Wybór falownika do CNC – o czym pamiętać?

Wykorzystuje się je na frezarko grawerkach i ploterach frezujących. Najczęściej wrzeciona tego typu są zasilane falownikiem, a fachowo nazywa się je indukcyjnymi elektrowrzecionami. Należy postawić pytanie – do czego właściwie wykorzystuje się falowniki? Wyjdźmy od zasady, zgodnie z która działa silnik indukcyjny. Zgodnie z tą zasadą, prędkość obrotowa wrzeciona, zawsze będzie proporcjonalna do częstotliwości prądu zmiennego, odpowiedzialnego za zasilanie. Dzieje się tu inaczej niż w przypadku silników prądu stałego. Tam bowiem obrotowa prędkość jest proporcjonalna do wytwarzanego napięcia. Częstotliwość prądu w sieci to 50Hz, a w związku z tym prędkość obrotowa silnika indukcyjnego (o jednej parze biegunów) to około 50 obrotów na sekundę, czyli w przeliczeniu na obroty na minutę – 3000.

Kwestia zmiany prędkości wymaga też zmiany częstotliwości prądu zasilającego. Opcjonalnie – zmiany ilości par biegunów. Jeśli zwiększymy ilość par, mamy wówczas możliwość zredukowania prędkości obrotowej w silniku indukcyjnym. 2 pary biegunów to zredukowanie o połowę, czyli do 1500 obrotów na minutę. Warto jednak mieć na uwadze, że tu tylko zmniejszamy prędkość obrotową, w sposób skokowy a nie płynny.

W jaki sposób rozwiązać tę sytuację?

Trzeba właśnie zastosować falownik, który odpowiada za kilka zadań. Najpierw – prostuje prąd zmienny do stałego. Potem generuje powrotnie prąd zmienny, o ustalonej przez użytkownika częstotliwości i napięciu. Silnik indukcyjny ma stałe cechy jeśli chodzi o amplitudę i częstotliwości. Czyli – mamy do czynienia ze stałym stosunkiem częstotliwości do amplitudy zasilającego napięcia. Kiedy więc zmieniamy prędkość obrotową silnika indukcyjnego, trzeba zmienić częstotliwość, a proporcjonalnie zadbać o zmianę napięcia zasilającego silnik. Proces ten nosi nazwę sterowania u/f.

Kolejny sposób sterowania silnikiem indukcyjnym nosi nazwę sterowania wektorowego. Sterowanie to polega na tym, że w bezpośredni sposób sterujemy orientacją wektora w polu magnetycznym. Sposób ten jednak wymaga skomplikowanych matematycznych operacji, jeśli chodzi o wartości prądów w uzwojeniach silnika.

Sterowanie to znajduje przede wszystkim zastosowanie w obniżaniu prędkości obrotowej silnika indukcyjnego. Zaletą tego modelu daje o sobie znać w okolicznościach, gdy stosunek obrotowej prędkości do samego poślizgu ma niewielką wartość. Gdy stosujemy falownik, zwiększa się prędkość obrotowa do prędkości powyżej 3000 obr/min.

Poza tym, falownik wykorzystywany do napędu elektrowrzeciona musi mieć o wiele większa częstotliwość przełączania. Jej minimalna wartość to 20 kHz. Najczęściej spotykane w handlu są falowniki ogólnego przeznaczenia. W tym przypadku częstotliwość przełączania nie przekracza często 6kHz. To z kolei wpływa na generowanie prądu o kształcie nie sinusoidalnym, lecz „połamanym kwadratowym” co od sinusoidy plasuje się bardzo daleko. W rezultacie występują naprawdę znaczne straty w stojanie silnika co powoduje przegrzewanie się elektrowrzeciona (w szczególności chłodzonego z zastosowaniem powietrza) i w efekcie szybsze jego zużycie.

Z analogicznych przyczyn częstotliwość o maksymalnej wartości generowanego przebiegu w falowniku powinna być minimum 2 a najlepiej 4 razy większa niż częstotliwość prądu, który zasila wrzeciono. Np. wrzeciono 24000 obr/min powinno być zasilane prądem o wartości częstotliwości 400Hz więc falownik powinien mieć maksymalny zakres ok. 2000Hz.

Sporo prostszego typu maszyn CNC posiada falownik odpowiedzialny za sterowanie wrzecionem całkowicie niezależny od systemu sterowania, sprzęgnięty jedynie załączającym wrzeciono sygnałem. W niej właśnie system sterowania CNC nie ma kontroli nad tym jak zachowuje się wrzeciono. Czy nie jest przegrzane lub poddane przeciążeniu, jaka jest aktualna wartość prędkości obrotowej? Dodatkowo operator musi intuicyjnie dopasować obroty tylko za pomocą pokrętła na pulpicie. Falownik musi stale pozostawać w komunikacji z systemem sterowania przekazując mu na bieżąco np. obecny stan eksploatacji wrzeciona, co może być wykorzystane do dynamicznego sterowania prędkością posuwów albo diagnozowania symptomów awaryjnych, np. zatrzymania maszyny nim wystąpi uszkodzenie maszyny.

Poradnik powstał przy współpracy ze sklepem internetowym EBMiA.pl, który oferuje wysokiej jakości paski klinowe dostępne pod adresem: https://www.ebmia.pl/pasy-klinowe-kola-pasowe-c-196_479_480.html