Почему не следует диагностировать по току

Если Вы откроете любой паспорт на электроприводную арматуру, ТУ, руководство по эксплуатации, в контролируемых параметрах не найдете ни одного упоминания о токе или активной мощности, так как почти единственная количественная характеристика, которая оценивает работу арматуры в характерных точках - крутящий момент. Точное определение крутящего момента электропривода при помощи прямых измерений является довольно сложной или трудоемкой процедуры, поэтому при диагностировании арматуры электропривод используется как некий датчик, с которого снимаются электрические параметры и аналитически переводятся в крутящий момент или используются в "сыром" виде для оценки состояния механизма. На данный момент существует два основных на первых взгляд похожих, но абсолютно разных по сути способов диагностирования по электрическим параметрам: по току или активной мощности. Казалось бы, в чем разница, если одно вытекает из другого? Не счесть сколько раз у меня раскалялось мягкое место от вопроса владельцев оборудования: "ну что там с токами?", "какой ток?" и прочих производных, а все потому что считаю диагностирование по току устаревшим и ненадежным методом. Так чем же лучше активная мощность? Она напрямую связана с крутящим моментом через уравнение:

Не секрет, что активная мощность, в свою очередь, напрямую связана с потребляемым током и питающим напряжением сети, но почему-то одни забывают, что есть еще одна переменная в уравнении, а кто-то и вовсе считает ее постоянной, эта переменная - коэффициент нагрузки, или cosφ (так называемый косинус фи), то есть уравнение приобретает следующий вид:

Согласно википедии, cosφ - безразмерная величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей мощности, то есть cosφ=P/S, где P - активная мощность (Вт), S - полная мощность (ВА). Так же выделяют реактивную мощность Q.

Активная мощность в данном случае ни что иное как полезная мощность, которая идет на совершение полезной работы (создание крутящего момента на валу электродвигателя). Реактивная же составляющая работу не производит и расходуется в основном на нагрев, хоть и служит для создания электромагнитного поля.

Сам же угол φ по сути является углом между током и напряжением. Не секрет, что данный угол зависит от характера нагрузки: при активно-емкостной ток опережает напряжение на угол от 0 до 90 градусов, а при активно-индуктивной ток отстает от напряжения на такой же угол. Для электродвигателей переменного тока характерен как раз последний вариант.

Коэффициент мощности совсем не постоянный, а сильно зависит от режима работы электродвигателя (величины нагрузки) и изменяется по индивидуальной характеристике. Например, зависимость коэффициента мощности от нагрузки для электродвигателя АИР71А2У2 выглядит так:

Как видно из характеристики, коэффициент мощности при разных режимах работы электродвигателя может изменяться в разы: от 0,1-0,2 на холостом ходу до значений, приближенных к 1,0 при номинальной нагрузке. Чем больше электродвигатель, тем, как правило, выше максимальный коэффициент мощности. В реальных измерениях данное изменение так же при желании можно увидеть.

Как отмечено выше, угол φ характеризует сдвиг между током и напряжением. Выше приведены два графика одной и той же арматуры на разных участках рабочего хода: равномерное движение и конец уплотнения. Качественно оценить изменение сдвига между можно по временным интервалам между пиками соответствующих синусоид. В первом случае смещение составляет 0,002 с, в конце уплотнения при максимальной нагрузке смещение уже почти 0,005 с. При большом желании можно довольно точно количественно рассчитать угол, но в данном случае важно только то, что он изменился, причем существенно.

Представим ситуацию, при которой электродвигатель работает с малой нагрузкой и приближен к холостому ходу с коэффициентом мощности в, например, 0,2. После чего происходит увеличение нагрузки до номинальных параметров с заявленным cos φ = 0,8. Мощность на валу электродвигателя (а вместе с ней и момент) может измениться в несколько раз, но, исходя из приведенного выше соотношения, ток статора не изменится. Таким образом, если производить диагностирование на основании токовых сигналов, изменения увидеть в данном случае невозможно.
Огромное количество электроприводов, управляющих арматурой при уплотнении не то что не показывают роста тока, а наоборот – зачастую он падает из-за более стремительного роста cos φ по мере приближения к номинальному режиму. Недопустимо настраивать моментные выключатели, ориентируясь на отношение тока затяга к рабочему. Единственный подход, при котором такая настройка может иметь место – экспериментально выведенное соотношение для конкретной связки «электропривод-арматура».

Однако, и по сей день день существует методика, которая устанавливает, что вся арматура должна быть настроена по одному критерию: ток затяга не должен превышать рабочий более, чем в 1,5 раза. Нормой считается соотношение 1,3-1,5 для клиновых задвижек с мощностью до 11 кВт, а рабочий ток не должен превышать номинальный. Как ни странно, у данной методики огромное количество последователей, несмотря даже на внутренние противоречия в самой методике. В умах большинства работников для простоты устоялся еще более простой параметр - отношение тока затяга к рабочему должно быть 1,3. Вот и вся незамысловатая арифметика, но давайте рассмотрим почему она не верна на живых примерах.

Ниже приведены циклограммы токов и активной мощности ЭПА с электродвигателями типа 4АС 80В4А5 (привод 2-ОБ-03)

Как видно, при уплотнении ток не то что не растет, а даже падает. Отдельно стоит отметить, что номинальная мощность данных электроприводов составляет 1,7 кВт, а номинальный ток - 6,2 А. Если обратить внимание на первый рисунок, там средняя активная мощность рабочего хода составляет около 275 Вт, что в 6 с лишним раз меньше номинального значения, при этом средний ток порядка 7,2 А, что уже на 20% выше номинала. На втором же рисунке при средней мощности в 370 Вт, средний ток составляет порядка 6,5 А, то есть чем выше мощность (до номинального значения), тем ниже рабочий ток. При абсолютно нормальном поведении арматуры мы выходим за рамки номинального тока и бракуем задвижку, правильно ли это?

Вот, например, примеры с арматуры с чешскими электроприводами MOA OC 63-25 И 40-25 с электродвигателем 4АС 56В4А5

Таких примеров можно привести очень много, особенно среди приводов типоразмера Б. В типоразмере А вообще трудно добиться заметного роста тока в рабочих параметрах, при этом на рабочем ходу он практически всегда выше номинала. Доводилось мне по молодости проводить стендовые испытания электропривода 2-ОА-18 с электродвигателем 4АС 56В4А5 (номинальная мощность 0,18 А, ток - 0,9 А), имеющего дефект тормозного узла. При установке на стенд мощность холостого хода оказалась порядка 300 Вт и ток в районе 1,3 А. Сняли тормозной узел и мощность упала до 120 Вт, ток - 1,3. Сняли электродвигатель с привода и прокрутили отдельно, получив 40 Вт активной мощности и ток в 1,3 А. То есть что бы мы ни делали, ток всегда в полтора раза выше номинала и это считается нормальной работой.

Такое поведение встречается далеко не всегда и можно увидеть обратную картину, когда ток растет довольно стремительно.

Выше приведена циклограмма токов и активной мощности при закрытии ЭПА с электроприводом Auma SA 25.1 11 кВт и ЭД ADI0 132-2-W40 при минимальной настройка моментного выключателя на закрытие (в 2,5 раза ниже указанного в ТУ на арматуру), где отношение тока затяга к рабочему составляет 2,2, что значительно выше 1,3 из методики. Нужно уменьшить? Но уменьшать-то некуда, ибо и так стоит минимум, при котором периодически получали ложное срабатывание муфт на рабочем ходу.

Из написанного выше можно сделать однозначный вывод, что диагностирование и настройка моментных выключателей по току несостоятельны как метод. Если бы настройку указанных выше позиций проводили по данной методике, первую часть превратили бы в фарш, а последняя вообще не закрылась бы, причем сомнительно, что данная настройка вообще была бы возможна, так как не хватило бы диапазона настройки муфты.
Анализ рабочего хода по току так же вызовет большие затруднения, так как многие колебания, которые отражаются на активной мощности, на токовом сигнале вообще не видны и есть довольно много примеров, когда плавность хода одной и той же позиции по мощности не достигает и 50%, в то время как по току уходит далеко за 80, а то и 90%. Если же Вы хотите провести спектральный анализ, на токовом сигнале некоторые частоты попросту не увидите.