Wrzeciona instalowane na ploterach frezujących i frezarko grawerkach są najczęściej indukcyjnymi elektrowrzecionami zasilanymi falownikiem. Do czego służy falownik? Z zasady działania silnika indukcyjnego wynika, że prędkość obrotowa wrzeciona w stanie ustalonym jest proporcjonalna do częstotliwości prądu zasilającego (zmiennego), inaczej jak w silnikach prądu stałego, gdzie prędkość obrotowa jest proporcjonalna do napięcia. Jak wiadomo częstotliwość prądu w sieci wynosi 50Hz w związku z tym prędkość obrotowa silnika indukcyjnego (o jednej parze biegunów) wynosi ok. 50 obr/sek co daje ok. 3000 obr/min. Jeżeli chcemy tą prędkość zmienić musimy zmienić częstotliwość prądu zasilającego, lub zmienić ilość par biegunów. Zwiększenie ilości par biegunów umożliwia zmniejszenie prędkości obrotowej silnika indukcyjnego. Dwie pary biegunów to 50Hz /2 = 25 obr/sek = 1500 obr/min, trzy pary biegunów to 50Hz /3 = 16.7obr/sek = 1000 obr/min. Jednak w ten sposób można tylko zmniejszyć prędkość obrotową i to nie płynnie lecz skokowo.

Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie falownika. Falownik najpierw prostuje prąd zmienny do stałego, a następnie generuje z niego prąd zmienny o napięciu i częstotliwości wymaganej przez użytkownika. Silnik indukcyjny posiada stałą charakterystykę amplitudowo częstotliwościową, czyli stosunek częstotliwości do amplitudy napięcia zasilającego powinien być stały. Wynika z tego, że zmieniając prędkość obrotową silnika indukcyjnego przez zmianę częstotliwości powinniśmy również proporcjonalnie zmieniać napięcie zasilające silnik. Jest to tzw. sterowanie u/f. Istnieje jeszcze inny sposób sterowania silnikiem indukcyjnym -sterowanie wektorowe. Sterowanie wektorowe jest to metoda polegająca na bezpośrednim sterowaniu oriętacją wektora pola magnetycznego stojana na podstawie skomplikowanych przekształceń matematycznych wartości prądów w poszczególnych uzwojeniach silnika.

Sterowanie wektorowe jest stosowane przede wszystkim do obniżania prędkości obrotowej silnika indukcyjnego. Zalety tego typu sterowania ujawniają się przede wszystkim w sytuacjach, gdy stosunek prędkości obrotowej do poślizgu jest stosunkowo niewielki. W sytuacji gdy zastosowanie falownika ma na celu znaczne zwiększenie prędkości obrotowej powyżej 3000 obr/min, STOSOWANIE FALOWNIKA WEKTOROWEGO NIE MA
SENSU, a niekiedy powoduje nawet pogorszenie parametrów napędu z powodu nienadążania w wyliczaniu kolejnych orientacji pola przez procesor
falownika.

Dodatkowo falownik użyty do napędu elektrowrzeciona powinien posiadać znacznie większą częstotliwość przełączania (co najmniej 20 kHz) niż falowniki ogólnego przeznaczenia najczęściej spotykane w handlu, których częstotliwość przełączania nie przekracza często 6kHz. Powoduje to powstanie prądu o kształcie nie sinusoidalnym, lecz "połamanym kwadratowym" nie mającym wiele wspólnego z sinusoidą. W efekcie pojawiają się znaczne straty w stojanie silnika co powoduje przegrzewanie się elektrowrzeciona (szczególnie chłodzonego powietrzem) i w efekcie przyspieszenie jego zużycia.

Z podobnych powodów maksymalna nominalna częstotliwość generowanego przebiegu w falowniku powinna być co najmniej 2 a najlepiej 4 razy większa niż częstotliwość prądu zasilającego wrzeciono. Np. wrzeciono 24000 obr/min powinno być zasilane prądem o częstotliwości 400Hz więc falownik powinien mieć maksymalny zakres ok. 2000Hz.

Wiele prostych maszyn CNC posiada falownik sterujący wrzecionem całkowicie niezależny od systemu sterowania, sprzęgnięty tylko sygnałem załączającym wrzeciono. Powoduje to sytuację w której system sterowania CNC nie wie co się dzieje z wrzecionem. Czy nie jest przeciążone, przegrzane, jaka jest aktualna wartość prędkości obrotowej? Dodatkowo operator często "na oko" musi ustawiać obroty tylko za pomocą pokrętła na pulpicie. Falownik powinien ciągle komunikować się z systemem sterowania przekazując mu na bieżąco np. aktualny stan obciążenia wrzeciona, co może być wykorzystane do dynamicznego sterowania prędkością posuwów, lub wykrywania stanów awaryjnych, np. zatrzymania maszyny zanim narzędzie zostanie uszkodzone.

Przemysław Kimla
www.kimla.pl