Блоки питания для станка ЧПУ

Что такое блок питания станка ЧПУ

Блок питания станка с ЧПУ превращает переменное напряжение сети 220 В в постоянное низкое напряжение, от которого работают драйверы шаговых двигателей, контроллер, датчики, реле и вентиляторы. От него зависит, как двигатели держат момент на скорости, стабильно ли работает электроника и не уходит ли станок в ошибку при разгоне осей. В станках ставят импульсные блоки в металлическом корпусе на 12, 24, 36 и 48 В мощностью от 60 до 500 Вт: силовой блок для драйверов и отдельно небольшой блок для цепей управления.

Как работает импульсный блок питания

Сетевое напряжение сначала выпрямляет диодный мост, и входной конденсатор заряжается до амплитудного значения: 220 x 1.414 = 311 В постоянного тока. Силовой транзистор переключает это напряжение с частотой в десятки килогерц и подаёт импульсы на первичную обмотку высокочастотного трансформатора. Со вторичной обмотки снимают пониженное напряжение, выпрямляют его быстрыми диодами и сглаживают дросселем и конденсаторами.

Размер трансформатора определяет частота: чем она выше, тем меньший сердечник нужен для той же мощности. Поэтому импульсный блок на 240 Вт весит 0.45 кг, а блок на 360 Вт занимает корпус 112 x 210 x 50 мм. Трансформатор той же мощности на частоте сети 50 Гц намного тяжелее и крупнее.

Выход стабилизирован обратной связью. Схема сравнивает выходное напряжение с опорным и через оптрон меняет ширину импульсов на первичной стороне, поэтому напряжение на выходе держится при колебаниях сети в пределах входного диапазона и при нагрузке до номинального тока. Трансформатор и оптрон отделяют выход от сети гальванически. Подстроечный резистор +V ADJ рядом с клеммами смещает выход в небольших пределах, у части блоков на ±10%: блок 24 В выставляется от 21.6 до 26.4 В. Встроенная защита отключает выход при коротком замыкании и перегрузке.

Какие напряжения нужны в станке

12 В питают контроллеры и платы опторазвязки, индуктивные датчики на 12 В, реле, вентиляторы, светодиодную подсветку рабочей зоны, помпы охлаждения на 12 В и диодные лазерные модули с питанием 12 В.

24 В это стандарт промышленной автоматики: на нём работают датчики, реле, входы контроллеров и вентиляторы шкафа. От 24 В питают и драйверы двигателей NEMA 17 с током 1.3-1.7 А на 3D-принтерах и лёгких граверах. Удобно, когда цепи управления и такие драйверы работают от одного напряжения.

36 и 48 В идут на силовое питание драйверов шаговых двигателей NEMA 23 и NEMA 34 и гибридных сервоприводов. Чем выше напряжение, тем лучше двигатель держит момент на высоких оборотах, расчёт приведён ниже.

Не все узлы станка питаются от таких блоков. Шпиндель с частотным преобразователем подключают к сети через преобразователь. CO2-трубку питает отдельный высоковольтный блок: трубке нужно напряжение в десятки киловольт.

Как выбрать напряжение для драйвера шагового двигателя

Напряжение питания драйвера определяет поведение двигателя на скорости. Обмотка двигателя имеет индуктивность L, и ток в ней нарастает не мгновенно: без учёта сопротивления и встречной ЭДС время нарастания до тока I равно L x I / U. Чем выше напряжение U, тем быстрее обмотка набирает ток и тем выше обороты, на которых двигатель ещё держит момент.

Пример: двигатель NEMA 23 на 3 А с индуктивностью обмотки 6.8 мГн. На 600 об/мин двигатель с шагом 1.8° делает 600 x 200 / 60 = 2000 полных шагов в секунду, и на один шаг остаётся 0.5 мс. Время нарастания тока 6.8 мГн x 3 А / U при разном питании:

Двигатель того же размера на 4.2 А с индуктивностью 1.8 мГн набирает ток за 1.8 x 4.2 / 36 = 0.21 мс уже при 36 В. Поэтому напряжение подбирают вместе с обмоткой двигателя: чем выше индуктивность, тем выше нужно питание для той же скорости.

Верхний предел задаёт драйвер. В его характеристиках указан диапазон питания, например 20-50 В, 24-80 В или 24-110 В постоянного тока. Блок выбирают так, чтобы его напряжение с учётом подстройки оставалось ниже верхнего предела с запасом. Причина в торможении: при замедлении двигатель работает как генератор и возвращает энергию в цепь питания. Импульсный блок не принимает обратный ток, энергия заряжает конденсаторы драйвера и выхода блока, и напряжение на них поднимается выше номинала.

Расчёт для драйвера с пределом 50 В. Блок 48 В, поднятый подстроечным резистором на 10%, даёт 52.8 В, это уже выше предела. Для такого драйвера берут блок 36 В: даже после подстройки на +10% это 39.6 В, и 10 В остаются на выброс при торможении. Блок 48 В ставят на драйверы с пределом 70, 80 или 110 В. Слишком высокое напряжение для маленького двигателя тоже лишнее: двигатель сильнее греется и вибрирует на низких оборотах.

Как рассчитать мощность и ток блока

Ток, который драйвер берёт из блока, не равен току в обмотках. Драйвер работает как понижающий преобразователь: подаёт на обмотку высокое напряжение короткими импульсами и держит в ней заданный ток, а из блока берёт мощность, равную потерям в обмотках, механической мощности на валу и собственным потерям.

Пример для того же двигателя на 3 А с сопротивлением обмотки 1.6 Ом. На остановке при полном токе в двух обмотках теряется 2 x 3² x 1.6 = 28.8 Вт. От блока 36 В драйвер берёт при этом 28.8 / 36 = 0.8 А, хотя ток в обмотках 3 А. В режиме половинного тока при остановке потери в 4 раза меньше, 7.2 Вт. На скорости добавляется механическая мощность: если оси нужно 1 Н·м на 600 об/мин, это 1 x 2π x 600 / 60 = 62.8 Вт. Удерживающий момент для такого расчёта не подходит, момент на рабочей скорости берут по графику двигателя.

На одну ось выходит 28.8 + 62.8 = 91.6 Вт, на три оси 275 Вт без потерь в драйверах. К сумме добавляют запас 20-30%: блок, который постоянно работает на пределе, сильнее греется и быстрее выходит из строя. С запасом 30% нужно 357 Вт. Блок 36 В 10 А на 360 Вт будет работать на пределе, блок 36 В 13.8 А на 500 Вт оставляет запас.

Блоки с пассивным охлаждением для длительной работы нагружают меньше паспортной мощности. У блока 12 В на 80 Вт длительная нагрузка ограничена 61 Вт (5.1 А), у блока 24 В на 240 Вт ограничена 185 Вт (7.7 А), это 76-77% от номинала. Из сети блок берёт больше, чем отдаёт, на величину своих потерь: блоку на 500 Вт при 220 В нужно больше 500 / 220 = 2.3 А, и автомат на входе выбирают по сумме всех блоков шкафа.

Типы блоков питания для станков

Выход нестабилизированного блока равен переменному напряжению трансформатора, умноженному на 1.414, минус падение на диодах моста. Трансформатор на 32 В даёт 32 x 1.414 = 45.2 В, а при повышении сети на 10% уже 49.8 В: для драйвера с пределом 50 В запаса не остаётся. Драйверы, которые допускают питание переменным током, подключают прямо к вторичной обмотке трансформатора, выпрямитель стоит внутри драйвера.

Отдельное питание цепей управления

Контроллер, датчики и реле на 12 или 24 В питают от отдельного небольшого блока, а не от силового блока драйверов. При разгоне нескольких осей силовой блок нагружается импульсами тока, и отдельный блок не пропускает просадки напряжения и помехи к контроллеру. Входы STEP и DIR драйверов для станков развязаны оптронами, поэтому силовая часть и цепи управления могут работать от разных блоков.

Если на станке уже есть 24 В, а вентилятору или реле нужно 12 В, ставят понижающий преобразователь DC-DC. У него ограничен вход: модуль на 5 А с входом 8-36 В подключают к блоку 24 В, но не к блоку 36 В или 48 В. Блок 36 В уже стоит на верхнем пределе входа, а после подстройки на +10% даёт 39.6 В, это выше 36 В. Выходное напряжение модуля всегда ниже входного, а мощность ограничена: при 12 В и 5 А это 60 Вт.

Подключение и монтаж

У части блоков на боковой стенке стоит переключатель входного напряжения 110/220 В. Перед первым включением проверяют, что он в положении 220 В: в положении 110 В подключение к сети 220 В выводит блок из строя. Блоки с входом 100-240 В переключателя не имеют и работают от сети 220 В сразу.

На колодке клеммы L и N для сети, клемма заземления и выходные клеммы +V и -V (COM), выходных клемм по две или три, чтобы подключить несколько потребителей. Корпус обязательно соединяют с защитным заземлением: при пробое изоляции на нём окажется сетевое напряжение. Работы на колодке выполняют только при отключённой сети, а входной конденсатор на 311 В после отключения разряжается не мгновенно.

Каждый драйвер подключают к клеммам блока своей парой проводов, звездой, а не цепочкой от драйвера к драйверу: в цепочке ток всех осей идёт через первые провода и клеммы, и просадки одного драйвера попадают на другие. Сечение провода выбирают по току и длине. Сопротивление медного провода R = 0.0175 x L / S, где L длина в метрах туда и обратно, S сечение в мм². Провод 0.75 мм² длиной 1.5 м до драйвера, это 3 м туда и обратно, имеет 0.07 Ом и при 10 А теряет 0.7 В и 7 Вт, у провода 1.5 мм² потери вдвое меньше. Винты клемм затягивают до упора: слабый контакт под током греется.

Блок ставят в закрытый шкаф управления вдали от стружки и токопроводящей пыли: через перфорацию стружка попадает внутрь корпуса и замыкает плату. Вокруг блока оставляют свободное место, вентиляционные отверстия не закрывают, вплотную к драйверам и другим нагревающимся устройствам блок не ставят. Вентилятор периодически продувают от пыли.

Выходы двух блоков не соединяют параллельно, если в характеристиках нет функции параллельной работы: блоки с немного разным напряжением делят нагрузку неравномерно, и один из них работает с перегрузкой. Если нужен больший ток, берут один блок большей мощности или делят драйверы между двумя блоками.

Типичные ошибки

• Включать блок в сеть 220 В с переключателем в положении 110 В.
• Ставить блок 48 В на драйвер с пределом питания 50 В: при торможении двигателей напряжение уходит выше предела.
• Подбирать блок впритык по мощности, без запаса 20-30%.
• Нагружать блок с пассивным охлаждением на полную паспортную мощность длительное время.
• Подключать контроллер и датчики на 12 или 24 В к силовому блоку 36 или 48 В.
• Подключать драйверы к блоку цепочкой, а не каждый своими проводами.
• Не заземлять корпус блока.
• Закрывать вентиляционные отверстия и ставить блок в зоне стружки.
• Подключать понижающий преобразователь с входом до 36 В к блоку 36 или 48 В.
• Соединять параллельно выходы двух блоков без функции параллельной работы.