Які проводи потрібні для підключення частотника до шпинделя: Докладний посібник

Підключення шпинделя до частотного перетворювача (ПЧ або інвертора) - критично важливий етап складання та обслуговування фрезерного верстата з ЧПУ. Частотник генерує сильні високочастотні електромагнітні перешкоди (ЕМП), які можуть спричиняти збої в роботі контролера, кінцевих датчиків і призводити до пропусків кроків кроковими двигунами. Правильний вибір кабелю гарантує стабільну роботу верстата та безпеку оператора.

Нижче розібрано вимоги до кабелю, схему підключення U, V, W і PE, розпіновку роз’єму шпинделя, підбір перерізу для кабелю до шпинделя і для вхідного кабелю частотника, заземлення екрана, укладання в гнучкий кабель-канал, допустиму довжину лінії та часті помилки.

Основні вимоги до кабелю для шпинделя

Для з’єднання інвертора і шпинделя не можна використовувати звичайний побутовий провід (наприклад, ПВС або ВВГ). Кабель має відповідати трьом основним критеріям.

1. Обов’язкове екранування

Високочастотні струми, що йдуть від ПЧ до шпинделя, працюють як антена, що випромінює радіоперешкоди.

• Тип екрана: щільне обплетення з мідного (краще лудженого) дроту. Важлива провідність екрана: ABB у посібнику із заземлення та кабелів приводів вимагає, щоб вона була не меншою за 1/10 провідності фазної жили, і зазначає, що мідний екран цю вимогу виконує. У кабелів, зроблених спеціально для частотників, екран подвійний: наприклад, у ÖLFLEX FD VFD це фольга з покриттям 100% і луджене мідне обплетення з покриттям 85%. Фольга гасить перешкоди вищих частот, обплетення нижчих.
• Захист електроніки: екранування локалізує наводки всередині кабелю, захищаючи слабкострумові сигнальні лінії верстата.

2. Кількість жил

Переважна більшість шпинделів верстатів з ЧПУ є трифазними асинхронними двигунами.

• Стандартна конфігурація: потрібен кабель на 4 жили плюс екран.
• Призначення: три жили використовуються для передачі фаз (підключаються до клем U, V, W на частотнику і до контактів 1, 2, 3 на роз’ємі шпинделя), а четверта (жовто-зелена) для захисного заземлення (клема PE і контакт 4).

3. Висока гнучкість (для укладання в гнучкий кабель-канал)

Оскільки шпиндель постійно переміщується по осях Y і Z, кабель піддається безперервним динамічним навантаженням на згинання.

• Клас гнучкості: необхідно використовувати багатодротовий кабель не нижче 5-го або 6-го класу гнучкості.
• Радіус згину: для кабелів для гнучких кабель-каналів виробник указує мінімальний радіус для постійного руху. У ÖLFLEX FD VFD це 7,5 діаметра кабелю, у chainflex CF31 7,5 діаметра при +15...+60 °C і 10 діаметрів при +5...+15 °C. Для кабелю ÖLFLEX FD VFD 4 × 2,5 мм² діаметром 12,7 мм це 7,5 × 12,7 = 95 мм.
• Стійкість до зносу: оболонка має бути стійкою до стирання і, бажано, до впливу мастил та СОЖ (мастильно-охолоджувальних рідин).

Схема підключення шпинделя до частотника: U, V, W, PE і екран

Фазні жили з’єднують вихідні клеми частотника з обмотками шпинделя, жила PE з’єднує корпус шпинделя з клемою заземлення частотника, а екран охоплює всі чотири жили і з’єднується із землею на обох кінцях. Мережеве живлення подається тільки на вхідні клеми R, S, T: посібник Huanyang прямо забороняє подавати мережу на вихід U, V, W.

Роз’єм шпинделя: нумерація контактів

Шпинделі на 1,5-3 кВт комплектуються круглим чотириконтактним роз’ємом, який називають авіаційним. Контакти 1, 2, 3 підключаються до U, V, W, контакт 4 до заземлення. Так описують підключення EagleTec для водяного шпинделя GDZ-100-3 (3 кВт) і Maker Hardware для водяних і повітряних шпинделів 1,5 і 2,2 кВт. У частини шпинделів з повітряним охолодженням роз’єм шестиконтактний: наприклад, у GDZ93x82-2.2 контакти 1, 2, 3 ідуть на U, V, W, контакт PE на землю, а контакти 4 і 5 не підключаються.

• Звіряйте номери на ізоляторі, а не положення контакту. Нумерація відрізняється в різних виробників: на форумі Carbide 3D описано роз’єм, у якого номери по колу від ключа йдуть у порядку 1-3-4-2, тому контакт заземлення стоїть на іншому місці, ніж в інших шпинделів.
• Перевірте, що контакт 4 з’єднаний з корпусом. Maker Hardware рекомендує до підключення продзвонити омметром контакт 4 і корпус шпинделя і, якщо зв’язку немає, додати провід заземлення. На форумах Carbide 3D і CNCZone описано шпинделі, у яких до контакту 4 всередині нічого не підключено.
• Паяння та ізоляція. Жили до контактів роз’єму шпинделя припаюють, на боці частотника обтискають наконечниками, кожне з’єднання закривають термозбіжною трубкою (рекомендація Maker Hardware).

Номінал авіаційних роз’ємів GX16 і GX20

Якщо в лінії ставиться проміжний роз’єм GX16 або GX20 (наприклад, на панелі шафи), перевірте його номінал за документацією конкретного виробника: він має бути не меншим за робочу напругу частотника і струм шпинделя. Номінали в різних виробників різні: для кабельної розетки GX16M-4A в каталозі AS Energi вказано 7 А і 125 В, а Renhotec вказує для серії GX16 до 400 В і 7-10 А, для GX20 до 400 В і 10-15 А.

Друге обмеження - діаметр кабелю. Затискач GX16M-4A розрахований на кабель діаметром 6,5 мм, а екранований кабель для частотника ÖLFLEX FD VFD 4 × 2,5 мм² має діаметр 12,7 мм і в такий роз’єм не ввійде. Роз’єм підбирають під зовнішній діаметр вибраного кабелю.

Напрямок обертання

Якщо після запуску шпиндель обертається у зворотний бік, достатньо поміняти місцями дві будь-які фази на клемах частотника, наприклад U і V. Заземлення та екран при цьому не чіпають.

Як підібрати переріз кабелю?

Переріз струмопровідних жил прямо залежить від потужності шпинделя та споживаного ним струму. Використання занадто тонкого кабелю призведе до його перегріву та падіння напруги, а занадто товстого - до проблем з монтажем у роз’єми і зайвої жорсткості в кабель-каналі.

Номінальний струм вказаний на шильдику шпинделя, і саме за ним перевіряють переріз. Якщо виробник шпинделя сам указує кабель, орієнтуйтеся на його рекомендацію: наприклад, EagleTec для шпинделя GDZ-100-3 (3 кВт) рекомендує м’який екранований кабель 4 × 2,5 мм².

Допустимий струм для гнучких багатожильних кабелів

Для перевірки зручно користуватися таблицею 12-1 LAPP (на основі DIN VDE 0298-4). Значення нижче стосуються багатожильних кабелів з ізоляцією з ПВХ, гуми або TPE, у яких під навантаженням 2 або 3 жили, при температурі повітря +30 °C.

При температурі вище +30 °C і при щільному укладанні кількох кабелів LAPP вводить понижувальні коефіцієнти (таблиці 12-2 і 12-7), тому кабель у заповненому кабель-каналі беруть із запасом за струмом.

Вхідний кабель частотника: однофазні 220 В і трифазні 380 В

Кабель від мережі до частотника підбирають за вхідним струмом перетворювача, а не за струмом шпинделя. В однофазних моделей вхідний струм більший за вихідний у 1,9-2,3 раза. Дані з посібника Huanyang GT:

Приклад розрахунку: однофазний частотник 2,2 кВт споживає 23 А. За таблицею LAPP жила 1,5 мм² витримує 18 А, а 2,5 мм² витримує 26 А, отже, вхідний кабель потрібен не тонший за 3 × 2,5 мм² (фаза, нуль, PE), хоча до шпинделя при цьому йде 4 × 1,5 мм². Для однофазного частотника 4,0 кВт вхідний струм 36 А більший за допустимі для 4 мм² 34 А, і переріз підбирають за повною таблицею.

• Однофазне підключення: фаза і нуль підключаються до двох клем із R, S, T. До яких саме, вказано в посібнику моделі: у Huanyang HY до будь-яких двох, у серії FC до R і S. Провід PE підключається до клеми E (PE).
• Напруга шпинделя: вихідна напруга частотника не вища за вхідну (так вказано в характеристиках Huanyang GT). Тому шпиндель на 220 В підключають до частотника класу 220 В, а шпиндель на 380 В до частотника класу 380 В. Напруга шпинделя вказана на його шильдику.
• Захист на вході: між мережею і клемами R, S, T обов’язково ставиться автоматичний вимикач. Huanyang GT рекомендує номінал у 1,5-2 раза більший за номінальний струм перетворювача. Якщо в лінії є ПЗВ (УЗО), Huanyang HY вимагає вибирати модель, розраховану на високочастотні струми витоку.

Правила монтажу та підключення екрана

Навіть найдорожчий екранований кабель не захистить від перешкод, якщо його неправильно підключити.

Екран моторного кабелю заземлюється з двох боків

Для силового кабелю між частотником і двигуном виробники приводів і кабелів вимагають з’єднувати екран із землею на обох кінцях. ABB вимагає завжди заземлювати екран моторного кабелю з боку двигуна і вказує, що заземлення екрана по колу (360°) на обох кінцях знижує напруги, які спричиняють струми через підшипники. Huanyang у посібнику GT пише, що один бік екрана з’єднується із землею, а інший з корпусом двигуна. LUTZE в посібнику з оброблення кабелів для частотників зазначає, що на відміну від сигнальних кіл екран силового кабелю заземлюється і в шафі, і біля двигуна. Екран, заземлений тільки біля частотника, не дає високочастотним струмам короткого шляху назад до перетворювача.

• З боку частотника: обплетення притискають хомутом по всьому колу (360°) до заземленої монтажної панелі або шини PE шафи. LUTZE називає такий притиск найефективнішим способом, а косичку менш ефективним. Для екранованих кабелів керування Huanyang GT прямо забороняє скручувати екран і заводити його на клему заземлення, бо це сильно знижує або повністю прибирає ефект екранування. Неекранована ділянка жил біля клем за вимогою ABB має бути якомога коротшою.
• З боку шпинделя: обплетення затискають під металевим кабельним затискачем роз’єму, щоб через корпус роз’єму воно з’єдналося з корпусом шпинделя. Якщо корпус роз’єму пластиковий, екран з’єднують з контактом PE коротким відводом. LUTZE вимагає робити такий відвід якомога коротшим і з обплетення разом із дренажним проводом, а ABB допускає скручений екран, якщо його ширина більша за 1/5 довжини.
• Дренажний провід: один дренажний провід без обплетення як відвід LUTZE не рекомендує.

Коли екран заземлюють з одного боку

Правило «заземлювати екран тільки з одного боку» стосується сигнальних кабелів: кінцевих датчиків, датчика довжини інструмента, аналогової лінії 0-10 В до частотника. ABB пише, що заземлення екрана сигнального кабелю з одного боку в більшості випадків достатньо, а при заземленні з двох боків утворюється петля, якою тече низькочастотний струм, якщо потенціали кінців різні. Екран сигнальних кабелів заземлюють хомутом на боці контролера або частотника, другий кінець залишають вільним.

Заземлення шпинделя і частотника

• Клема E (PE) частотника обов’язково заземлюється. Huanyang HY вимагає опір заземлення не більше 100 Ом для класу 220 В і не більше 10 Ом для класу 380 В.
• Провід заземлення роблять якомога коротшим і не використовують спільний провід заземлення зі зварювальним апаратом та іншим потужним обладнанням (Huanyang HY).
• Корпус шпинделя заземлюється через жилу PE і контакт 4 роз’єму, тому зв’язок контакту 4 з корпусом перевіряють омметром до першого запуску.

Розділення трас і перешкоди для крокових двигунів

• Розділення трас: силовий кабель шпинделя має прокладатися в кабель-каналі на максимально можливій відстані від сигнальних проводів (кінцевих датчиків, енкодерів). Huanyang GT забороняє прокладати сигнальні та силові кабелі паралельно ближче ніж 20 см і зв’язувати їх разом. Якщо перетин неминучий, він має відбуватися під кутом 90 градусів.
• Кабель керування частотником: лінію 0-10 В і команди пуску від контролера до частотника Huanyang HY наказує вести екранованим кабелем перерізом 0,5-2 мм² в окремому каналі від силових проводів.
• Вхідний і вихідний кабелі частотника не укладають разом і не зв’язують: за посібником Huanyang GT ємнісний зв’язок між ними зводить нанівець роботу мережевого ЕМС-фільтра.
• У гнучкому кабель-каналі верстата витримати 20 см по всій довжині неможливо, тому там особливо важливі екран кабелю шпинделя, заземлений з двох боків, і екрановані сигнальні кабелі.

Прокладання в гнучкому кабель-каналі: ПВС, КГ чи екранований гнучкий кабель

Кабель до шпинделя згинається при кожному ході порталу і каретки Z, тому до нього, крім екрана, висувається вимога щодо ресурсу згинів.

Якщо в паспорті кабелю немає мінімального радіуса згину для постійного руху і ресурсу в циклах, кабель не розрахований на роботу в гнучкому кабель-каналі.

Правила укладання з рекомендацій igus для гнучких кабель-каналів (енерголанцюгів):

• Радіус згину кабель-каналу вибирають за найтовщим або найжорсткішим кабелем у ньому. Більший радіус, ніж мінімальний, подовжує строк служби.
• Навколо круглих кабелів залишають не менше 10% вільного простору, кожен кабель має вільно рухатися вбік і вздовж радіуса.
• Кабель укладають прямо, без скручування, і не змотують з верху бухти.
• Кабелі різного діаметра розділяють перегородками, щоб вони не заплутувалися і не наповзали один на одного.
• Кабелі закріплюють від натягу на обох кінцях кабель-каналу.

Максимальна довжина кабелю від частотника до шпинделя

Допустима довжина моторного кабелю вказана в посібнику частотника і відрізняється в різних серій:

• Huanyang HY: якщо довжина перевищує 15 м для класу 220 В або 30 м для класу 380 В, на обмотках двигуна виникають високі швидкості наростання напруги (dV/dt), які руйнують міжвиткову ізоляцію. У цьому разі потрібен двигун, розрахований на роботу від частотника, або реактор на виході.
• Huanyang GT і YINGSHIDA AE200: при довжині понад 50 м струм витоку через паразитну ємність кабелю спричиняє спрацювання захисту за струмом. Huanyang GT наказує ставити вихідний реактор або синусний фільтр, а для ще більшої довжини реактори через певні ділянки.
• При довгому кабелі Huanyang рекомендує знижувати несучу частоту: що вона вища, то більші струми витоку в кабелі.

Струми витоку і спрацювання ПЗВ

Струм витоку на землю залежить від розподіленої ємності кабелю і несучої частоти. За посібником Huanyang GT він зростає зі зростанням несучої частоти, довжини моторного кабелю і перерізу жил і може спричиняти хибне спрацювання ПЗВ (УЗО) і реле. Способи зниження: зменшити несучу частоту, не завищувати довжину кабелю, використовувати ПЗВ, розраховане на високочастотні струми витоку.

Водяне і повітряне охолодження: що змінюється в підключенні

• Силова частина однакова. І у водяного, і в повітряного шпинделя три фази йдуть на U, V, W, а заземлення на PE. Кабель і правила заземлення екрана ті самі.
• Повітряний шпиндель із крильчаткою на валу (наприклад, GDZ93x82-2.2) окремого живлення вентилятора не потребує: вентилятор обертається разом із валом.
• Повітряний шпиндель з незалежним вентилятором (наприклад, HQD GDF60-18Z/5.5) має вентилятор з живленням 220 В 50 Гц від однофазної мережі. Його підключають окремим кабелем від мережі, а не від виходу частотника, частота на якому змінюється.
• Водяний шпиндель працює тільки разом із насосом. Насос зручно вмикати вихідним реле частотника, щоб він працював завжди, коли обертається шпиндель. У Huanyang HY реле FA, FB, FC налаштовується параметром PD052: значення 01 означає спрацювання під час роботи перетворювача, заводське значення 02 означає сигнал аварії. Контакти реле розраховані на 3 А при 250 В змінного струму, насос із більшим струмом підключають через проміжне реле або контактор.

Часті помилки при підключенні шпинделя

1. Неекранований кабель (ПВС, КГ) між частотником і шпинделем: перешкоди на кінцевики і крокові двигуни.
2. Екран заземлений тільки з одного боку або через довгу косичку.
3. Контакт 4 роз’єму не з’єднаний з корпусом шпинделя або не підключений до PE частотника.
4. Номери контактів роз’єму визначені за положенням, а не за маркуванням на ізоляторі.
5. Мережа підключена до клем U, V, W замість R, S, T. Посібник Huanyang це забороняє.
6. Контактор, вимикач, конденсатори або LC і RC фільтри між частотником і шпинделем. Huanyang GT забороняє комутацію виходу, Huanyang HY забороняє конденсатори і фільтри на виході.
7. Робота з клемами та роз’ємом одразу після вимкнення: Huanyang GT і YINGSHIDA AE200 вимагають зачекати 10 хвилин, поки розрядяться конденсатори.
8. Вхідний кабель однофазного частотника підібраний за струмом шпинделя, хоча вхідний струм у 1,9-2,3 раза більший.
9. Кабель шпинделя зв’язаний стяжками із сигнальними кабелями в одній комірці кабель-каналу.
10. Радіус згину в кабель-каналі менший за допустимий для кабелю.