Блоки живлення для верстата ЧПУ

Що таке блок живлення верстата ЧПУ

Блок живлення верстата з ЧПУ перетворює змінну напругу мережі 220 В на постійну низьку напругу, від якої працюють драйвери крокових двигунів, контролер, датчики, реле й вентилятори. Від нього залежить, як двигуни тримають момент на швидкості, чи стабільно працює електроніка і чи не йде верстат у помилку під час розгону осей. У верстатах ставлять імпульсні блоки в металевому корпусі на 12, 24, 36 і 48 В потужністю від 60 до 500 Вт: силовий блок для драйверів і окремо невеликий блок для кіл керування.

Як працює імпульсний блок живлення

Мережеву напругу спочатку випрямляє діодний міст, і вхідний конденсатор заряджається до амплітудного значення: 220 x 1.414 = 311 В постійного струму. Силовий транзистор перемикає цю напругу з частотою в десятки кілогерц і подає імпульси на первинну обмотку високочастотного трансформатора. З вторинної обмотки знімають знижену напругу, випрямляють її швидкими діодами і згладжують дроселем і конденсаторами.

Розмір трансформатора визначає частота: що вона вища, то менше осердя потрібне для тієї самої потужності. Тому імпульсний блок на 240 Вт важить 0.45 кг, а блок на 360 Вт займає корпус 112 x 210 x 50 мм. Трансформатор тієї самої потужності на частоті мережі 50 Гц значно важчий і більший.

Вихід стабілізований зворотним зв’язком. Схема порівнює вихідну напругу з опорною і через оптрон змінює ширину імпульсів на первинній стороні, тому напруга на виході тримається під час коливань мережі в межах вхідного діапазону і під навантаженням до номінального струму. Трансформатор і оптрон відокремлюють вихід від мережі гальванічно. Підстроювальний резистор +V ADJ біля клем зміщує вихід у невеликих межах, у частини блоків на ±10%: блок 24 В виставляється від 21.6 до 26.4 В. Вбудований захист вимикає вихід під час короткого замикання і перевантаження.

Які напруги потрібні у верстаті

12 В живлять контролери й плати оптопрозв’язки, індуктивні датчики на 12 В, реле, вентилятори, світлодіодне підсвічування робочої зони, помпи охолодження на 12 В і діодні лазерні модулі з живленням 12 В.

24 В це стандарт промислової автоматики: на ньому працюють датчики, реле, входи контролерів і вентилятори шафи. Від 24 В живлять і драйвери двигунів NEMA 17 зі струмом 1.3-1.7 А на 3D-принтерах і легких граверах. Зручно, коли кола керування і такі драйвери працюють від однієї напруги.

36 і 48 В ідуть на силове живлення драйверів крокових двигунів NEMA 23 і NEMA 34 та гібридних сервоприводів. Що вища напруга, то краще двигун тримає момент на високих обертах, розрахунок наведено нижче.

Не всі вузли верстата живляться від таких блоків. Шпиндель з перетворювачем частоти підключають до мережі через перетворювач. CO2-трубку живить окремий високовольтний блок: трубці потрібна напруга в десятки кіловольт.

Як вибрати напругу для драйвера крокового двигуна

Напруга живлення драйвера визначає поведінку двигуна на швидкості. Обмотка двигуна має індуктивність L, і струм у ній наростає не миттєво: без урахування опору і зустрічної ЕРС час наростання до струму I дорівнює L x I / U. Що вища напруга U, то швидше обмотка набирає струм і то вищі оберти, на яких двигун ще тримає момент.

Приклад: двигун NEMA 23 на 3 А з індуктивністю обмотки 6.8 мГн. На 600 об/хв двигун із кроком 1.8° робить 600 x 200 / 60 = 2000 повних кроків за секунду, і на один крок залишається 0.5 мс. Час наростання струму 6.8 мГн x 3 А / U за різного живлення:

Двигун того самого розміру на 4.2 А з індуктивністю 1.8 мГн набирає струм за 1.8 x 4.2 / 36 = 0.21 мс уже за напруги 36 В. Тому напругу підбирають разом з обмоткою двигуна: що вища індуктивність, то вище потрібне живлення для тієї самої швидкості.

Верхню межу задає драйвер. У його характеристиках указано діапазон живлення, наприклад 20-50 В, 24-80 В або 24-110 В постійного струму. Блок вибирають так, щоб його напруга з урахуванням підстроювання залишалася нижчою за верхню межу із запасом. Причина в гальмуванні: під час сповільнення двигун працює як генератор і повертає енергію в коло живлення. Імпульсний блок не приймає зворотний струм, енергія заряджає конденсатори драйвера й виходу блока, і напруга на них піднімається вище за номінал.

Розрахунок для драйвера з межею 50 В. Блок 48 В, піднятий підстроювальним резистором на 10%, дає 52.8 В, це вже вище за межу. Для такого драйвера беруть блок 36 В: навіть після підстроювання на +10% це 39.6 В, і 10 В залишаються на викид під час гальмування. Блок 48 В ставлять на драйвери з межею 70, 80 або 110 В. Занадто висока напруга для маленького двигуна теж зайва: двигун сильніше гріється і вібрує на низьких обертах.

Як розрахувати потужність і струм блока

Струм, який драйвер бере з блока, не дорівнює струму в обмотках. Драйвер працює як знижувальний перетворювач: подає на обмотку високу напругу короткими імпульсами і тримає в ній заданий струм, а з блока бере потужність, що дорівнює втратам в обмотках, механічній потужності на валу і власним втратам.

Приклад для того самого двигуна на 3 А з опором обмотки 1.6 Ом. На зупинці за повного струму у двох обмотках втрачається 2 x 3² x 1.6 = 28.8 Вт. Від блока 36 В драйвер бере при цьому 28.8 / 36 = 0.8 А, хоча струм в обмотках 3 А. У режимі половинного струму на зупинці втрати в 4 рази менші, 7.2 Вт. На швидкості додається механічна потужність: якщо осі потрібно 1 Н·м на 600 об/хв, це 1 x 2π x 600 / 60 = 62.8 Вт. Утримувальний момент для такого розрахунку не підходить, момент на робочій швидкості беруть за графіком двигуна.

На одну вісь виходить 28.8 + 62.8 = 91.6 Вт, на три осі 275 Вт без втрат у драйверах. До суми додають запас 20-30%: блок, який постійно працює на межі, сильніше гріється і швидше виходить з ладу. Із запасом 30% потрібно 357 Вт. Блок 36 В 10 А на 360 Вт працюватиме на межі, блок 36 В 13.8 А на 500 Вт залишає запас.

Блоки з пасивним охолодженням для тривалої роботи навантажують менше за паспортну потужність. У блока 12 В на 80 Вт тривале навантаження обмежене 61 Вт (5.1 А), у блока 24 В на 240 Вт обмежене 185 Вт (7.7 А), це 76-77% від номіналу. З мережі блок бере більше, ніж віддає, на величину своїх втрат: блоку на 500 Вт за напруги 220 В потрібно більше ніж 500 / 220 = 2.3 А, і автомат на вході вибирають за сумою всіх блоків шафи.

Типи блоків живлення для верстатів

Вихід нестабілізованого блока дорівнює змінній напрузі трансформатора, помноженій на 1.414, мінус спад на діодах моста. Трансформатор на 32 В дає 32 x 1.414 = 45.2 В, а під час підвищення мережі на 10% уже 49.8 В: для драйвера з межею 50 В запасу не залишається. Драйвери, які допускають живлення змінним струмом, підключають просто до вторинної обмотки трансформатора, випрямляч стоїть усередині драйвера.

Окреме живлення кіл керування

Контролер, датчики й реле на 12 або 24 В живлять від окремого невеликого блока, а не від силового блока драйверів. Під час розгону кількох осей силовий блок навантажується імпульсами струму, і окремий блок не пропускає просідання напруги й завади до контролера. Входи STEP і DIR драйверів для верстатів розв’язані оптронами, тому силова частина і кола керування можуть працювати від різних блоків.

Якщо на верстаті вже є 24 В, а вентилятору чи реле потрібно 12 В, ставлять знижувальний перетворювач DC-DC. У нього обмежений вхід: модуль на 5 А з входом 8-36 В підключають до блока 24 В, але не до блока 36 В або 48 В. Блок 36 В уже стоїть на верхній межі входу, а після підстроювання на +10% дає 39.6 В, це вище за 36 В. Вихідна напруга модуля завжди нижча за вхідну, а потужність обмежена: за напруги 12 В і струму 5 А це 60 Вт.

Підключення і монтаж

У частини блоків на бічній стінці стоїть перемикач вхідної напруги 110/220 В. Перед першим увімкненням перевіряють, що він у положенні 220 В: у положенні 110 В підключення до мережі 220 В виводить блок з ладу. Блоки з входом 100-240 В перемикача не мають і працюють від мережі 220 В одразу.

На колодці клеми L і N для мережі, клема заземлення і вихідні клеми +V та -V (COM), вихідних клем по дві або три, щоб підключити кілька споживачів. Корпус обов’язково з’єднують із захисним заземленням: у разі пробою ізоляції на ньому опиниться мережева напруга. Роботи на колодці виконують лише за вимкненої мережі, а вхідний конденсатор на 311 В після вимкнення розряджається не миттєво.

Кожен драйвер підключають до клем блока своєю парою проводів, зіркою, а не ланцюжком від драйвера до драйвера: у ланцюжку струм усіх осей іде через перші проводи й клеми, і просідання одного драйвера потрапляють на інші. Переріз проводу вибирають за струмом і довжиною. Опір мідного проводу R = 0.0175 x L / S, де L довжина в метрах туди й назад, S переріз у мм². Провід 0.75 мм² завдовжки 1.5 м до драйвера, це 3 м туди й назад, має 0.07 Ом і за струму 10 А втрачає 0.7 В і 7 Вт, у проводу 1.5 мм² втрати вдвічі менші. Гвинти клем затягують до упору: слабкий контакт під струмом гріється.

Блок ставлять у закриту шафу керування подалі від стружки й струмопровідного пилу: через перфорацію стружка потрапляє всередину корпусу і замикає плату. Навколо блока залишають вільне місце, вентиляційні отвори не закривають, впритул до драйверів та інших пристроїв, що нагріваються, блок не ставлять. Вентилятор періодично продувають від пилу.

Виходи двох блоків не з’єднують паралельно, якщо в характеристиках немає функції паралельної роботи: блоки з трохи різною напругою ділять навантаження нерівномірно, і один з них працює з перевантаженням. Якщо потрібен більший струм, беруть один блок більшої потужності або ділять драйвери між двома блоками.

Типові помилки

• Вмикати блок у мережу 220 В з перемикачем у положенні 110 В.
• Ставити блок 48 В на драйвер з межею живлення 50 В: під час гальмування двигунів напруга йде вище за межу.
• Підбирати блок упритул за потужністю, без запасу 20-30%.
• Навантажувати блок з пасивним охолодженням на повну паспортну потужність тривалий час.
• Підключати контролер і датчики на 12 або 24 В до силового блока 36 або 48 В.
• Підключати драйвери до блока ланцюжком, а не кожен своїми проводами.
• Не заземлювати корпус блока.
• Закривати вентиляційні отвори і ставити блок у зоні стружки.
• Підключати знижувальний перетворювач з входом до 36 В до блока 36 або 48 В.
• З’єднувати паралельно виходи двох блоків без функції паралельної роботи.