Soluzione Integrata Comprehensiva di Relè di Protezione a Microprocessore per Motori Industriali

1. Contesto del progetto e principali sfide​

Nella produzione industriale moderna, i motori costituiscono l'attrezzatura di potenza centrale, la cui affidabilità operativa influisce direttamente sulla continuità, la sicurezza ed l'efficienza economica della linea di produzione. Tuttavia, durante l'operazione, i motori affrontano diverse sfide gravi:

• ​Condizioni di funzionamento anomale: Problemi come il blocco all'avvio o durante l'operazione, la perdita di fase e l' squilibrio della corrente trifase possono rapidamente portare a danni dell'equipaggiamento se non vengono affrontati tempestivamente.
• ​Rischi di surriscaldamento: Sovraccarico, raffreddamento inadeguato o temperature ambientali elevate possono causare il surriscaldamento delle avvolgimenti, che è la causa principale dell'invecchiamento dell'isolamento e del bruciamento del motore.
• ​Carenze nella protezione: I dispositivi di protezione tradizionali (ad esempio, i relè termici) presentano difetti intrinseci come bassa precisione di scatto (±15% di errore), funzionalità limitate e mancanza di capacità di avviso precoce, rendendoli inadeguati per la manutenzione intelligente e la produzione ad alta affidabilità.

Per affrontare queste sfide, introduciamo una nuova generazione di relè di protezione basati su microprocessori che integrano tecnologie di sensoristica avanzata, algoritmi di fusione multi-parametrica e piattaforme IoT.

​II. Componenti chiave della soluzione​

Questa soluzione si concentra su relè di protezione ad alte prestazioni basati su microprocessori, fornendo una protezione completa e predittiva attraverso un'integrazione profonda di hardware e software.

1. ​Tecnologia di protezione con fusione multi-parametrica​
   Andando oltre la protezione contro sovracorrente tradizionale, questa tecnologia utilizza l'analisi multidimensionale dei dati per ottenere scatti e allarmi precisi.
• ​Protezione contro sovracorrente a tempo inverso ad alta precisione: Utilizza algoritmi di microprocessore per simulare con precisione le caratteristiche termiche del motore, superando i valori di scatto inconsistenti dei relè termici tradizionali. Questo garantisce curve di protezione accurate e evita falsi scatti o mancate azioni.
• ​Protezione contro lo squilibrio di corrente sequenziale negativa: Monitora in tempo reale l'equilibrio della corrente trifase. Quando lo squilibrio supera la soglia impostata (ad esempio, 15%), il sistema rileva automaticamente la perdita di fase o uno squilibrio grave e attiva allarmi o azioni protettive per prevenire il surriscaldamento del rotore e le fluttuazioni di coppia.
• ​Analisi spettrale delle vibrazioni (opzionale)​: Sensori di vibrazione integrati analizzano le caratteristiche spettrali dei cuscinetti del motore e dei meccanismi di trasmissione, identificando efficacemente guasti meccanici iniziali come l'usura dei cuscinetti, dadi allentati e disallineamenti. Questo consente una protezione combinata elettrica e meccanica.

​Risultati applicativi: In una grande raffineria petrolchimica in Cina, questa soluzione ha ridotto del 67% i guasti dei motori causati da problemi elettrici e meccanici e i costi di manutenzione correlati del 42%.

1. ​Sistema predittivo e di avviso precoce di aumento della temperatura​
   Utilizza modelli algoritmici avanzati per prevenire proattivamente i rischi di surriscaldamento, passando da "correzione reattiva" a "prevenzione proattiva."
• ​Principio di funzionamento: Il modello termico equivalente del motore integrato calcola dinamicamente l'aumento in tempo reale della temperatura degli avvolgimenti e l'utilizzo della capacità termica, integrando la corrente di carico, i dati storici di funzionamento e le entrate di temperatura ambiente dai sensori.
• ​Avviso precoce: Se la tendenza della temperatura prevista degli avvolgimenti si avvicina al limite del rating isolante, il sistema emette un segnale di avviso precoce 10 minuti prima, consentendo agli operatori di intervenire, pianificare spegnimenti ordinati o regolare i carichi.

​Risultati applicativi: In un grande impianto siderurgico, questa funzione ha prevenuto con successo diversi bruciamenti di motori causati da guasti del sistema di raffreddamento e sovraccarichi improvvisi. La precisione della previsione della temperatura ha raggiunto il 91% in pratica.

1. ​Monitoraggio IoT wireless e diagnostica sulla piattaforma cloud​
   Abilita la manutenzione remota e la gestione digitale, migliorando significativamente l'efficienza operativa.
• ​Trasmissione dati wireless: Il dispositivo di protezione integra moduli di comunicazione LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) (ad esempio, LoRa) per trasmettere in modo wireless dati operativi completi del motore (corrente, tensione, temperatura, allarmi, stato) alla piattaforma cloud senza complesse connessioni cablate.
• ​Diagnostica e manutenzione remota: Ingegneri e manager possono accedere alla piattaforma cloud tramite PC o app mobili per monitorare in tempo reale lo stato di salute di tutti i motori, ricevere allarmi e informazioni sui guasti, e svolgere diagnosi e analisi remote.
• ​Estrazione del valore dei dati: I dati storici accumulati sulla piattaforma possono essere utilizzati per analizzare le tendenze di degradazione delle prestazioni dell'attrezzatura, ottimizzare i cicli di manutenzione e implementare la manutenzione predittiva, fornendo supporto basato sui dati per le decisioni di produzione.

​Risultati applicativi: In un impianto cementiero, il tempo medio di risposta ai guasti è stato ridotto da 2 ore a meno di 15 minuti dopo la distribuzione del sistema di monitoraggio IoT. Gli operatori potevano accedere immediatamente alle informazioni sui guasti e alle cause potenziali, riducendo notevolmente il tempo di risoluzione dei problemi e diminuendo l'arresto imprevisto del 58%.

​III. Riepilogo dei vantaggi della soluzione​

• ​Più accurata: Gli algoritmi di microprocessore sostituiscono le strutture meccaniche, garantendo una protezione precisa senza falsi scatti o mancate azioni.
• ​Più completa: Integra la protezione elettrica, termica e meccanica per coprire una vasta gamma di tipi di guasto.
• ​Più proattiva: Gli avvisi predittivi basati su modelli preveniscono gli incidenti prima che si verifichino, anziché reagire dopo il fatto.
• ​Più intelligente: L'architettura IoT abilita l'interconnessione dei dispositivi, supporta il monitoraggio remoto e l'analisi dei big data, e serve come base per la manifattura intelligente e le fabbriche digitali.