Solució Integrada Comprehensiva de Relés de Protecció basats en Microprocessadors Intel·ligents per a Motors Industrials

1. Fons i principals reptes del projecte

En la producció industrial moderna, els motors són l'equipament de potència central, la seva fiabilitat operativa afecta directament la continuïtat, la seguretat i l'eficiència econòmica de la línia de producció. No obstant això, els motors enfronten diversos reptes greus durant la seva operació:

• Condicions d'operació anòmal·les: Problemes com l'aturada durant l'arrancada o la operació, la pèrdua de fase i el desequilibri de corrent tri-fàsica poden causar ràpidament danys a l'equipament si no es resolen prontament.
• Riscos de sobrecalentament: El sobrecàrrega, la refrigeració inadequada o les altes temperatures ambientals poden provocar el sobrecalentament de les bobines, que és la causa principal de l'envelleciment de l'aïllament i el cremat del motor.
• Deficiències de protecció: Els dispositius de protecció tradicionals (p. ex., relés tèrmics) tenen defectes inerents com una precisió baixa en el disparador (±15% d'error), funcionalitat limitada i falta de capacitats d'avís anticipat, fent-los insuficients per a la manteniment intel·ligent i la producció d'alta fiabilitat.

Per abordar aquests reptes, presentem una nova generació de relés de protecció basats en microprocessadors que integren tecnologia de sensor avançada, algoritmes de fusió de múltiples paràmetres i plataformes IoT.

II. Components principals de la solució

Aquesta solució es centra en relés de protecció de baix consum basats en microprocessadors, oferint protecció completa i predictiva a través de la integració profunda de hardware i software.

1. Tecnologia de protecció de fusió de múltiples paràmetres
   Més enllà de la protecció contra sobrecorrent tradicional, aquesta tecnologia utilitza l'anàlisi de dades multidimensionals per aconseguir un disparador i alertes precisos.
• Protecció contra sobrecorrent inversa de alta precisió: Utilitza algoritmes de microprocessador per simular amb precisió les característiques tèrmiques del motor, superant els valors de disparador inconsistents dels relés tèrmics tradicionals. Això assegura corbes de protecció precises i evita disparadors falsos o faltes de funcionament.
• Protecció contra desequilibri de corrent negativa: Monitoritza en temps real l'equilibri de la corrent tri-fàsica. Quan el desequilibri supera el llindar establert (p. ex., 15%), el sistema detecta automàticament la pèrdua de fase o el desequilibri sever i activa avisos o accions de protecció per prevenir el sobrecalentament del rotor i les fluctuacions de torsió.
• Anàlisi del espectre de vibracions (opcional): Sensores de vibració integrats analitzen les característiques espectrals dels rodaments del motor i mecanismes de transmissió, identificant eficientment errors mecànics inicials com l'esgarrifança dels rodaments, bolts allargats i mal alineació. Això permet la protecció combinada elèctrica i mecànica.

Resultats d'aplicació: En una gran planta petroquímica de Xina, aquesta solució va reduir un 67% els errors dels motors causats per problemes elèctrics i mecànics i els costos de manteniment relacionats en un 42%.

1. Sistema de predicció i avís anticipat de pujada de temperatura intel·ligent
   Utilitza models algorítmics avançats per prevenir proactivament els riscos de sobrecalentament, passant de la "remediació reactiva" a la "prevenció proactiva."
• Principi de treball: El model tèrmic equivalent del motor integrat calcula dinàmicament la pujada de temperatura de les bobines i l'ús de la capacitat tèrmica, integrant la corrent de càrrega, les dades històriques d'operació i les entrades de temperatura ambient dels sensors.
• Avís anticipat: Si la tendència de temperatura predita de les bobines s'aproxima al límit de la classificació d'aïllament, el sistema emet un senyal d'avís anticipat 10 minuts abans, proporcionant suficient temps als operadors per intervenir, programar aturades ordenades o ajustar les càrregues.

Resultats d'aplicació: En una gran fàbrica d'acer, aquesta funció va prevenir amb èxit diversos incendis de motors causats per fallides del sistema de refrigeració i sobrecàrregues súbites. La precisió de la predicció de la temperatura va assolir el 91% en la pràctica.

1. Monitorització IoT sense fil i diagnòstic de plataforma cloud
   Permet el manteniment remot i la gestió digital, millorant significativament l'eficiència operativa.
• Transmissió de dades sense fil: El dispositiu de protecció integra mòduls de comunicació de xarxa d'àrea amplia de baix consum (LPWAN) (p. ex., LoRa) per transmetre de manera sense fil dades completives de l'operació del motor (corrent, tensió, temperatura, avisos, estat) a la plataforma cloud sense cablaments complexos.
• Diagnòstic i manteniment remots: Els enginyers i gestors poden accedir a la plataforma cloud mitjançant ordinadors o aplicacions mòbils per monitoritzar l'estat de salut de tots els motors en temps real, rebre alertes i informació d'errors, i realitzar diagnòstic i anàlisi remots.
• Explotació del valor de les dades: Les dades històriques acumulades a la plataforma es poden utilitzar per analitzar les tendències de degradació del rendiment de l'equipament, optimitzar els cicles de manteniment i implementar manteniment predictiu, proporcionant suport basat en dades per a les decisions de producció.

Resultats d'aplicació: En una fàbrica de cement, el temps de resposta mitjà a les fallides es va reduir de 2 hores a menys de 15 minuts després de la implementació del sistema de monitorització IoT. Els operadors podien accedir immediatament a la informació de fallides i causes possibles, reduint significativament el temps de resolució de problemes i reduint l'aturada no planificada en un 58%.

III. Resum de les avantatges de la solució

• Més precisa: Algoritmes de microprocessador substitueixen les estructures mecàniques, assegurant protecció precisa sense disparadors falsos o faltes de funcionament.
• Més completa: Integra la protecció elèctrica, tèrmica i mecànica per cobrir una àmplia gamma de tipus d'errors.
• Més proactiva: Avisos predictius basats en models prevenc accidents abans que ocorrin, en lloc de reaccionar després del fet.
• Més intel·ligent: L'arquitectura IoT permet la interconnectivitat dels dispositius, suporta la monitorització remota i l'anàlisi de dades massives, i serveix com a base per a la fabricació intel·ligent i fàbriques digitals.