Silnik IE5 na pierwszy rzut oka wygląda jak zwykły trójfazowy silnik klatkowy: ta sama obudowa, te same przyłącza, ta sama tabliczka znamionowa. Tyle że 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.
Czym jest silnik IE5 i dlaczego zaskakuje
IE5 to najwyższa obecnie 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 nadal 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.
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 oprogramowania 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:
- Przejść do zakładki Motor Selection.
- Kliknąć Select motor.
- Przepisać parametr C86 z tabliczki znamionowej silnika (na naszym egzemplarzu: 2532).
- Zatwierdzić znaleziony w bazie silnik przyciskiem OK.
Po wpisaniu numeru C86 przemiennik odnajduje silnik w bazie i sam podstawia komplet danych znamionowych — moc, prąd, prędkość, częstotliwość, napięcie i cosinus fi.
I to praktycznie tyle. Żadnego ręcznego 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.
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.
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, że regulator natychmiast cofa wał do pozycji wyjściowej. Na nastawach fabrycznych działa to przyzwoicie, a po podkręceniu parametrów regulatora nie da się wykonać nawet pół obrotu wału.
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 nawet 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.
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.
| Kryterium | Silnik IE5 (PMSM) | Klatka z enkoderem |
|---|---|---|
| Sprzężenie zwrotne pozycji | estymacja z modelu, bez enkodera | fizyczny enkoder na wale |
| Okablowanie | tylko kabel silnikowy | dodatkowo kabel enkoderowy |
| Moment przy starcie | do 300% momentu znamionowego | ograniczony |
| Prąd biegu jałowego | praktycznie 0,0 A | prąd magnesujący cały czas |
| Praca przy niskich prędkościach | bardzo dobra | ryzyko przegrzania |
| Koszt zestawu | wyższy od samej klatki, porównywalny z klatką i enkoderem | niższy jednostkowo, plus enkoder i kabel |
Zwróć uwagę, że porównanie cenowe trzeba robić na poziomie kompletnego napędu, a nie samego silnika. Jeżeli 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.
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.
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 nawet ciepły.
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. Jeżeli budujesz aplikację ruchu z prawdziwego zdarzenia, przyda się też porównanie z klasycznym serwo — opisaliśmy je we wpisie Jak szybko 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.
O autorze
