Summary
Transportation of material has always been of importance to the economy. For long distances, by boat, plane, truck, or for short distances, by conveyors, people, etc. The belt conveyor has been proven to be cost-effective, for transporting large amounts of material, in many scenarios. Improvements have been made in the past decades on energy efficiency as well as environmental impact. One of these improvements is the possibility to save energy by means of speed control.
Energy efficiency decreases when the belt conveyor is not loaded to it’s designed potential. Therefore adjusting the speed, to make sure the belt is loaded correctly, could increase the energy efficiency of the system. However as a speed transition costs energy the possibilities of saving energy whilst using speed transitions should be researched. In this thesis the possi-bilities for saving energy while using this continues speed transition method, known as active speed control, is researched.
Past research has proven that start and stop procedures of belt conveyor systems increase the lifetime expectancy of the belt form said system. This is because a smooth acceleration profile for these procedures reduces the jerk on the belt. This should be a constraint of the system, as a lower lifetime expectancy is not desirable. Other constraints would be overload-ing the system or spillage of material. When the belt conveyor is run at a lower conveyoverload-ing speed to make sure it is filled correctly a sudden increase in feed rate could lead to the system overloading, or even spill material. As overloading the system and spillage of material is not desirable, these should be constraints. Every belt conveyor system will also have certain res-onance frequencies which need to be avoided, as they can cause damage to the system. These frequencies often occur at specific speeds, these speeds will also be a constraint for the speed controller. For the system to become more energy efficient a control algorithm is designed to lower the speed whilst honoring the constraints.
This control algorithm should be implemented in the induction motor control of the system. Since the implementation of start and stop procedures requires the belt conveyor system to have a Variable Frequency Drive (VFD), instead of a fluid coupling, these devices have be-come more popular. Unfortunately these devices are based on scalar control strategies, which cannot handle the speed transition, required for active speed control, well. Therefore other vector control based strategies should be used, such as Field Oriented Control (FOC) and Direct Torque Control (DTC). The implementation of these strategies only require some more sensors and adding computational power.
vi Summary
the induction motor can be controlled to handle the speed transitions and function within the boundaries of the constraints put on the system. This way the belt conveyor system can save energy whilst not reducing the belt’s life time expectancy or increase the risk of spillage or overloading the system.
The designed control algorithm for this research has proven to function within the boundaries of the constraints. Given the system has a long enough time window to speed up and slow down in, for safety precautions. The designed controller also saves energy in the researched scenario. The amount of energy it can save is dependent on for what peak the belt conveyor is designed, as well as the average feed rate of the operation. If the average feed rate of the operation is close to the peak rate the belt conveyor is designed for the energy saving possibilities are low (3-10%), but if the feed rate of the operation is lower than the peak rate the belt conveyor is designed for the energy savings are significantly higher (20-30%). The simulations of this research also show the difference between the two selected vector control based strategies. The FOC strategy shows a much more stable result than the DTC strategy. This is mainly due to time availability and the required computational power for long simulations with a short sample time. The sample time of the vector control based strategies influences the stability of the system on the one hand, but effect the duration of the simulation on the other hand. Since the FOC strategy is least influenced by this effect it is more stable, compared to the DTC strategy.
The conclusions of this research are the following:
1. Belt conveyor systems which use active speed control can save energy compared to non-controlled systems.
2. A correct control algorithm can save energy whilst honoring the constraints of spillage or overloading the system.
3. Start and stop procedures of belt conveyor systems that use a VFD can be transformed into active speed control systems.
4. Field Orientated Control is more stable than Direct Torque Control in simulations when a long sample time is used.
Samenvatting
Transport van materiaal is altijd van belang voor de economie. Voor lange afstanden, per boot, vliegtuig, vrachtwagen, of voor korte afstanden, door transportbanden, mensen, enz. De transportband is bewezen kosteneffectief te zijn, voor het vervoer van grote hoeveelheden materiaal, in veel scenario’s. Er zijn verbeteringen aangebracht in de afgelopen decennia op de energie-efficiëntie en milieu-impact van deze transportbanen. Een van deze verbeteringen is de mogelijkheid om energie te besparen door middel van snelheid regulering.
Energie-efficiëntie neemt af wanneer de transportband niet is geladen om het ontworpen po-tentieel. Daarom geeft het aanpassen van de snelheid, om te zorgen dat de band correct is geladen, de mogelijkheid de energie-efficiëntie van het systeem te verhogen. Maar een snelheid overgang kost energie, dus zal de mogelijkheid om energie te besparen tijdens het gebruik van snelheidsovergangen moeten worden onderzocht. In deze scriptie worden de mogelijkheden om energie te besparen door het gebruik van snelheidsovergangen, die bekend staat als actieve snelheid regulering, worden onderzocht.
Eerder onderzoek heeft aangetoond dat het start en stop proces van transportband syste-men de verwachte levensduur van de banden verhoogd. Dit komt omdat een soepel acceler-atieprofiel in deze processen de ruk aan de band vermindert. Dit is een beperking van het systeem, aangezien een lagere verwachte levensduur van de band niet wenselijk is. Andere beperkingen zouden worden overbelasting van het systeem of het verspillen van materiaal. Wanneer de transportband op een lagere transportsnelheid wordt gezet, om ervoor te zorgen dat deze goed gevuld is, zal een plotselinge toename van de voeding ervoor kunnen zorgen dat het systeem overbelast raakt, of zelfs materiaal verspilt. Omdat het niet wenselijk is dat het system overbelast raakt of materiaal verspilt zullen dit dan ook beperkingen zijn. Elke transportband zal ook bepaalde resonantiefrequenties hebben die moeten worden vermeden, aangezien deze beschadiging aan het systeem kunnen veroorzaken. Deze frequenties komen voor bij specifieke snelheden, daarom zullen deze snelheden ook een beperking zijn voor het regelalgoritme. Om het systeem energiezuiniger te maken is een regelalgoritme ontworpen dat de snelheid verlaagt terwijl het binnen zijn beperkingen blijft.
Het regelalgoritme zal in de inductiemotor controle van het systeem worden geïmplementeerd. Omdat de invoering van de start en stop processen een VFD vereist van transportban-den, in plaats van een vloeistofkoppeling, zijn deze apparaten steeds populairder geworden.
viii Summary
Helaas zijn deze apparaten gebaseerd op scalar control strategieën, die de snelheidovergan-gen, vereist actieve snelheid regulering, niet goed aankunnen. Hiervoor zijn andere, vector control gebaseerde, strategieën voor nodig, zoals FOC en DTC. Het implementeren van deze strategieën zou alleen vereisen dat er wat meer sensoren worden toegevoegd en wat meer rekenkracht.
Het regelalgoritme is geïmplementeerd in de controle van de vectoren gebaseerde strategieën. In een dergelijk scenario kan de inductiemotor worden gecontroleerd om de snelheid overgan-gen te reguleren binnen de grenzen van de beperkinovergan-gen van het systeem. Op deze manier kan het transportbanden systeem energie besparen, terwijl het niet de band zijn levensduur verwachting vermindert of het risico verhoogt op materiaal verspilling of overbelasting van het systeem.
Uit dit onderzoek is gebleken dat het ontworpen regelalgoritme blijkt te functioneren binnen de grenzen van de beperkingen. Het is wel nodig dat het systeem lang genoeg de tijd heeft om te versnellen en te vertragen voordat het materiaal op de band komt, in verband met veiligheidsmaatregelen. De ontworpen controller bespaart ook energie in het onderzochte sce-nario. De hoeveelheid energie die kan worden bespaard is afhankelijk van voor welke piek de transportband is ontworpen, alsmede de gemiddelde toevoer van materiaal van de operatie. Als de gemiddelde voeding van de operatie dichtbij de piekwaarde van de voeding, waarvoor de transportband is ontworpen, ligt zal de energiebesparende mogelijk laag zijn (3-10 %), maar als de voeding van de operatie is lager dan de piekwaarde, waarvoor de transportband is ontworpen, zal de energiebesparing significant hoger zijn (20-30 %).
De simulaties van dit onderzoek tonen ook het verschil tussen de twee geselecteerde vector control strategieën. De FOC strategie toont een veel stabieler resultaat dan de DTC strategie. Dit is voornamelijk te wijten aan de beschikbaarheid van tijd en de benodigde rekenkracht voor lange simulaties met een korte bemonsteringstijd. De bemonsteringstijd van de vector control strategieën beïnvloedt de stabiliteit van het systeem aan de ene kant, maar beïn-vloeden de duur van de simulatie anderzijds. Aangezien de FOC strategie het minste wordt beïnvloed door dit effect is deze strategie stabieler in vergelijking met de DTC strategie. De conclusies van dit onderzoek zijn de volgende:
1. Transportbanden systemen die gebruik maken van actieve snelheid regulering kunnen energie besparen ten opzichte van systemen die niet gereguleerd worden.
2. Een goed regelalgoritme kan energie besparen terwijl het de kans op overbelasting of materiaal verspilling binnen beperkingen houdt.
3. Start en stop processen van het transportbanden systeem die gebruik maken van een VFD kunnen worden getransformeerd naar actieve snelheid regulering systemen. 4. Field Orientated Control is stabieler dan Direct Torque Control in simulaties met een
