Silnik IE5 Lenze: 50 Hz i prąd 0,0 A - jak to możliwe?

Silnik IE5 na pierwszy rzut oka wygląda jak zwykły trójfazowy silnik klatkowy: ta sama obudowa, te same przyłącza, ta sama tabliczka znamionowa. Tyle iż rozpędzony do 1500 obr/min przy 50 Hz pokazuje na przemienniku prąd 0,0 A. To nie błąd pomiarowy. To silnik synchroniczny z wirnikiem z magnesami trwałymi (PMSM), sterowany bezczujnikowo. W tym wpisie rozkładamy na części zestaw silnik IE5 + przemiennik Lenze i650 i sprawdzamy, co ten napęd naprawdę potrafi.

Silnik IE5 Lenze i przemiennik i650 na stanowisku testowym

Czym jest silnik IE5 i dlaczego zaskakuje

IE5 to najwyższa w tej chwili klasa sprawności silników elektrycznych. W praktyce oznacza to konstrukcję, w której wirnik ma wbudowane magnesy trwałe, a nie klatkę, którą trzeba dopiero namagnesować prądem ze stojana.

Konsekwencje są bardzo konkretne:

• pole magnetyczne wirnika jest wbudowane w konstrukcję - nie trzeba płacić za nie prądem magnesującym,
• silnik pobiera praktycznie wyłącznie moc czynną, bez przerzucania mocy biernej jak w klatce,
• cosinus fi trzyma się wysoko w całym zakresie obciążenia,
• moment rozruchowy sięga 300% momentu znamionowego już od zera obrotów,
• gęstość mocy jest wyraźnie wyższa niż w silniku indukcyjnym o tej samej mocy.

Obudowa pozostaje standardowa - to przez cały czas silnik, który wstawisz w typową aplikację napędową zamiast klatki.

Sprzęt na stanowisku: silnik IE5 i przemiennik Lenze i650

Na biurku mamy dwa elementy: silnik IE5 oraz przemiennik częstotliwości Lenze i650, który steruje tym silnikiem.

Czy akurat i650 jest obowiązkowy? Nie. Silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi w standardzie IE5 wysterujesz standardowymi przemiennikami z serii i500, i600, i700 lub i900.

Przemienniki Lenze serii i500 i wyżej sterują silnikami IE5

Zasada doboru jest prosta:

• i500 - w zupełności wystarczy do standardowych aplikacji prędkościowych,
• i600, i700, i900 - gdy chcesz zaimplementować w przemienniku pozycjoner.

Dwie rzeczy, o których łatwo zapomnieć przy pierwszym uruchomieniu: potrzebujesz najnowszego firmware przemiennika (to właśnie aktualizacje firmware odblokowały obsługę silników IE5) oraz aktualnej wersji systemu Easy Starter.

Konfiguracja silnika w Easy Starter: jeden parametr z tabliczki

Konfiguracja jest krótsza, niż większość osób się spodziewa. Po przywróceniu przemiennika do ustawień fabrycznych wystarczy:

1. Przejść do zakładki Motor Selection.
2. Kliknąć Select motor.
3. Przepisać parametr C86 z tabliczki znamionowej silnika (na naszym egzemplarzu: 2532).
4. Zatwierdzić znaleziony w bazie silnik przyciskiem OK.

Parametr C86 na tabliczce znamionowej silnika IE5 Lenze - u nas 2532

Po wpisaniu numeru C86 przemiennik odnajduje silnik w bazie i sam podstawia komplet danych znamionowych - moc, prąd, prędkość, częstotliwość, napięcie i cosinus fi.

Po wpisaniu C86 Easy Starter odnajduje silnik i podstawia komplet danych znamionowych

I to praktycznie tyle. Żadnego manualnego wpisywania schematu zastępczego, żadnego strojenia od zera.

Sensorless Control i High Frequency Injection

Po wybraniu silnika Easy Starter automatycznie przypisuje algorytm sterowania: Sensorless Control dla PMSM (SL-PSM), czyli sterowanie bezczujnikowe silnika synchronicznego z magnesami trwałymi.

Tryb sterowania Sensorless control SL-PSM w Easy Starter

Ten algorytm włącza funkcję High Frequency Injection. Przemiennik wstrzykuje w uzwojenia stojana sygnał o wysokiej częstotliwości i na podstawie odpowiedzi silnika określa aktualne położenie wirnika - bez enkodera i bez rezolwera.

Charakterystyczne piszczenie silnika to działający algorytm High Frequency Injection

Efekt uboczny jest słyszalny gołym uchem. Przy 2 Hz silnik charakterystycznie piszczy - to właśnie wstrzykiwany sygnał. Po podkręceniu częstotliwości do 20 Hz piszczenie znika, bo HFI pracuje tylko w dolnym zakresie prędkości. Wyżej przemiennik przechodzi na standardową metodę opartą o siłę elektromotoryczną (back EMF).

Trzymanie wału w zerze i 300% momentu

Najciekawszy test robimy przy zadanej prędkości 0 Hz. Wirnik stoi, a przemiennik cały czas wie, gdzie jest.

Próba obrócenia wału ręką kończy się tym, iż regulator natychmiast cofa wał do pozycji wyjściowej. Na nastawach fabrycznych działa to przyzwoicie, a po podkręceniu parametrów regulatora nie da się wykonać choćby pół obrotu wału.

Silnik IE5 trzyma wał przy zadanej prędkości zero

Warto podkreślić, co dokładnie tu pracuje: to jeszcze nie jest regulator pozycji, tylko regulator prędkości. Ręka wytrąca wał z równowagi, powstaje uchyb prędkości, a napęd go kasuje - wracając mniej więcej do poprzedniego położenia. Silnik w standardowej obudowie generuje przy tym choćby 300% momentu znamionowego od zera obrotów, czego klatka nie potrafi.

I jeszcze jedna rzecz do zapamiętania: przy nieobciążonym wale prąd cały czas wynosi 0,0 A. Dopiero siłowanie się z wałem podbija go do góry.

Position counter, czyli enkoder bez enkodera

Funkcja, której w standardowym silniku klatkowym nie znajdziesz, to position counter. W zakładce Position counter wystarczy przestawić źródło sygnału na internal motor model i po prawej stronie pojawia się actual position.

Position counter w Easy Starter liczy pozycję wału z modelu silnika

W trybie online widać, jak licznik inkrementuje się przy ręcznym obracaniu wałem - dokładnie tak, jakby na wale siedział enkoder. A fizycznie żadnego enkodera tam nie ma. Pozycję kątową estymuje sam algorytm sterowania na podstawie modelu silnika.

To otwiera drogę do pełnoprawnej osi pozycjonującej na silniku bez sprzężenia zwrotnego - ale to temat na osobny materiał.

Silnik IE5 vs silnik klatkowy z enkoderem

Naturalnym punktem odniesienia jest silnik asynchroniczny klatkowy z nabudowanym enkoderem - na przykład HTL 128 impulsów. To rozwiązanie, które w wielu aplikacjach robi dokładnie tę samą robotę.

Silnik indukcyjny klatkowy z nabudowanym enkoderem jako punkt odniesienia

Zwróć uwagę, iż porównanie cenowe trzeba robić na poziomie kompletnego napędu, a nie samego silnika. o ile zastanawiasz się, jakie sprzężenie zwrotne w ogóle jest ci potrzebne, zajrzyj do wpisu Enkodery w falownikach i serwonapędach - jak dobrać sprzężenie zwrotne do napędu.

Ostry nawrót plus/minus 1500 obr/min przy rampie 0,1 s

Kolejny test: skracamy rampę z 10 sekund do 0,1 sekundy - zarówno dla rozpędzania, jak i hamowania - i zadajemy 50 Hz.

Rampa rozpędzania i hamowania ustawiona na 0,1 sekundy

Następnie robimy nawrót: z +1500 obr/min na −1500 obr/min. Silnik wykonuje pełne odwrócenie kierunku praktycznie bez drgnięcia. Algorytm sterowania napędem z magnesami trwałymi pracuje płynnie niczym standardowe serwo - i to bez żadnego czujnika na wale.

Prąd 0,0 A i oszczędności rzędu 20 - 30%

Wracamy do sceny z początku. Przemiennik pokazuje 50 Hz, prędkość około 1500 obr/min, a prąd silnika: 0,0 A.

Easy Starter: 50 Hz, 1497 obr/min i prąd silnika 0,0 A

Żeby wykluczyć błąd pomiarowy, robimy nawrót - prąd na moment podskakuje do 0,1 A i wraca. Czyli pomiar jest prawidłowy: nieobciążony silnik IE5 pobiera poniżej 1 A. Po obciążeniu momentem prąd rośnie proporcjonalnie do obciążenia, ale na biegu jałowym spada praktycznie do zera.

Stąd biorą się oszczędności:

• silnik synchroniczny z magnesami trwałymi jest 20 - 30% bardziej oszczędny od porównywalnej klatki,
• to nie jest różnica kosmetyczna - w rachunkach za prąd przez 2, 5 czy 10 lat pracy napędu robi realną różnicę,
• zwrot z inwestycji w zestaw IE5 potrafi zamknąć się w 2 - 3 latach,
• im więcej czasu napęd pracuje przy częściowym obciążeniu, tym większa przewaga - bo klatka i tak przez cały ten czas pobiera prąd magnesujący.

Gęstość mocy i praca przy niskich prędkościach

Dwie rzeczy, które łatwo przeoczyć na etapie doboru, a w wielu aplikacjach okazują się kluczowe.

Po pierwsze - gęstość mocy. Silnik synchroniczny z magnesami trwałymi ma dużo wyższą gęstość mocy niż silnik indukcyjny. Skoro potrafi wygenerować 300% momentu znamionowego przy starcie, to już na etapie projektu możesz dobrać mniejszą obudowę przy tym samym wymaganym momencie. Mniej miejsca w maszynie, mniej masy, ten sam efekt.

Po drugie - praca przy niskich prędkościach. Silnik pracujący kilka minut przy 2 Hz nie jest choćby ciepły.

Silnik IE5 po dłuższej pracy przy 2 Hz pozostaje zimny

Standardowy silnik indukcyjny ma w takich warunkach problem: wbudowany wentylator obraca się zbyt wolno, żeby go schłodzić, więc przy długiej pracy na niskich obrotach potrafi się przegrzewać. Silnik IE5 przy częściowym obciążeniu pobiera poniżej 0,1 A i praktycznie się nie grzeje.

Gdzie sprawdzi się silnik IE5

Ten napęd to nie tylko serwo prędkościowe czy pozycjoner. Sprawdzi się wszędzie tam, gdzie potrzebujesz jednocześnie dużego momentu przy starcie, trzymania w zerze oraz płynnej regulacji w pełnym zakresie prędkości obrotowej:

• układy transportowe i przenośniki,
• walcarki i profilarki,
• kalandry,
• wirówki,
• aplikacje pracujące długo przy niskich prędkościach,
• maszyny, w których liczy się miejsce w zabudowie.

W takich zastosowaniach zestaw IE5 i przemiennik Lenze potrafi zastąpić klasyczny serwonapęd albo silnik klatkowy z nabudowanym enkoderem HTL. o ile budujesz aplikację ruchu z prawdziwego zdarzenia, przyda się też porównanie z klasycznym serwo - opisaliśmy je we wpisie Jak gwałtownie zintegrować i skonfigurować serwonapęd Lenze i950.

O czym pamiętać przy wdrożeniu

• Firmware przemiennika - bez najnowszej wersji nie znajdziesz trybu SL-PSM. To najczęstsza przyczyna rzekomego braku obsługi IE5.
• Easy Starter w aktualnej wersji - starsze wydania nie mają kompletnej bazy silników.
• Parametr C86 przepisz dokładnie z tabliczki znamionowej; to on wciąga komplet danych silnika.
• Piszczenie przy niskich obrotach jest normalne - to działający HFI, nie usterka łożyska ani błąd nastaw.
• Nie mieszaj metod sterowania - dla PMSM ustaw Sensorless Control (SL-PSM), a nie sterowanie U/f przeznaczone dla klatki.
• Sprawdź dobór przemiennika do funkcji - pozycjoner w przemienniku wymaga serii i600 i wyżej.
• Integrację z PLC zaplanuj osobno - przykład parametryzacji przemiennika Lenze ze sterownika opisaliśmy we wpisie Parametryzacja falownika Lenze i550 z PLC Siemens S7-1200.

FAQ

Czy silnik IE5 wymaga specjalnego przemiennika?

Nie. Wystarczy standardowy przemiennik Lenze z serii i500, i600, i700 lub i900 z aktualnym firmware. Do aplikacji prędkościowych w zupełności starcza i500; pozycjoner w przemienniku wymaga serii i600 lub wyższej.

Dlaczego silnik IE5 piszczy przy niskich obrotach?

To efekt działania funkcji High Frequency Injection. Przemiennik wstrzykuje w uzwojenia stojana sygnał o wysokiej częstotliwości, żeby określić położenie wirnika bez enkodera. Powyżej kilkunastu herców funkcja się wyłącza i piszczenie znika.

Czy naprawdę można pozycjonować bez enkodera?

Tak. Przemiennik estymuje położenie kątowe wału z modelu silnika i udostępnia je jako position counter. Do wielu aplikacji taka dokładność wystarcza, a instalacja pozbywa się enkodera i kabla enkoderowego.

Ile realnie oszczędza silnik IE5?

W porównaniu ze standardowym silnikiem indukcyjnym klatkowym mówimy o 20 - 30% mniejszym zużyciu energii. Największe różnice widać przy pracy z częściowym obciążeniem i przy długim czasie pracy napędu.

Czy silnik IE5 może pracować długo przy niskich prędkościach?

Tak, i to jest jedna z jego mocnych stron. Nie ma prądu magnesującego, więc silnik grzeje się znacznie mniej niż klatka, której wbudowany wentylator przy niskich obrotach nie nadąża z chłodzeniem.

Podsumowanie

Silnik IE5 to konstrukcja, która wygląda jak zwykła klatka, a zachowuje się jak serwo. W parze z przemiennikami Lenze serii i500, i600, i700 lub i900 dostajesz układ energooszczędny (20 - 30% niższe rachunki za prąd), o bardzo dobrej dynamice: 300% momentu od zera, trzymanie wału w zerze, płynna regulacja w całym zakresie prędkości i pozycja wału bez enkodera. Do wielu aplikacji taki zestaw sprawdzi się jak marzenie - a konfiguracja sprowadza się do przepisania jednego parametru z tabliczki znamionowej. Więcej danych technicznych o napędach z magnesami trwałymi znajdziesz w dokumentacji producenta na lenze.com.

Kurs online ControlByte Programowanie falowników i serwonapédów Kliknij, aby zobaczyć program »