CC BY
66
УДК 62-83: 621.867 Шр8:/Мо1.ог^10.18503/2311-8318-2019-2(43)-54-59
Метельков В.П., Либерман Я. Л.
УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
К ВОПРОСУ О ВЫБОРЕ РЕЖИМА ПУСКА ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА
В статье обсуждаются проблемы, связанные с пуском длинного ленточного конвейера, приводимого в движение асинхронным двигателем. Рассматриваются динамические нагрузки в ленте конвейера при пуске, вызывающие проскальзывание конвейерной ленты на тяговом барабане, ведущее к ее преждевременному износу. Актуальность темы связана с высокой стоимостью конвейерной ленты, достигающей 60% от стоимости всего конвейера и более. Целью работы является выяснение возможностей сокращения износа конвейерной ленты, в том числе за счет использования для этого возможностей, предоставляемых системой электропривода. Отмечается возможность снижения вероятности проскальзывания конвейерной ленты за счет увеличения начального натяжения ленты. Однако постоянное большое натяжение также ускоряет износ ленты. Для решения этой проблемы предлагается использование устройств автоматического регулирования натяжения, а также уменьшение динамических нагрузок в ленте путем использования устройств плавного пуска на основе тиристорного преобразователя напряжения, обеспечивающего регулирование амплитуды напряжения на статоре двигателя. Обсуждаются особенности нагрева асинхронного двигателя при пуске с постоянной скоростью вращения магнитного поля. Рассматривается взаимосвязь длительности пуска и нагрева статор-ной обмотки двигателя с динамическими нагрузками, возникающими в конвейерной ленте в пусковых режимах. Приводятся результаты моделирования, полученные с помощью пакета БтиНпк. Поскольку длительные пусковые режимы асинхронных электроприводов на основе тиристорных преобразователей напряжения могут приводить к перегреву двигателя, особенно при повторных пусках конвейера при полной нагрузке и в условиях жаркого климата, в пусковых режимах целесообразно использовать устройства автоматического регулирования натяжения ленты конвейера, обеспечивая этим уменьшение преждевременного износа ленты при снижении нагрева двигателя конвейера.
Ключевые слова: конвейер, асинхронный двигатель, устройство плавного пуска, динамические нагрузки, моделирование, тяговый фактор, обмотка статора, нагрев.
Введение
Ленточные конвейеры - один из наиболее распространенных видов транспортирующих машин. Они применяются в производстве стройматериалов и строительстве, металлургии и в горнодобывающей промышленности, в пищевой промышленности и сельском хозяйстве... Предназначаются такие конвейеры для перемещения сыпучих и кусковых материалов и могут иметь различные конструкции. Тем не менее все они состоят из трех основных частей: головной, включающей в себя приводной барабан с механизмом его вращения и электродвигателем, средней, представляющей собой специальную металлоконструкцию с роликоопорами, и хвостовой, включающей в себя натяжной барабан с механизмом его линейного перемещения. Барабаны конвейера охвачены бесконечной (замкнутой) лентой, выполняющей функции несущего (транспортирующего) и тягового органа, причем ее верхняя ветвь является грузовой, а нижняя - холостой. Конвейерные ленты могут выполняться резинотканевыми и резинотросовыми. Первые состоят из 3-8 тканевых прокладок, между которыми находится резина, и используются для перемещения грузов на небольшие расстояния (до 150 м). Вторые представляют собой ряд параллельных тросов, защищенных резиновыми обкладками и используются в магистральных конвейерах (длиной до 2000 м). Ширина первых обычно не превышает 1 м, вторых иногда достигает 2 м.
Работают ленточные конвейеры в различных производственных и климатических условиях: на открытом воздухе и под землей, в отапливаемом и неотапливаемом помещении, при значительных колебаниях температуры окружающей среды, ее влажности и за-
© Метельков В.П., Либерман Я.Л., 2019
пыленности. Работоспособность конвейеров в указанных условиях во многом определяется коэффициентом сцепления ксц ленты и барабана. Поэтому поверхность последнего в одних случаях выполняется гладкой стальной (ксц достигает 0,35), в других случаях футеруется прорезиненной лентой (ксц достигает 0,4) или даже просто резиной (ксц достигает 0,5). Но коэффициент Ксц в процессе эксплуатации конвейера не остается постоянным. Лента вытягивается и изнашивается, поверхность барабана независимо от наличия футеровки также подвергается износу. В результате ксц может снизиться до величины 0,1 и менее, что, в свою очередь, может повлечь за собой проскальзывание ленты по барабану.
Величина Ксц весьма существенно зависит от натяжения ленты, поэтому последнюю для гарантирования ксц=тах и предотвращения проскальзывания обычно выбирают с запасом. Однако, в таком случае возможно неоправданное перенатяжение ленты, приводящее к ее преждевременному старению. Как следствие, может потребоваться неплановая замена ленты и дополнительно к этому ремонт барабана. При этом не известно точно, какое начальное натяжение потребуется каждый раз при изменении внешних условий (величины нагрузки, увлажнении ленты).
Экономические расчеты показывают, что стоимость ленты составляет в среднем 50...60% стоимости конвейера, а для шахтных конвейеров достигает 67% [1]. Статистические исследования, полученные при эксплуатации лент на предприятиях чёрной и цветной металлургии, дают следующее распределение видов разрушения ленты: рабочей обкладки - 56%, каркаса -20%, бортов - 13% [2]. В [3] указывается, что экспериментальными исследованиями установлено, что на износ нижней обкладки, в том числе от пробуксовки,
для протяженных ленточных конвейеров составляет более 50% от всех видов износа. Таким образом, ускоренный износ ленты приводит к очень серьезным экономическим потерям.
Во избежание отмеченной выше проблемы, авторами статьи разработаны три варианта системы автоматического регулирования натяжения конвейерной ленты, обеспечивающие не максимальное, а необходимое и достаточное натяжение [4-6]. Сущность предложений базируется на сравнении угловых скоростей приводного и натяжного барабанов конвейера. Соотношение их скоростей изменяется при появлении проскальзывания ленты. В зависимости от результатов сравнения скоростей выполняется перемещение оси натяжного барабана, создающее требуемое натяжение. При использовании предлагаемых решений нет необходимости постоянно завышать натяжение в процессе работы конвейера, благодаря чему снижается износ ленты.
Динамические нагрузки в ленте конвейера
И ПУТИ ИХ УМЕНЬШЕНИЯ
Конвейер представляет собой электромеханическую систему с упругим тяговым органом и распределёнными по его длине параметрами: массами перемещаемого груза и тягового органа, усилиями сопротивления движению. Поэтому при пуске ленточных конвейеров большой длины происходит распространение упругих колебаний вдоль ленты. В этом случае динамические усилия суммируются со статическими и могут вызывать нарушение условий отсутствия проскальзывания ленты на барабанах, а также приводить к недопустимому увеличению нагрузок в звеньях механизма [7]. Колебательные явления в ленте приводят к сокращению срока ее службы [8], особенно опасны они при запуске загруженного конвейера [9].
В процессе установившегося движения конвейера предложенные системы для автоматического регулирования натяжения ленты работают вполне удовлетворительно. Если, однако, пуск конвейера производится резко, то в их функционировании не исключены сбои, обусловленные запаздыванием начала вращения натяжного барабана из-за упругости ленты и инерционных нагрузок на нее. По этой причине, а также во избежание порывов ленты конвейеры, даже оснащенные предложенными системами регулирования, как правило, следует запускать достаточно плавно, ограничивая динамические нагрузки. Для решения задачи ограничения таких нагрузок и предотвращения проскальзывания ленты при пуске конвейеров, приводимых в движение асинхронными двигателями (АД), в современной практике используются устройства плавного пуска (УПП) на основе тиристорных преобразователей напряжения (ТПН).
Моделирование показывает, что в разомкнутой системе асинхронного электропривода с УПП из-за волновых процессов при пуске длинных конвейеров не удается эффективно ограничить динамические нагрузки в конвейерной ленте. В результате амплитуда сил натяжения в конвейерной ленте при использовании УПП в разомкнутой системе электропривода мало отличается от случая прямого пуска из-за того, что не удается сформировать желаемую форму графика мо-
мента приводного двигателя в переходном процессе [10]. Наиболее эффективно использование УПП в замкнутых системах электропривода, что создает возможность целенаправленного формирования желаемой зависимости момента двигателя от времени. Структуры таких систем для приводов с АД хорошо отработаны в современной теории и практике электропривода, в том числе и для электроприводов, управляемых по амплитуде первой гармоники напряжения [11]. При этом имеется возможность строить системы электропривода с АД на основе ТПН с бездатчиковым формированием обратной связи по скорости, что повышает надежность функционирования системы [12].
На рис. 1 показаны результаты моделирования пуска под нагрузкой конвейера длиной 139 м с грузовым натяжным устройством, со скоростью движения ленты 1,6 м/с и производительностью 600 т/ч, приводимого в движение двигателем 4А225М4 мощностью 55 кВт. Лента моделировалась как звено с распределенными по длине параметрами.
Для оценки величины нагрузок в конвейерной ленте выбрана величина натяжения в зоне набегания грузовой (верхней) ветви ленты на приводной барабан, где наблюдается наибольшая амплитуда сил натяжения. Процессы на рис. 1 построены для начального натяжения ленты ^нат0=16,7 кН. На рис. 1 показаны графики отношения натяжений набегающей ^ и сбегающей 5"сб ветвей ленты при пуске в замкнутой по скорости системе с УПП и с темпом задатчика интенсивности, обеспечивающим разгон за 5, 10 и 50 с. Видно, что соотношение натяжений очень существенно зависит от темпа разгона. Отметим, что процессы для времени разгона 5 и 10 с, полученные на модели, не могли бы быть реализованы на практике из-за слишком больших максимумов отношения ^нб/^сб, при которых будет возникать пробуксовка. Для отсутствия пробуксовки требуется, чтобы выполнялось условие Sнб/Sсб < еца, где ц - коэффициент трения ленты о поверхность барабана; а - угол обхвата лентой барабана, рад. Величину еца, определяющую тяговую способность барабана, называют тяговым фактором. Для конструкции конвейера с одним приводным барабаном тяговый фактор имеет величину порядка 3,0 [13].
Рис. 1. Графики отношения натяжений набегающей и сбегающей ветвей ленты для продолжительности пуска 5 , 10 и 50
Таким образом, для обеспечения требуемой плавности разгона конвейера и эффективного снижения динамических нагрузок в конвейерной ленте необходимо задавать достаточно большое время пуска. Однако при длительном процессе пуска в системе ТПН-АД приходится сталкиваться с быстрым нарастанием температуры обмоток АД, что вызывается большой величиной греющих потерь, выделяющихся при низких скоростях в процессе пуска, происходящего при постоянной скорости вращения магнитного поля АД.
Тепловое состояние приводных двигателей
КОНВЕЙЕРОВ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ПУСКЕ
Выясним связь между темпом нарастания скорости и нагревом обмоток АД в системе с УПП на основе ТПН. Будем рассматривать нагрев обмотки статора, так как эта обмотка изолированная, что увеличивает подверженность ее последствиям термических перегрузок. Получим выражения для повышения температуры обмотки статора при пуске Де,. Оно определяется выделившейся энергии и ушедшей в охлаждающую обмотку статора среду Жцо0и{.
„ Ж " Ж ,
ДА _ Е;_;.оы'
;= С
'п
(1)
(2)
где ДРЕх - суммарная мощность потерь в обмотке статора ; С, - теплоемкость обмотки статора.
0 к=1
(3)
В состав энергии кроме энергии входят еще джоулевы потери от гармоник тока статора (ЖЕх=кхпЖя где кхп - коэффициент, учитывающий потери в обмотке статора от высших гармоник в случае работы электропривода с тиристорным преобразователем напряжения).
Подъем средней температуры обмотки статора при адиабатическом нагреве запишем как
де' = ж / с .
(4)
Энергию, отдаваемую в окружающую среду, можно представить следующим образом.
'п
=К о* (0[де, (')-Де,оН' (')]Л'. (5)
0
где *хои/(0 - теплоотдача от обмотки статора в окружающую среду; Де//) - зависимость от времени превышения средней температуры обмотки статора над начальным значением; Дехои/(/) - зависимость от времени превышения средней температуры окружающей среды над начальным значением.
Е, Де,.ом'.1 *;.оы"
Де = '=1
,.оШ I
(6)
где Дех.ои,/ - превышение температуры /-го элемента окружающей среды, к которому направлен тепловой поток от ротора; К.ои1., - теплопроводность от ротора к /-му элементу окружающей среды; I - количество элементов, к которым уходит тепловой поток от ротора.
Обозначим
у* (Л _ *,.оы1 (') *;.оы' (' ) у :
(7)
где *,оим - теплоотдача от обмотки статора в окружающую среду при номинальной скорости двигателя.
Если обозначить Дех(/)- Декои(() как кехДех(/), то можно записать выражение (1) с учетом (4), (5) и (7) как
к 'п Де =Де - ке;
т
/*;.оы' (' )Де, (') Л, (8)
;.ШЫ 0
где к- усредненное за время пуска значение коэффициента кех, а ТХои/д=С5/ХХои/дг отношение теплоемкости обмотки статора к суммарной теплоотдаче от нее к окружающим элементам и охлаждающему воздуху при номинальной скорости.
Зависимость относительной теплоотдачи можно аппроксимировать выражением
**.оы' (' ) = а„ + ь*
шр;
(')
й
(9)
где а*,, Ь*х=1-а*х и Р, - константы.
Решение интегрального уравнения, математически идентичного уравнению (8), было получено в [14]. Следуя [14], получим решение уравнения (8) в виде
X;
т
в =
(
пР; +1
й„
ЛР;
V у
Рассмотрим влияние продолжительности пуска привода в системе ТПН-АД на нагрев обмотки статора. Энергию, выделяющуюся в обмотке статора АД при пуске с постоянной скоростью вращения магнитного поля, можно представить следующим образом [15]:
1 Я
ж = • —ж„
я.
(11)
где к1 - усредненное отношение тока ротора к току статора при пуске; ^ - усредненное значение сопротивления ротора с учетом вытеснения тока.
Используя соотношение (11), можно из выражения (10) получить условие, при котором увеличение продолжительности пуска за счет уменьшения ограничения тока статора (в системе, замкнутой по току статора) или за счет уменьшения темпа задатчика интенсивности (в системе, замкнутой по скорости) будет приводить к снижению нагрева обмотки:
Щ >
-Х;'п (+ В; )''
(12)
0
1=1
где Wrс - доля энергии, выделяющейся за время пуска в обмотке ротора, определяемая работой по преодолению момента сопротивления со стороны механизма; Wк - кинетическая энергия, запасаемая в маховых массах привода за время разгона.
Отметим, что соотношение (12) носит очень приближенный характер. Можно получить более точные соотношения для оценки возможности влиять на нагрев обмотки статора посредством управления пуском АД с помощью ТПН. Представим соотношение (4) как
, Ж + Ж
д0 _ .у.еоп.,_,.уаг
5= С
(13)
где Ws.Const - составляющая выделившейся в обмотке статора энергии, не зависящая от времени пуска; Ws.var - составляющая, пропорциональная времени пуска.
Обозначим р r=WSvVar/tП. Тогда можем представить (10) как
АЭ =
Ж
+ Р.
,.уаг п
С* [1 -ХА (^ + В,)] •
(14)
Для того чтобы при увеличении продолжительности пуска максимум температуры обмотки статора уменьшался, необходимо выполнение условия ёАд$/Жп<0. Не представляет трудности убедиться, что это условие достигается при выполнении условия
Ж >
5. СОПБ1
Р,
-Х, (а,, + В,) •
(15)
Оценим выполнение условия (12) для привода конвейера. Известны выражения для потерь энергии в обмотке статора АД при пуске в системе ТПН-АД с заданным ускорением [16, 17]:
Ж, =
к,.п АР*МШ0 (Д - А)
вМ,
(16)
где ДРд - номинальная мощность потерь в обмотке статора; в - ускорение; и 5кон - номинальное и конечное скольжение; =[(1-Л)/2%](1-520Н);
£2=Л%1П(5К0Н);Л~(1о/1Д2 [18].
Выразив момент двигателя как М=./епрв+Мс, а также в=юкон/4, из (16) получим:
Ж
Р,.уаг
АР^пр^р ( Д - Дг ) Мм
КпАР^Мс®0 (Д - Дг )
®конМ
(17)
(18)
Из (12), а также (17) и (18) вытекает, что при разгоне в системе ТПН-АД с постоянными величинами момента двигателя и момента сопротивления снижение темпа разгона приведет к снижению нагрева обмотки статора только при выполнении условия
Лпр >
М„
-Х,(
В,)
ю„
(19)
При параметрах упомянутого выше привода конвейера условие (19) выполнялось бы только, если бы величина ^пр превышала 580 кг-м2, в то время как она составляет лишь 2,8 кг-м2 при полной загрузке ленты. Следовательно, при таком соотношении параметров привода, а оно весьма типично для конвейерных электроприводов, при уменьшении темпа разгона нагрев обмотки статора будет только возрастать, что и подтверждается моделированием. Также отметим, что при пуске после аварийного останова с короткой паузой максимальная температура обмотки может оказаться существенно выше, чем при пуске из холодного состояния. Это хорошо видно на рис. 2, где показано изменение температуры элементов двигателя после перезапуска из нагретого состояния при температуре окружающей среды 25°С и начальном натяжении ленты Рнат0=16,7 кН. Здесь обозначены температуры: 1 и 2 -лобовых и пазовых частей обмотки статора; 3 - усредненная температура ротора; 4 - стали статора; 5 - станины. Здесь важно учитывать, что превышение температуры изоляции обмотки двигателя над допустимым значением температуры для данного класса нагрево-стойкости приводит к удвоению скорости термического старения изоляции на каждые 8...10°С превышения. Отметим, что в двигателе 4А225М4 используется изоляция с классом нагревостойкости Б, для которой по ГОСТ допустимая температура составляет 155°С.
Таким образом хорошо видно, что попытка снизить динамические нагрузки в ленте и вероятность пробуксовки за счет снижения темпа разгона приводит к увеличению нагрева двигателя. Эта закономерность отражена на рис. 3, где представлены результаты моделирования механических процессов конвейерной ленты и термодинамических процессов в приводном двигателе 4А225М4 при разных величинах темпа разгона (каждая точка на этом рисунке соответствует определенному темпу разгона, для которого показаны значения максимума Sнб/Sсб и максимума температуры лобовых частей обмотки статора (0лоб.тах) при однократном пуске из холодного состояния при 60=40°С). Здесь обозначено: □ - Рнат0=15,0 кН; о - рнат0=16,5 кН; А - Рнат0=18,0 кН, пунктиром показаны тренды, штрих-пунктирные линии указывают на пересечение трендом уровня тягового фактора еца= 3,0. На рис. 3 видно, что стремление снизить соотношение натяжений Sнб/Sсб при пуске за счет снижения темпа разгона до приемлемого по условиям пробуксовки значения может приводить к очень сильному нагреву обмотки статора, е. "с
200--
150 -
100 -
50
1
3 7 2
4 /_
5^
0
10
20
30
40
^ с
Рис. 2. Температура элементов двигателя при перезапуске
4,5 •
4 ■
3,5 •
2,5 •
2
^нб^сб
a
'o \ ^15,0 кН
.......\ \ .16,5 кН
□ V----Q-. . о '---О.. о
I « ----
I
1 18,0 кН
j-
50 100 150 елоС,тш. "С
Рис. 3. Максимумы Л'||б/Л'с6 и 0лоб при различном темпе разгона конвейере
Как следует из рис. 3, снизить нагрев обмотки статора при использовании УПП на основе ТПН можно за счет сокращения времени запуска. Однако для предотвращения пробуксовки при этом потребуется снизить максимум отношения ^нб/^сб в процессе разгона. С этой целью возможно использование упомянутых выше технических решений, обеспечивающих автоматическую коррекцию величины натяжения ленты, что позволяет использовать более быстрый разгон, снижая тем самым нагрев двигателя к концу пуска.
Заключение
Аналитическим путем, а также с использованием компьютерного моделирования для асинхронных электроприводов конвейеров показано следующее:
- для ограничения динамических нагрузок в пусковых режимах конвейеров и ограничения проскальзывания ленты требуется использовать замкнутые системы электропривода, обеспечивающие возможность организации плавного пуска;
- длительные пусковые режимы асинхронных электроприводов на основе ТПН могут приводить к перегреву двигателя, особенно при повторных пусках конвейера при полной нагрузке и в условиях жаркого климата;
- с целью обеспечения возможности ускорения пусковых процессов конвейера при отсутствии проскальзывания и преждевременного износа ленты, а также снижения нагрева двигателя конвейера в пусковых режимах целесообразно использовать устройства автоматического регулирования натяжения ленты конвейера.
Список литературы
1. Методика выбора параметров резинотканевых конвейерных лент для карьеров и дробильных фабрик предприятий чёрной металлургии при помощи ЭВМ. Свердловск: ИГД МЧМ СССР, 1982. 28 с.
2. Полунин В.Т., Гуленко Г.Н. Эксплуатация мощных конвейеров. М.: Недра, 1986. 344 с.
3. Кожубаев Ю.Н. Снижение интенсивности изнашивания транспортерных лент протяженных конвейеров средствами электропривода с нечетким регулятором: автореф. дис... к.т.н. 05.09.03. СПб., 23 с.
4. Пат. на полезную модель № 96565 Российская Федерация, МПК Б650 23/44 (2006.01). Ленточный конвейер / Я.Л. Либерман, В.П. Метельков. № 2009147425/22, за-явл. 21.12.2009; опубл. 10.08.2010, бюл. № 22.
5. Пат. на полезную модель № 96564 Российская Федерация, МПК Б650 15/28 (2006.01). Ленточный конвейер / Я.Л. Либерман, В.П. Метельков. № 2009147427/22, за-явл. 21.12.2009; опубл. 10.08.2010, бюл. № 22.
6. Пат. на полезную модель № 97721 Российская Федерация, МПК Б650 23/44 (2006.01). Конвейер / Я.Л. Либерман, В.П. Метельков. № 2009147433/11, заявл. 21.12.2009; опубл. 20.09.2010, бюл. № 26.
7. Галкин В.И. Современная теория ленточных конвейеров горных предприятий / В.И. Галкин, В.Г. Дмитриев, В.П. Дьяченко, И.В. Запенин, Е.Е. Шешко. М.: Горная книга, Изд-во Моск. гос. горного ун-та, 2011. 545 с.
8. Дмитриев В.Г., Галкин В.И. Исследование динамических нагрузок на роликоопорах загрузочных и линейных секций ленточных конвейеров при транспортировании крупных кусков // Изв. вузов. Горный журнал. 1975. № 1. С. 108-112.
9. Турпищева М.С., Дульгер Н.В., Пенский В.К. Проблемы надежности ленточных конвейеров портовых зерновых терминалов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология, 2015. №1. С. 109-112.
10. Зюзев А.М., Метельков В.П. Исследование пусковых режимов электропривода конвейеров // Электротехника. 2009. № 9. С. 41-45.
11. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением. М.: Энергоатомиздат, 1988. 224 с.
12. Зюзев А.М., Нестеров К.Е. Методы косвенной оценки скорости двигателей в системах ТПН-АД // Электротехника. 2009. № 9. С. 45-49.
13. Шахмейстер Л.Г., Дмитриев В.Г. Теория и расчет ленточных конвейеров. М.: Машиностроение, 1987. 336 с.
14. Зюзев А.М., Метельков В.П. Аналитический метод оценки нагрева обмотки ротора высоковольтных асинхронных двигателей в пусковых режимах // Электротехнические системы и комплексы. 2017. № 1 (34). С. 60-67.
15. Асинхронные двигатели общего назначения / Е.П. Бойко, Ю.В. Гаинцев, Ю.М. Ковалев и др.; под ред. В.М. Петрова, А.Э. Кравчика. М.: Энергоатомиздат, 1980. 488 с.
16. Браславский И.Я., Ишматов, З.Ш. Поляков В.Н. Энергосберегающий асинхронный электропривод. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 256 с.
17. Браславский И.Я., Зюзев А.М. Опыт внедрения тири-сторных электроприводов с фазовым управлением // Автоматизированный электропривод. Вып. 3. Свердловск: ЦНТИ, 1981. 47 с.
18. Браславский И.Я. О снижении энергопотребления асинхронных электроприводов с тиристорными преобразователями напряжения // Электричество. 1988. № 11. С. 58-60.
Поступила в редакцию 06 марта 2019 г.
Information in English
3
Choosing the Belt Conveyor Start Mode
Vladimir P. Metelkov
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Electric Drive and Automation of Industrial Plants, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Ekaterinburg, Russia. E-mail: [email protected]
Yakov L. Liberman
Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Machines and Tools, Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin, Ekaterinburg, Russia. E-mail: [email protected]
The paper is concerned with the problems associated with starting a long conveyor driven by an induction motor. We consider the dynamic loads in the conveyor belt during start-up, which cause slippage of the conveyor belt on the traction drum leading to its premature deterioration. The relevance of the topic is associated with the high cost of the conveyor belt reaching 60% of the cost of the entire conveyor and more. The aim of the work is to ascertain the possibilities of reducing the wear of the conveyor belt, for example, through the use of the possibilities provided by the system of the electric drive. The possibility of reducing the probability of the conveyor belt slippage by increasing the initial belt tension is noted. However, constant high tension also accelerates belt deterioration. To solve this problem, the use of automatic tension control devices is proposed, as well as the reduction of dynamic loads in the belt by using soft starters based on a thyristor voltage converter, which regulates the amplitude of voltage on the motor stator. The features of an asynchronous motor heating when starting with a constant speed of rotation of the magnetic field are discussed. The interrelation between the start-up duration and the motor stator winding heating with the dynamic loads occurring in the conveyor belt in start-up modes is considered. Modeling results obtained using the Simulink package are presented. Since long start-up modes of asynchronous electric drives based on thyristor voltage converters can lead to motor overheating, especially when the conveyor is restarted under full load and in hot climates, it is advisable to use automatic conveyor belt tension control devices during start-up modes thereby reducing premature belt deterioration together with a decrease in the conveyor motor heating.
Keywords: conveyor, induction motor, soft-starter,
dynamic loads, modeling, traction factor, stator winding, heating.
References
1. Metodika vybora parametrov rezinotkanevykh konveyyernykh lent dlya karyerov i drobilnykh fabrik predpriyatiy chornoy metallurgii pri pomoshchi EVM [Methods of selection of parameters of rubber-fabric conveyor belts for quarries and crushing factories of ferrous metallurgy enterprises using a computer]. Sverdlovsk: IGD MCHM USSR, 1982. 28 p. (In Russian)
2. Polunin V.T., Gulenko G.N. Ekspluatatsiya moshchnykh konveyyerov [Exploitation of powerful conveyors]. Moscow: Nedra, 1986. 344 p. (In Russian)
3. Kozhubayev YU.N. Snizheniye intensivnosti iznashivaniya transporternykh lent protyazhennykh konveyyerov sredstvami elektroprivoda s nechetkim regulyatorom [Reducing the wear rate of conveyor belts of long conveyors by means of an electric drive with a fuzzy regulator. Abstract of Ph.D. diss.]. St. Petersburg, 2016. 23 p.
4. Liberman Ya.L., Metelkov V.P. Lentochnyy konveyyer [Belt conveyor]. Patent RF, no. 96565, 2010. Bull. no. 22.
5. Liberman Ya.L., Metelkov V.P. Lentochnyy konveyyer [Belt conveyor]. Patent RF, no. 96564, 2010. Bull. no. 22.
Метельков В.П., Либерман Я.Л. К вопросу о выборе режима пуска ленточного конвейера // Электротехнические системы и комплексы. 2019. № 2(43). С. 54-59. https://doi.org/10.18503/2311-8318-2019-2(43)-54-59
6. Liberman Ya.L., Metelkov V.P. Konveyyer [Conveyor]. Patent RF, no. 97721, 2010. Bull. no. 26.
7. Galkin V.I., Dmitriyev V.G., Dyachenko V.P., Zapenin I.V., Sheshko Ye.Ye. Sovremennaya teoriya lentochnykh konveyyerov gornykh predpriyatiy [Modern theory of belt conveyors of mining enterprises]. Moscow: Gornaya kniga Publ, 2011, 545 p. (In Russian)
8. Dmitriyev V.G., Galkin V.I. Investigation of dynamic loads on roller support of loading and linear sections of belt conveyors during transportation of large pieces. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. [University news. Mountain Journal], 1975, no 1, pp. 108-112. (in Russian)
9. Turpishcheva M.S., Dulger N.V., Penskiy V.K. Issues of reliability of belt conveyers of port grain terminals. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of Astrakhan State Technical University]. Series: Marine Engineering and Technology, 2015, no. 1, pp. 109-112. (in Russian)
10. Zyuzev A.M., Metelkov V.P. [Study of Start-Up Modes of Conveyor Drives]. Elektrotekhnika [Russian Electrical Engineering], 2009, no. 9, pp. 41-45. (in Russian)
11. Braslavskiy I.Ya. Asinkhronnyy poluprovodnikovyy elektroprivod s parametricheskim upravleniyem [Asynchronous semiconductor electric drive with parametric control]. Moscow: Energoatomizdat, 1988. 224 p. (in Russian)
12. Zyuzev A.M., Nesterov K.Ye. Methods for indirect estimation of motor speed in TVC-IM systems. Elektrotekhnika [Russian Electrical Engineering], 2009, no. 9, pp. 45-49. (in Russian)
13. Shakhmeyster L.G., Dmitriyev V.G. Teoriya i raschet lentochnykh konveyyerov [Theory and calculation of belt conveyors]. Moscow: Mashinostroyeniye, 1987. 336 p. (In Russian)
14. Zyuzev A.M., Metelkov V.P. Analytical Method for Evaluation of High-Voltage Induction Motor Rotor Winding Heating at Start-Up Mode. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotechnical Systems and Complexes], 2017, no. 1 (34), pp. 60-67. (In Russian)
15. Boyko Ye.P., Gaintsev Yu.V., Kovalev Yu.M., et al. Asinkhronnyye dvigateli obshchego naznacheniya [Asynchronous motors of general purpose], under the editorship of V.M. Petrov, A.E. Kravchik. Moscow: Energoatomizdat, 1980. 488 p. (In Russian)
16. Braslavskiy I.Ya., Ishmatov, Z.Sh. Polyakov V.N. Energosberegayushchiy asinkhronnyy elektroprivod [Energy saving asynchronous electric drive]. Moscow: Publishing Center "Academy", 2004. 256 p. (In Russian)
17. Braslavskiy I.Ya., Zyuzev A.M. Opyt vnedreniya tiristornykh elektroprivodov s fazovym upravleniyem [Experience in the implementation of thyristor drives with phase control]. Automated electric drive. Issue 3. Sverdlovsk: CNTI, 1981. 47 p. (In Russian)
18. Braslavskiy I.Ya. [Reducing the energy consumption of asynchronous electric drives with thyristor voltage converters]. Elektrichestvo [Electricity], 1988, no. 11, pp. 58-60. (In Russian)
Metelkov V.P., Liberman Ya.L. Choosing the Belt Conveyor Start Mode. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy [Electrotechnical Systems and Complexes], 2019, no. 2(43), pp. 54-59. (In Russian). https://doi.org/10.18503/2311-8318-2019-2(43)-54-59
