Частотні перетворювачі (частотники) для шпинделя верстата ЧПУ

Що таке частотний перетворювач

Частотний перетворювач, або частотник, це блок живлення для трифазного асинхронного двигуна, який змінює частоту й напругу на виході. Що вища частота, то швидше обертається двигун. У верстаті з ЧПУ частотник живить шпиндель: запускає його плавно, тримає задані оберти, зупиняє й вимикає під час перевантаження.

Шпиндель фрезерного верстата розрахований на високу частоту. Двополюсний шпиндель на 24000 об/хв працює на 400 Гц, а в мережі 50 Гц. Увімкнути такий шпиндель у розетку не можна, йому потрібен перетворювач, який видасть 400 Гц і дасть змогу змінювати оберти під фрезу й матеріал.

Як влаштований і як працює частотник

Усередині перетворювача три силові вузли й плата керування:

• Випрямляч. Діодний міст перетворює змінну напругу мережі на постійну.
• Ланка постійного струму. Конденсатори згладжують випрямлену напругу. Без навантаження вони заряджаються до амплітуди мережі: 311 В від мережі 220 В і 537 В від мережі 380 В.
• Інвертор. Транзисторні ключі IGBT під’єднують виходи U, V, W то до плюса, то до мінуса шини з частотою несучої в одиниці й десятки кілогерц. Змінюючи ширину імпульсів (широтно-імпульсна модуляція, ШІМ), інвертор отримує в обмотках струм синусоїдальної форми потрібної частоти.
• Плата керування. Приймає завдання частоти від пульта, аналогового входу або через RS485, розраховує напругу й стежить за струмом, напругою шини й температурою.

Найпростіший закон керування називають V/f або скалярним: напруга зростає пропорційно частоті, щоб магнітний потік у двигуні залишався сталим. Для шпинделів цього режиму достатньо. Багато перетворювачів уміють і векторне керування, але в нього буває нижча межа частоти: у YINGSHIDA AE200H у режимі V/f вихід до 600 Гц, а у векторному режимі до 300 Гц.

Частота несучої ШІМ впливає на шум і нагрів. Delta в посібнику VFD-M наводить залежність: за 1 кГц сильніше чутно шум двигуна, але менші електромагнітні завади, струми витоку й нагрів перетворювача; за 15 кГц навпаки.

Живлення 220 В або 380 В

Частотники поділяють за напругою мережі на вході. Модель з однофазним входом 220 В видає три фази до 220 В і підходить для шпинделів на 220 В. Модель з трифазним входом 380 В видає три фази до 380 В для шпинделів на 380 В. Однофазний частотник на 220 В видає на виході не більше 220 В, тому шпиндель на 380 В від нього не працює.

Під час однофазного живлення весь струм іде однією фазою, тому вхідний струм вищий за вихідний. У Delta VFD015M21A на 1.5 кВт номінальний вихідний струм 7 А, вхідний 15.7 А за однофазного живлення й 8.8 А за трифазного. Автомат і переріз проводу живлення вибирають за вхідним струмом із посібника, а не за потужністю шпинделя.

Як вибрати частотник за потужністю, струмом і частотою

Частотник підбирають під шпиндель за трьома параметрами з його шильдика.

• Струм. Номінальний вихідний струм частотника не нижчий за номінальний струм шпинделя. Струм важливіший за потужність: саме за ним перетворювач обмежує перевантаження.
• Потужність. Не нижча за потужність шпинделя. У деяких моделей на шильдику дві потужності, наприклад в AE200 «4.0G-5.5P». Літера G означає режим сталого моменту з важким навантаженням, P режим насосів і вентиляторів. Для шпинделя дивляться на значення G.
• Максимальна частота. Не нижча за номінальну частоту шпинделя: 400 Гц для шпинделя на 24000 об/хв із двома полюсами.

Оберти поля в двигуні рахують за формулою n = 60·f / p, де f частота в герцах, p кількість пар полюсів. У двополюсного шпинделя одна пара полюсів, і 400 Гц дають 60·400 = 24000 об/хв. У чотириполюсного шпинделя дві пари, і на тих самих 400 Гц він обертається з 12000 об/хв. Під навантаженням ротор асинхронного шпинделя відстає від поля на величину ковзання.

Приклад розрахунку. Шпиндель 2.2 кВт, 220 В, 400 Гц, номінальний струм 10 А. Потрібен частотник з однофазним входом 220 В, вихідним струмом не нижче 10 А й частотою до 400 Гц або вище. Такій парі відповідає, наприклад, YINGSHIDA AE200 2.2 кВт з вихідним струмом 10 А й частотою до 600 Гц.

Основні параметри налаштування

Номери параметрів у кожної моделі свої, але набір налаштувань для шпинделя той самий. У Delta VFD-M максимальна частота задається в Pr.03, базова в Pr.04, джерело частоти в Pr.00, джерело команди пуску в Pr.01. У частотників Huanyang базова частота це PD004, максимальна PD005.

Базова частота й напруга задають відношення V/f. Якщо для шпинделя на 400 Гц залишити заводську базову частоту 50 або 60 Гц, перетворювач видасть повну напругу вже на низькій частоті, і струм шпинделя різко зросте. Якщо занизити максимальну частоту, шпиндель не набере паспортних обертів.

Керування частотником від контролера ЧПУ

Щоб оберти й пуск задавала керуюча програма, частотник під’єднують до контролера верстата. Способів три, їх можна поєднувати.

• Аналоговий вхід 0-10 В. Контролер видає напругу, пропорційну заданим обертам, частотник перераховує її в частоту. У Delta VFD-M сигнал 0-10 В масштабується на діапазон до максимальної частоти Pr.03, тому за максимальної частоти 400 Гц сигнал 5 В дає 200 Гц. Вхід у Delta VFD-M називається AVI, у YINGSHIDA AE200 FV.
• Дискретні входи FWD і REV. Контакт реле контролера замикає вхід пуску зі спільним проводом. В AE200 за замовчуванням вхід S1 це пуск уперед, S2 пуск назад, спільний провід COM. У Delta VFD-M функції входів M0 і M1 вибирають параметром, спільний провід GND.
• RS485 Modbus. Цифрова лінія передає команди пуску, частоту й читає стан перетворювача. У Delta VFD-M вбудований Modbus зі швидкістю до 38400 біт/с. Клеми RS485 є не в усіх моделей, їх наявність перевіряють за посібником і за клемною колодкою. Контролер або програма керування верстатом мають підтримувати протокол конкретної моделі.

Після підключення в параметрах вибирають джерело частоти «аналоговий вхід» або «RS485» і джерело команди пуску «клеми» або «RS485». Релейний вихід частотника можна завести на вхід контролера, щоб верстат зупинявся під час аварії перетворювача.

Гальмівний резистор

Під час гальмування ротор шпинделя обертається швидше за поле, і двигун працює генератором. Енергія повертається в ланку постійного струму, напруга на конденсаторах зростає. Перетворювач захищається від перенапруги: у Delta VFD-M за ввімкненої функції Pr.25 він перестає знижувати частоту, якщо напруга шини перевищує заданий поріг (заводське значення 390 В для серії 230 В), і гальмування затягується. Якщо час гальмування надто короткий, спрацьовує захист від перенапруги.

Гальмівний резистор скидає зайву енергію в тепло. Його під’єднують до клем гальмівного ключа: у YINGSHIDA AE200 це DC+ і PB, у Delta VFD-M B1 і B2. Гальмівний ключ вбудований в усі моделі VFD-M. Для моделі на 1.5 кВт 230 В Delta рекомендує резистор 300 Вт 100 Ом, мінімальний опір 55 Ом. Резистор Delta вимагає ставити не ближче 10 см від перетворювача, щоб уникнути завад. Якщо шпиндель можна гальмувати довше, резистор не обов’язковий: достатньо збільшити час гальмування.

Охолодження й розміщення в шафі

Перетворювач виділяє тепло на силових ключах, тому його ставлять вертикально й залишають місце для повітря. Delta для VFD-M вимагає не менше 120 мм зверху й знизу та 50 мм з боків, посібник YINGSHIDA AE200H вимагає 150 мм зверху й знизу та 50 мм з боків. Робоча температура AE200H від -10 до +50 °C, вище 40 °C навантаження знижують.

Частотник ставлять у закриту шафу, куди не потрапляє стружка, пил і волога. Металева стружка й пил усередині корпусу спричиняють замикання, деревний пил забиває радіатор і вентилятор. Якщо в шафі кілька перетворювачів або блоків живлення, гаряче повітря від одного не має йти на інший.

Завади, екранування й заземлення

ШІМ із крутими фронтами імпульсів створює завади. Кабель від частотника до шпинделя випромінює їх, а через ємність обмоток на корпус тече струм витоку. Завади збивають кінцевики, датчики й сигнали кроків, якщо не вжити заходів.

• Кабель шпинделя беруть екранований, чотирижильний: U, V, W і провід заземлення PE. Екран силового кабелю з’єднують із землею з обох боків, з боку перетворювача й з боку шпинделя.
• Сигнальні дроти 0-10 В, FWD, REV ведуть екранованим кабелем. Delta для VFD-M вимагає під’єднувати екран сигнального кабелю лише з боку перетворювача, а не з двох боків.
• Силові й сигнальні кабелі прокладають окремо, а перетинають під прямим кутом.
• Мережевий фільтр ставлять якомога ближче до перетворювача. Зниження частоти несучої теж зменшує завади.
• Перетворювач обов’язково заземлюють. У посібнику YINGSHIDA AE200 зазначено, що без заземлення на корпусі може наводитися напруга 30-150 В.
• Струми витоку частотника можуть вибивати ПЗВ на 30 мА. Delta для своїх перетворювачів рекомендує пристрій захисного вимкнення з порогом 200 мА й часом спрацьовування не менше 0.1 с.

Типові помилки підключення й налаштування

• Мережу подано на вихідні клеми U, V, W. Перетворювач виходить з ладу під час першого ввімкнення.
• Між частотником і шпинделем поставлено конденсатори, фільтр або RC-ланку. Посібники Delta та YINGSHIDA це забороняють.
• Базову частоту залишено на заводських 50 або 60 Гц. Шпиндель перегрівається й не виходить на оберти.
• Максимальна частота нижча за номінальну частоту шпинделя, або оберти в програмі ЧПУ не збігаються з налаштуванням. Реальні оберти не відповідають заданим.
• Пуск і зупинка контактором на вході частотника. Посібник AE200 не рекомендує часто запускати й зупиняти перетворювач контактором змінного струму, для цього є входи FWD і REV.
• Не вибрано джерело частоти або джерело команди пуску. Контролер видає 0-10 В, а частотник і далі слухає пульт.
• Не задано номінальний струм шпинделя. Захист від перевантаження спрацьовує пізно або не спрацьовує.
• Роботи на клемах одразу після вимкнення. Конденсатори ланки тримають небезпечну напругу, обидва посібники вимагають чекати 10 хвилин.
• Шпиндель обертається не в той бік. Міняють місцями два будь-які дроти U, V, W на виході або напрямок у налаштуваннях, а не дроти мережі.

Перший пуск роблять без фрези на низькій частоті: перевіряють напрямок обертання, струм на дисплеї й нагрів, потім піднімають частоту до номінальної й перевіряють роботу від контролера.