Частотные преобразователи (частотники) для шпинделя и электродвигателя

Что такое частотный преобразователь

Частотный преобразователь, или частотник, это блок питания для трёхфазного асинхронного двигателя, который меняет частоту и напряжение на выходе. Чем выше частота, тем быстрее вращается двигатель. В станке с ЧПУ частотник питает шпиндель: запускает его плавно, держит заданные обороты, останавливает и отключает при перегрузке.

Шпиндель фрезерного станка рассчитан на высокую частоту. Двухполюсный шпиндель на 24000 об/мин работает на 400 Гц, а в сети 50 Гц. Включить такой шпиндель в розетку нельзя, ему нужен преобразователь, который выдаст 400 Гц и позволит менять обороты под фрезу и материал.

Как устроен и как работает частотник

Внутри преобразователя три силовых узла и плата управления:

• Выпрямитель. Диодный мост превращает переменное напряжение сети в постоянное.
• Звено постоянного тока. Конденсаторы сглаживают выпрямленное напряжение. Без нагрузки они заряжаются до амплитуды сети: 311 В от сети 220 В и 537 В от сети 380 В.
• Инвертор. Транзисторные ключи IGBT подключают выходы U, V, W то к плюсу, то к минусу шины с частотой несущей в единицы и десятки килогерц. Меняя ширину импульсов (широтно-импульсная модуляция, ШИМ), инвертор получает в обмотках ток синусоидальной формы нужной частоты.
• Плата управления. Принимает задание частоты от пульта, аналогового входа или по RS485, рассчитывает напряжение и следит за током, напряжением шины и температурой.

Самый простой закон управления называют V/f или скалярным: напряжение растёт пропорционально частоте, чтобы магнитный поток в двигателе оставался постоянным. Для шпинделей этого режима достаточно. Многие преобразователи умеют и векторное управление, но у него бывает ниже предел частоты: у YINGSHIDA AE200H в режиме V/f выход до 600 Гц, а в векторном режиме до 300 Гц.

Частота несущей ШИМ влияет на шум и нагрев. Delta в руководстве VFD-M приводит зависимость: при 1 кГц сильнее слышен шум двигателя, но меньше электромагнитные помехи, токи утечки и нагрев преобразователя; при 15 кГц наоборот.

Питание 220 В или 380 В

Частотники делят по напряжению сети на входе. Модель с однофазным входом 220 В выдаёт три фазы до 220 В и подходит для шпинделей на 220 В. Модель с трёхфазным входом 380 В выдаёт три фазы до 380 В для шпинделей на 380 В. Однофазный частотник на 220 В выдаёт на выходе не больше 220 В, поэтому шпиндель на 380 В от него не работает.

При однофазном питании весь ток идёт по одной фазе, поэтому входной ток выше выходного. У Delta VFD015M21A на 1.5 кВт номинальный выходной ток 7 А, входной 15.7 А при однофазном питании и 8.8 А при трёхфазном. Автомат и сечение провода питания выбирают по входному току из руководства, а не по мощности шпинделя.

Как выбрать частотник по мощности, току и частоте

Частотник подбирают под шпиндель по трём параметрам с его шильдика.

• Ток. Номинальный выходной ток частотника не ниже номинального тока шпинделя. Ток важнее мощности: именно по нему преобразователь ограничивает перегрузку.
• Мощность. Не ниже мощности шпинделя. У некоторых моделей на шильдике две мощности, например у AE200 «4.0G-5.5P». Буква G означает режим постоянного момента с тяжёлой нагрузкой, P режим насосов и вентиляторов. Для шпинделя смотрят на значение G.
• Максимальная частота. Не ниже номинальной частоты шпинделя: 400 Гц для шпинделя на 24000 об/мин с двумя полюсами.

Обороты поля в двигателе считают по формуле n = 60·f / p, где f частота в герцах, p число пар полюсов. У двухполюсного шпинделя одна пара полюсов, и 400 Гц дают 60·400 = 24000 об/мин. У четырёхполюсного шпинделя две пары, и на тех же 400 Гц он вращается с 12000 об/мин. Под нагрузкой ротор асинхронного шпинделя отстаёт от поля на величину скольжения.

Пример расчёта. Шпиндель 2.2 кВт, 220 В, 400 Гц, номинальный ток 10 А. Нужен частотник с однофазным входом 220 В, выходным током не ниже 10 А и частотой до 400 Гц или выше. Такой паре соответствует, например, YINGSHIDA AE200 2.2 кВт с выходным током 10 А и частотой до 600 Гц.

Основные параметры настройки

Номера параметров у каждой модели свои, но набор настроек для шпинделя один и тот же. У Delta VFD-M максимальная частота задаётся в Pr.03, базовая в Pr.04, источник частоты в Pr.00, источник команды пуска в Pr.01. У частотников Huanyang базовая частота это PD004, максимальная PD005.

Базовая частота и напряжение задают отношение V/f. Если у шпинделя на 400 Гц оставить заводскую базовую частоту 50 или 60 Гц, преобразователь выдаст полное напряжение уже на низкой частоте, и ток шпинделя резко вырастет. Если занизить максимальную частоту, шпиндель не наберёт паспортных оборотов.

Управление частотником от контроллера ЧПУ

Чтобы обороты и пуск задавала управляющая программа, частотник подключают к контроллеру станка. Способов три, их можно сочетать.

• Аналоговый вход 0-10 В. Контроллер выдаёт напряжение, пропорциональное заданным оборотам, частотник пересчитывает его в частоту. У Delta VFD-M сигнал 0-10 В масштабируется на диапазон до максимальной частоты Pr.03, поэтому при максимальной частоте 400 Гц сигнал 5 В даёт 200 Гц. Вход у Delta VFD-M называется AVI, у YINGSHIDA AE200 FV.
• Дискретные входы FWD и REV. Контакт реле контроллера замыкает вход пуска с общим проводом. У AE200 по умолчанию вход S1 это пуск вперёд, S2 пуск назад, общий провод COM. У Delta VFD-M функции входов M0 и M1 выбираются параметром, общий провод GND.
• RS485 Modbus. Цифровая линия передаёт команды пуска, частоту и читает состояние преобразователя. У Delta VFD-M встроен Modbus со скоростью до 38400 бит/с. Клеммы RS485 есть не у всех моделей, их наличие проверяют по руководству и по клеммной колодке. Контроллер или программа управления станком должны поддерживать протокол конкретной модели.

После подключения в параметрах выбирают источник частоты «аналоговый вход» или «RS485» и источник команды пуска «клеммы» или «RS485». Релейный выход частотника можно завести на вход контроллера, чтобы станок останавливался при аварии преобразователя.

Тормозной резистор

При торможении ротор шпинделя вращается быстрее поля, и двигатель работает генератором. Энергия возвращается в звено постоянного тока, напряжение на конденсаторах растёт. Преобразователь защищается от перенапряжения: у Delta VFD-M при включённой функции Pr.25 он перестаёт снижать частоту, если напряжение шины превышает заданный порог (заводское значение 390 В для серии 230 В), и торможение затягивается. Если время торможения слишком короткое, срабатывает защита по перенапряжению.

Тормозной резистор сбрасывает лишнюю энергию в тепло. Его подключают к клеммам тормозного ключа: у YINGSHIDA AE200 это DC+ и PB, у Delta VFD-M B1 и B2. Тормозной ключ встроен во все модели VFD-M. Для модели на 1.5 кВт 230 В Delta рекомендует резистор 300 Вт 100 Ом, минимальное сопротивление 55 Ом. Резистор Delta требует ставить не ближе 10 см от преобразователя, чтобы избежать помех. Если шпиндель можно тормозить дольше, резистор не обязателен: достаточно увеличить время торможения.

Охлаждение и размещение в шкафу

Преобразователь выделяет тепло на силовых ключах, поэтому его ставят вертикально и оставляют место для воздуха. Delta для VFD-M требует не меньше 120 мм сверху и снизу и 50 мм по бокам, руководство YINGSHIDA AE200H требует 150 мм сверху и снизу и 50 мм по бокам. Рабочая температура AE200H от -10 до +50 °C, выше 40 °C нагрузку снижают.

Частотник ставят в закрытый шкаф, куда не попадает стружка, пыль и влага. Металлическая стружка и пыль внутри корпуса вызывают замыкания, древесная пыль забивает радиатор и вентилятор. Если в шкафу несколько преобразователей или блоков питания, горячий воздух от одного не должен идти на другой.

Помехи, экранирование и заземление

ШИМ с крутыми фронтами импульсов создаёт помехи. Кабель от частотника к шпинделю излучает их, а через ёмкость обмоток на корпус течёт ток утечки. Помехи сбивают концевики, датчики и сигналы шагов, если не принять меры.

• Кабель шпинделя берут экранированный, четырёхжильный: U, V, W и провод заземления PE. Экран силового кабеля соединяют с землёй с обеих сторон, со стороны преобразователя и со стороны шпинделя.
• Сигнальные провода 0-10 В, FWD, REV ведут экранированным кабелем. Delta для VFD-M требует подключать экран сигнального кабеля только со стороны преобразователя, а не с двух сторон.
• Силовые и сигнальные кабели прокладывают раздельно, а пересекают под прямым углом.
• Сетевой фильтр ставят как можно ближе к преобразователю. Снижение частоты несущей тоже уменьшает помехи.
• Преобразователь обязательно заземляют. В руководстве YINGSHIDA AE200 указано, что без заземления на корпусе может наводиться напряжение 30-150 В.
• Токи утечки частотника могут выбивать УЗО на 30 мА. Delta для своих преобразователей рекомендует устройство защитного отключения с порогом 200 мА и временем срабатывания не меньше 0.1 с.

Типичные ошибки подключения и настройки

• Сеть подана на выходные клеммы U, V, W. Преобразователь выходит из строя при первом включении.
• Между частотником и шпинделем поставлены конденсаторы, фильтр или RC-цепь. Руководства Delta и YINGSHIDA это запрещают.
• Базовая частота оставлена на заводских 50 или 60 Гц. Шпиндель перегревается и не выходит на обороты.
• Максимальная частота ниже номинальной частоты шпинделя, или обороты в программе ЧПУ не совпадают с настройкой. Реальные обороты не соответствуют заданным.
• Пуск и остановка контактором на входе частотника. Руководство AE200 не рекомендует часто запускать и останавливать преобразователь контактором переменного тока, для этого есть входы FWD и REV.
• Не выбран источник частоты или источник команды пуска. Контроллер выдаёт 0-10 В, а частотник продолжает слушать пульт.
• Не задан номинальный ток шпинделя. Защита от перегрузки срабатывает поздно или не срабатывает.
• Работы на клеммах сразу после отключения. Конденсаторы звена держат опасное напряжение, оба руководства требуют ждать 10 минут.
• Шпиндель вращается не в ту сторону. Меняют местами два любых провода U, V, W на выходе или направление в настройках, а не провода сети.

Первый пуск делают без фрезы на низкой частоте: проверяют направление вращения, ток на дисплее и нагрев, затем поднимают частоту до номинальной и проверяют работу от контроллера.