußt.[0007]
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Das Patent benutzt das, indem die Phase zwischen dem Strom und der Spannung
laufend gemessen wird, und die Frequenz wird so eingestellt, daß die Phasenverschiebung
zwischen dem Antriebsstrom und der Antriebsspannung ein Minimum ist (das heißt, die
Phase der Schwingung ist -90º). Mit dieser Ausführung kann nicht bestimmt werden, ob die
augenblickliche Antriebsfrequenz oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz liegt. Die
Frequenz wird daher in einer gegebenen Richtung eingestellt, und zwar bis die Phasenänderung
seit der letzten Messung positiv ist, das heißt, es erfolgt eine Verstellung weg von der
Resonanz. Die Richtung wird geändert, und das Abtasten wird erneut gestartet. Um eine
gleichbleibende Schwingungsamplitude aufrechtzuerhalten, werden die gemessenen Werte des
Stroms und der Spannung zur Berechnung der zugeführten Energie benutzt. Die Amplitude
der Antriebsspannung wird eingestellt, damit die zugeführte Energie konstant gehalten wird.
Es wird angenommen, daß die Zuführgeschwindigkeit der Gegenstände eine lineare
Abhängigkeit von der zugeführten Energie aufweist. Es gibt daher bei dieser Regelung keine
Rückkopplung.[0008]
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Eine dritte bekannte Ausführung ist in der EP 0 432 881 A1 in bezug auf
piezoelektrisch angetriebene Vibratoren beschrieben. Das Meßsignal erhält man auf ähnliche Weise
wie oben beschrieben, aber die Phase wird benutzt, um die Leistungsaufnahme zu berechnen,
und das ist es, was die Regelung konstantzuhalten versucht. Intervalle der
Amplitudenregelung wechseln sich ab mit Intervallen der Frequenzregelung. Somit wird die Amplitude bei
einer feststehenden Frequenz geregelt, so daß die Leistungsaufnahme ein vorbestimmter Wert
wird und während der nachfolgenden Frequenzregelung das Ziel in einer maximalen
Leistungsaufnahme besteht. Dieses Regelungsverfahren ist sehr langsam, und eine plötzliche
Beladung mit Gegenständen verursacht eine lange Wartezeit bis zum Auffinden einer
geeigneten Frequenz (Resonanz).[0009]
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Keine der beschriebenen Ausführungen ist in der Lage, die Oszillation aktiv zu
bremsen. Das Bremsen der Oszillation durch Regelung des Antriebsstroms in der Gegenphase
zur Bewegung kann nur erreicht werden, wenn die Phase der Bewegung ständig bekannt ist
und den Bremsstrom phasenverriegelt zur Bewegung regeln kann.[0010]
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Um die obigen Nachteile zu vermeiden, und zwar ohne den Schwingförderer selbst
mit weiteren Sensoren usw. zu komplizieren, basiert die vorliegende Erfindung auf einem
Prinzip, bei dem die elektrischen Eigenschaften der Elektromagnete selbst als ein Mittel zur
Ermittlung der Bewegung des Vibrators verwendet werden, sowie zur Benutzung dessen, die
Frequenz der Amplitude der zugeführten Energie ständig zu regeln, damit der
Schwingförde
rer bei Resonanz angetrieben wird, und zwar so, daß eine gewünschte Amplitude der
Schwingung aufrechterhalten wird.[0011]
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Das Verfahren besteht in der Erzielung eines präzisen Ausdrucks für die Bewegung
- wie sie auftritt - durch mathematische Berechnungen auf der Grundlage von gemessenen
augenblicklichen Werten (Momentanwerten) für den Strom und die Spannung, die dem
Elektromagnet zugeführt werden, und zwar ausgedrückt als momentaner Wert des Luftspaltes des
Elektromagneten. Hierdurch erhält man eine wirklichkeitsgetreue Darstellung der Bewegung
über der Zeit als sinusförmige Schwingung. Die Amplitude dieses berechneten Signals wird
als Regelungswert für die Amplitude des Antriebsstroms verwendet, so daß eine Oszillation
mit einer gegebenen Amplitude aufrechterhalten werden kann. Durch Messung der
Phasenverschiebung zwischen dem zugeführten Strom und dem berechneten Signal für die
Bewegung und durch Anwendung dessen als Regelungswert für die Frequenz des Antriebsstroms
ist es eine einfache Sache, die mechanische Resonanzfrequenz mittels eines einfachen
phasenverriegelten Regelkreises (PLL-Regelung) zu erreichen. Der Antriebsstrom kann daher im
Hinblick auf Frequenz und Amplitude in zwei unabhängigen Regelkreisen geregelt werden,
so daß die mechanische Resonanzfrequenz nachgeregelt und eine gewünschte
Schwingungsamplitude aufrechterhalten wird.[0012]
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Die Erfindung kann somit bei einem Schwingförderer der in Anspruch 1 bestimmten
Art verwirklicht werden, dadurch, daß eine laufende Messung des Stroms und der Spannung
des Elektromagneten durchgeführt wird, und daß die dadurch für die elektromagnetische
Schaltung erhaltenen elektrischen Eigenschaften zur Berechnung des augenblicklichen
Luftspaltes verwendet werden, dessen Wert als Regelungsgröße für den Antriebsstrom benutzt
wird, so daß man eine im wesentlichen sinusförmige Schwingung mit einer gewünschten
Amplitude erhält.[0013]
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die sich dadurch auszeichnet, daß die
Frequenz des Antriebsstroms als Funktion der durch den augenblicklichen Luftspalt
ausgedrückten Phase der Bewegung derart geregelt wird, daß der Antriebsstrom zur Eigenresonanz
des Schwingförderers unabhängig von der Beladung phasenverriegelt (phasenstarr) ist, wird
ein minimaler Energieverbrauch erreicht.[0014]
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird erreicht, wenn die
Berechnung des Luftspaltes dadurch stattfindet, daß in einem ersten Schritt die
augenblickliche elektromotorische Kraft (EMK) von dem Elektromagneten als Generator durch
Subtraktion der elektrischen Verluste in dem Elektromagneten von der augenblicklichen Spannung
berechnet wird, wobei die elektromotorische Kraft in einem zweiten Schritt integriert wird,
wodurch in einem dritten Schritt der durch den integrierten Wert geteilte Strom in einem
Signal resultiert, das den augenblicklichen Luftspalt als Funktion der Zeit wiedergibt.[0015]
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung hebt sich dadurch
hervor, daß sie umfaßt: Mittel zur Gleichrichtung und Glättung der Netzspannung auf eine
entsprechende Gleichspannung, eine Energiestufe zur Erzeugung eines geregelten
Antriebsstroms für den Elektromagneten, Einheiten zur Messung, Filterung und A/D-Umwandlung
sowohl des Stroms als auch der Spannung, Mittel zur Einstellung der Verstärkung, einen
digitalen Prozessor zur Berechnung der Bewegung des Vibrators, ausgedrückt als
Referenzwert, der zur Regelung einer im wesentlichen sinusförmigen Energiezufuhr zum
Elektromagneten verwendet wird, und zwar während der Regelung der Schwingungsfrequenz zur
Resonanz und einer vorbestimmten Schwingungsamplitude.[0016]
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Eine weitere Ausführungsform hebt sich dadurch hervor, daß sie Mittel zur
Erfassung einer Vergrößerung des Luftspaltes und/oder einer Verringerung der Antriebsfrequenz
ohne eine entsprechende Änderung des Energieverbrauches und zur Veranlassung der
Anzeige einer Federermüdung umfaßt. Auf diese Weise können unerwünschte Unterbrechungen
vermieden werden, da der Schwingförderer während einer regulären Wartungsabschaltung
gewartet werden kann, bevor sich seine Funktion zu stark verschlechtert hat.[0017]
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der
Antriebsstrom in der Weise geregelt wird, daß er in Gegenphase zur Schwingung ist und somit
benutzt werden kann, um diese zu bremsen. Aufgrund des hohen Q-Faktors des mechanischen
Schwingungssystems setzt ein Schwingförderer normalerweise seine Oszillation über einen
langen Zeitraum nach einer einfachen Unterbrechung der Energiezufuhr fort. Das ist ein
bekannter Nachteil bei zur Verwaltung bzw. Führung von Gegenständen verwendeten Anlagen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die in dem System gespeicherte Energie schnell
absorbiert, und somit wird der Schwingförderer sehr wirkungsvoll gestoppt.[0018]
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnung detailliert
beschrieben, in der[0019]
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Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der grundlegenden Bauteile eines Schwingförderers,
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Fig. 2 eine typische Frequenzkennlinie eines Resonanzsystems mit einem hohen Q-Faktor,
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Fig. 3 die grundlegenden Schwingförderer-Resonanzkurven sowohl in der Amplitude als
auch in der Phase bei verschiedenen Antriebsströmen,
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Fig. 4 die Funktion, die die Amplitude und den Strom bei dem in Fig. 3 beschriebenen
Schwingförderer verbindet,
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Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Antriebssystems gemäß der Erfindung und
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Fig. 6a ein vereinfachtes Fließdiagramm für die Datenverarbeitung, die in Verbindung mit der
in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform durchgeführt wird,
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zeigt.
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[0020] Fig. 6b zeigt, wie die Referenzwerte des Stromes als Funktion der Zahl N bei der
Berechnung verwendet werden.
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[0021] In Fig. 1 ist eine Masse 1 dargestellt, die von Federn 2 und 2' getragen wird. Gezeigt
ist das Prinzip eines Schwingfördererantriebs, wobei der tatsächliche Aufbau in der Praxis
durch die Bauart des Schwingförderers bestimmt ist. Ein Elektromagnet (Solenoid) 3 bildet
zusammen mit dem Kern 4, dem Joch 5 und den Luftspalten 6 und 6' eine elektromagnetische
Schaltung, die eine von der gesamten Länge der Luftspalte abhängige Impedanz darstellt.
Eine Stromquelle 7, die regelbar sein kann, ist angeschlossen, und im Zusammenhang mit den
Verbindungen zu dem Elektromagneten können sowohl der Strom I(t) als auch die Spannung
U(t) über diesem in Abhängigkeit von der Zeit t gemessen werden. Nach neuerer Praxis
erfolgen die Messungen über Analog-Digital-Wandler, damit die Ergebnisse der Messungen einer
digitalen Signalverarbeitung unterzogen werden können.
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[0022] Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf einer mathematischen Berechnung mit
gemessenen Augenblickswerten des Stroms und der Spannung an dem Elektromagneten, um
einen Ausdruck für die augenblickliche Größe des Luftspaltes des Elektromagneten zu
erhalten. Somit erhält man ein zeitlich richtiges Bild der Bewegung als sinusförmige Schwingung.
Die Amplitude dieses berechneten Signals wird als Regelgröße für die Amplitude des
Antriebsstroms verwendet, so daß eine Oszillation mit gegebener Amplitude beibehalten werden
kann.
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[0023] Die Phase zwischen der Bewegung und der Zuführung von Energie bei einem
mechanischen Resonanzkreis ist als in Fig. 2 dargestellt bekannt. Durch Messung der
Phasenverschiebung zwischen der Energiezufuhr und dem berechneten Signal, das die Bewegung
repräsentiert, und Benutzung dessen als Regelgröße für die Frequenz des Antriebsstroms kann
diese leicht geregelt werden, um mit der mechanischen Resonanzfrequenz übereinzustimmen,
und zwar mittels eines einfachen phasenverriegelten Regelkreises (PLL-Kreis).
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[0024] In Fig. 3 ist eine vollständig allgemeine Resonanzfunktion für einen
Schwingförderer dargestellt, d. h. Kurven, die die Amplitude und die Phase der Schwingung wiedergeben,
wenn diesem ein Wechselstrom mit einer konstanten Amplitude, aber veränderlicher
Frequenz, zugeführt wird. Die Phase wird als die Phase der Bewegung in bezug auf die Phase des
Stroms betrachtet. Der Qualitätsfaktor Q für das Schwingsystem ist die Amplitude, die man
bei Resonanz im Vergleich mit der Antriebsamplitude erhält, und er kann im vorliegenden
Fall mit etwa 10 angenommen werden und ist ein Ausdruck für die geringen Verluste, die in
dem vorliegenden System vorhanden sind.
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[0025] Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß man im Falle der Regelung der Frequenz in der Weise,
daß die Phase zwischen der Bewegung und dem zugeführten Strom 90º ist, unabhängig von
der Schwingungsamplitude eine Resonanzspitze erhält. Der Antriebsstrom kann daher in
bezug auf die Frequenz und die Amplitude geregelt werden, und zwar unabhängig und sich nicht
gegenseitig beeinflussend in zwei Regelkreisen, so daß die mechanische Resonanzfrequenz
mitgemacht und eine gewünschte Schwingungsamplitude aufrechterhalten wird. Man kann
daher mit einem Minimum an Energieaufwand eine Oszillation mit einer gewünschten
Amplitude beibehalten, und zwar unabhängig von der Belastung und der Resonanzfrequenz.
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[0026] Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt die nachfolgenden theoretischen
Zusammenhänge zwischen den elektrischen Eigenschaften eines Elektromagneten mit einem
Luftspalt und der Spaltlänge, wobei das magnetische Feld um den gesamten magnetischen
Feld(linien)verlauf als homogen angenommen wird. Bei der Aufstellung der Ausdrücke
werden die nachfolgenden Symbole verwendet:
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E(t) = Elektromotorische Kraft
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U(t) = Spulenspannung
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I(t) = Spulenstrom
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G(t) = Magnetischer Luftspalt
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R = Spulenwiderstand
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A = magnetische Fläche
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Φ(t) = magnetischer Kraftfluß
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l = gesamte magnetische Länge
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lfe = magnetische Länge im Kern und im Joch
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ue = effektive magnetische Permeabilität
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lfe = relative magnetische Permeabilität von Kern und Joch
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u&sub0; = Vakuum-Permeabilität
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[0027] Entsprechend dem Faradayschen Gesetz erhält man:
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(1) E(t) = N*(dΦ/dt)
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Der elektromagnetische Standardausdruck ist:
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(2) Φ(t) = I(t)*(ue*N*A)/l
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Durch Umformen von (2) in bezug auf die Vakuum-
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Permeabilität erhält man:
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(3) Φ(t) = I(t)*(u&sub0;*N*A)/((lfe/ufe) + G(t))
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Durch Einsetzen in (1) erhält man:
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(4) E(t) = N*(u&sub0;*N*A)*(d/dt)[I(t)/((lfe/Pre) + G(t))]
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Die Integration über die Zeit auf beiden Seiten
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ergibt:
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(5) E(t) = (u&sub0;*N²*A)[I(t)[((lfe/Pfe) + G(t))] + k
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Wenn die Integration bei I(t) = 0 =>
k = 0 beginnt, erhält man
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(6) I(t)/ E(t) = G(t)/(u&sub0;*N²*A) + (lfe/ufe)/(u&sub0;*N²*A),
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was eine lineare Funktion zwischen dem durch die
integrierte elektromotorische Kraft dividierten
Strom und der Länge des Luftspaltes darstellt. Die
elektromotorische Kraft erhält man durch Subtraktion
der Verluste von der Spannung:
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(7) E(t) = U(t) - R*I(t),
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wonach E(t) integriert wird, und G(t) erhält man
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durch Einsetzen von (7) in (6) zu
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(8) G(t) = (u&sub0;*N²*A)*I(t)/( (U(t)-R*I(t)) + lfe/ufe).
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[0028] Es ist erkennbar, daß es nur Veränderungen in der Größe von ufe in Verbindung mit
der Sättigung des Eisens sind, die den Grad der Linearität in dem Ausdruck beeinflussen, da
alle anderen Parameter als unveränderlich über die Zeit betrachtet werden. Jedoch liegt bei
einem Elektromagneten von mittlerer Größe der Wert von (lfe/ufe) in der Größenordnung von
0.04 mm (lfe = 200 mm und ufe = 5000), und selbst eine Änderung von ± 50% würde nur
einen Fehler von ca. ± 0.02 mm ergeben.
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[0029] Durch fortlaufendes Berechnen von G(t) aus (8) erhält man ein Signal, das die
Oszillation des Vibrators um einen konstanten Wert beschreibt, der Go + lfe/ufe ist, das heißt
der auf das Vakuum zurückgerechnete Durchschnittswert des magnetischen Pfades. Durch
Benutzung der Amplitude dieser Schwingung zur Regelung der Amplitude des
Antriebsstroms und durch Verwendung der Phase als Regelung der Antriebsfrequenz kann eine
gegebene Schwingungsamplitude aufrechterhalten werden, und die Antriebsfrequenz kann bei der
gegenwärtig vorhandenen Resonanzfrequenz gehalten werden. Für die Stabilität des Systems
ist es wichtig, daß beide Parameter laufend geregelt werden, da sich mit einer Veränderung
der Beladung/ Belastung sowohl die Resonanzfrequenz als auch die Schwingungsamplitude
sehr schnell ändern können. Es ist besonders wichtig, daß die Frequenzregelung schnell und
präzise erfolgt, so daß schnellen Änderungen in der Resonanzfrequenz gefolgt werden kann.
Andernfalls kann die Schwingungsamplitude durch die Amplitudenregelung nicht beibehalten
werden. Die Amplitudenregelung muß notwendigerweise ziemlich langsam (GBW = 0.5 bis
5 Hz) sein, da das Q des Resonanzkreises einen sehr niedrigen Frequenzpol (eine große
Zeitkonstante) in dem Regelkreis für die Amplitude verursacht.
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[0030] Es wurde experimentell festgestellt, daß durch Beladung des Schwingförderers mit
einer schweren Last die Resonanzfrequenz um soviel wie 30% fallen kann und der
Strombedarf 400% ansteigt, selbst wenn der Vibrator zu jeder Zeit bei Resonanz angetrieben wird.
Wenn man jedoch eine gegebene Antriebsfrequenz beibehält, zum Beispiel entsprechend der
Resonanz im Falle eines Förderers mit einer geleerten Schale, ist die Resonanzfrequenz bis zu
30% von der Antriebsfrequenz (weg), und der Bedarf an zusätzlicher Energie steigt sehr
stark. In Fig. 3 ist dargestellt, daß eine Abweichung von nur 5% zu einem Ansteigen des
Strombedarfs führt, der dreimal so groß ist, falls die Schwingungsamplitude beibehalten
werden soll. Das entspricht 1200% im Vergleich mit einer leeren Schale und bei einem Antrieb
bei Resonanz.
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[0031] Selbst bei konstanter Beladung wird der Vibrator nur mit großen Schwierigkeiten
gleichmäßig angetrieben werden können, wenn die Antriebsfrequenz bei Resonanz festgelegt
ist. Das beruht auf einer hochlinearen Funktion zwischen der Energiezufuhr und der
Schwingungsamplitude, weil die Resonanzfrequenz als Funktion der Schwingungsamplitude auch
verschoben wird. Die Antriebsfrequenz wird daher nicht in der Lage sein, die Resonanzspitze
bei allen möglichen Schwingungsamplituden zu treffen. Falls in Fig. 3 die Antriebsfrequenz
95.5 Hz betragen soll, ist zu sehen, daß sich der Resonanzpunkt bei einer niedrigen oder
keiner Vibration oberhalb der Antriebsfrequenz befinden wird, und es muß sehr viel Energie
aufgewandt werden, um eine Oszillation zu bewirken. Wenn die Oszillation allmählich stärker
wird, bewegt sich die Spitze der Resonanz näher zur Antriebsfrequenz, und die Oszillation
vergrößert sich plötzlich stark (positive Rückkopplung), bis die Spitze der Resonanz die
Antriebsfrequenz passiert hat. In der Folge ist eine weitere starke Energieerhöhung erforderlich,
weil eine erhöhte Schwingungsamplitude nur bewirkt, daß die Spitze der Resonanz weiter von
der Antriebsfrequenz weg bewegt wird (negative Rückkopplung). Dieses Phänomen ist in Fig.
4 graphisch dargestellt. Diese Nichtlinearität macht es sehr schwierig, die
Schwingungsamplitude genau zu regeln.
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[0032] In Fig. 4 ist der Zusammenhang zwischen der erzielten Amplitude und dem Strom
bei unterschiedlichen Antriebsbedingungen wiedergegeben.
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[0033] In Fig. 5 ist ein auf eine Ausführungsform der Erfindung bezogenes Blockdiagramm
dargestellt. Der elektromechanische Resonanzkreis 8 enthält die Masse des Vibrators
einschließlich des Joches, der Federn und des Elektromagneten mit seinem Eisenpfad und seinem
Luftspalt G. Der Resonanzkreis wird durch die Energiestufe 9 angetrieben, und die Erfindung
bezieht sich auf die Erzeugung eines richtigen Signals für diesen Zweck. Der von dem
Resonanzkreis 8 aufgenommene Strom wird mittels der Einheit 10 gemessen, die ein
parallelgeschalteter Widerstand (Nebenschlußwiderstand) sein kann, über dem die Spannung gemessen
wird. Da eine digitale Signalverarbeitung gewünscht ist, wird das Signal in dem Filter 11
tiefpaßgefiltert, bevor eine kontinuierlich veränderliche Verstärkung an die Einheit 12 angelegt
wird. Diese Einheit bildet selbst keinen Teil der Erfindung, aber sie macht es möglich, daß der
Regelkreis eingestellt werden kann, um sowohl große als auch kleine Vibratoren steuern zu
können, und zwar ohne irgendwelche Änderungen in ihrer Konstruktion. Anschließend wird
das Signal in dem analog-zu-digital-Wandler 13 in ein digitales Signal umgewandelt. Auf
ähnliche Weise wird die Spannung parallel zu den Anschlüssen des elektromechanischen
Resonanzkreises über einen Filter 14 gemessen und in dem analog-zu-digital-Wandler 15 in
digitale Form umgewandelt. Diese Signale werden in einem Mikroprozessor 16 verwendet,
der mit diesen eine Signalbearbeitung durchführt, und zwar derart, daß der Luftspalt G als
Funktion G(t) der Zeit mittels der gemessenen Spannungen U(t) und Ströme I(t) ausgedrückt
werden kann.
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[0034] Der Mikroprozessor 16 regelt - in Abhängigkeit von der physikalischen Größe des
elektromechanischen Resonanzkreises - auch die lineare Verstärkung des Stromsignals in der
Einheit 12. Der Zweck dieser Regelung besteht darin, den Strom so zu regeln, daß die Kraft
bei einer geeigneten Frequenz annähernd sinusförmig wird, die in einer weiteren
Ausführungsform eine Frequenz ist, die zu dem Strom der mechanischen Resonanzfrequenz des
Schwingförderers phasenverriegelt ist.
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[0035] In Fig. 5 ist das Ergebnis der digitalen Signalverarbeitung ein digitaler Wert, der als
Referenz für die Regelung des Stroms in dem Resonanzkreis 8 wirkt. In der dargestellten
Ausführungsform wird dieser Wert in einem digital-zu-analog-Wandler 17 in einen analogen
Wert umgewandelt, der in einem Impulsbreitenmodulator 18 als Referenz verwendet wird,
und zwar als analoger Wert des momentanen Stroms für den Resonanzkreis 8. Dadurch erhält
man einen Rückkopplungsschleife, die den Luftspalt G in einer gewünschten Art und Weise
regelt. Das Ausgangssignal vom Impulsbreitenmodulator wird über einen Antriebsschaltkreis
19, 19' für positive bzw. negative Halbwellen zu dem Energieverstärker 9 geführt. Es ist
einem Fachmann wohlbekannt, die jeweiligen Rückkopplungsschleifenverstärkungen und
Zeitkonstanten einzustellen, um eine Eigenschwingung oder Sättigung in der
Rückkopplungsschleife zu verhindern.
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[0036] In Fig. 6a ist ein vereinfachtes Fließdiagramm für das Programm wiedergegeben, das
von dem Mikroprozessor 16 durchgeführt wird, um Referenzsignale für die Regelung des dem
Resonanzkreis 8 zugeführten Stroms zu erhalten. Die Berechnung beruht auf den
elektromagnetischen Grundregeln bezüglich der EMK in einer Spule und der Änderungsgröße des
Flusses sowie dem Zusammenhang zwischen Flußstrom und magnetischer Weglänge, die den
Luftspalt G einschließt. Hiermit kann der Luftspalt G(t) mittels des Stroms und des Integrals
der EMK E(t)isoliert ausgedrückt werden. Praktisch erzeugt der elektrische Widerstand des
Elektromagneten einen äquivalenten Spannungsabfall R · I(t), der, wenn er von der
Klemmenspannung U(t) über dem Resonanzkreis abgezogen wird, seine EMK E(t) ergibt. Die
nachfolgenden Schritte werden bei der Berechnung gemäß Fig. 6 durchgeführt:
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1 neues Setzendes Wertes für den Bezugsstrom
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2 Strom und Spannung werden gemessen
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3 die elektromotorische Kraft E(t) wird errechnet
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4 der Luftspalt des Elektromagneten wird errechnet
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5 die Abweichung des Luftspaltes von dem Mittelwert des
Luftspaltes wird errechnet
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6 ein negativ verlaufender Nulldurchgang wird geprüft, und es wird,
wenn das der Fall ist, die Phase gespeichert
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7, 8 der Phasenfehler wird berechnet und die Probenzahl
wird festgehalten
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9 die "Vollständigkeit der Schwingungsperiode" wird geprüft
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10 der Fehler in der Schwingungsamplitude wird errechnet
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11 der Amplitudenfaktor für den Referenzstrom wird in
Funktion des Amplitudenfehlers eingestellt
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12 die Frequenz wird in Funktion des Phasenfehlers eingestellt
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13 ein neuer Zyklus wird eingeleitet.
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[0037] Der Mikroprozessor 16 enthält, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, eine Tabelle mit
Referenzwerten des Stroms als Funktion der Zahl N, und in Fig. 6b ist wiedergegeben, wie diese
Werte in der Errechnung benutzt werden.
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[0038] Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß andere Schritte zur Berechnung und eine
unterschiedliche Reihenfolge möglich sind, die zu den gleichen Ergebnissen führen, während noch
von dem Grundgedanken der Erfindung Gebrauch gemacht wird.
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[0039] Über die oben erwähnten Vorteile hinaus hat ein Antriebssystem gemäß der
Erfindung folgende besonderen Vorteile: Die Funktion ist über die Zeit stabil, weil die
Schwingförderer selbsteinstellend sind und sie unempfindlich gegenüber Beladungschwankungen, die
die Amplitude bei den bekannten Vibratoren verändern, werden. Man hat mehr Freiheit bei
der Wahl des Luftspaltes, was bei einem gegebenen Elektromagneten eine größere Amplitude
ermöglicht, jedoch entsprechend einem sehr kleinen Wert des Luftspaltes die Einführung
eines Minimums für G erforderlich macht, ohne jedoch eine mechanische Berührung
zwischen dem Joch und dem Kern zu verursachen. Im Gegensatz zu - beispielsweise - einer
Phasenregelung des zugeführten Netzstroms ist die Bewegung im vorliegenden Fall sinusförmig,
so daß weniger akustische Geräusche verursacht werden, da kein Risiko bezüglich der
Erregung höherer Oberschwingungen in dem Förderer besteht. Darüber hinaus kann die
Hinzufügung einfacher Zählvorrichtungen für die Gegenstände für die tatsächliche Regelung der
Fördergeschwindigkeit für die Gegenstände verwendet werden.