Bei den auf Fräsplottern und Fräs-Graviermaschinen installierten Spindeln handelt es sich meist um Induktions-Elektrospindeln, die von einem Wechselrichter angetrieben werden. Wofür wird der Wechselrichter verwendet? Das Funktionsprinzip eines Induktionsmotors impliziert, dass die Drehzahl der Spindel im stationären Zustand proportional zur Frequenz des Versorgungsstroms (Wechselstroms) ist, anders als bei Gleichstrommotoren, wo die Drehzahl proportional zur Spannung ist. Bekanntlich beträgt die Frequenz des Stroms im Netz 50 Hz, daher beträgt die Drehzahl des Induktionsmotors (mit einem Polpaar) ca. 50 U/min, was ca. 3000 U/min ergibt.
Wenn wir diese Geschwindigkeit ändern wollen, müssen wir die Frequenz des Versorgungsstroms oder die Anzahl der Polpaare ändern. Durch die Erhöhung der Polpaarzahl lässt sich die Drehzahl des Induktionsmotors reduzieren. Zwei Polpaare ergeben 50 Hz /2 = 25 U/min = 1500 U/min, drei Polpaare ergeben 50 Hz /3 = 16,7 U/min = 1000 U/min. Allerdings ist auf diese Weise nur eine Reduzierung der Drehzahl möglich, und zwar nicht sanft, sondern schlagartig.
Die Lösung dieses Problems ist der Einsatz eines Wechselrichters. Der Wechselrichter richtet zunächst Wechselstrom in Gleichstrom um und erzeugt dann Wechselstrom mit der vom Benutzer gewünschten Spannung und Frequenz. Der Induktionsmotor hat eine konstante Amplituden-Frequenz-Kennlinie, d. h. das Verhältnis von Frequenz zur Amplitude der Versorgungsspannung sollte konstant sein. Daraus folgt, dass wir durch die Änderung der Drehzahl eines Induktionsmotors durch Änderung der Frequenz auch die Spannung, mit der der Motor versorgt wird, proportional ändern sollten. Dies ist das sogenannte u/f-Steuerung.
Es gibt eine andere Möglichkeit, einen Induktionsmotor zu steuern – die Vektorsteuerung. Die Vektorsteuerung ist eine Methode zur direkten Steuerung der Ausrichtung des Statormagnetfeldvektors auf der Grundlage komplexer mathematischer Transformationen von Stromwerten in einzelnen Motorwicklungen.
Die Vektorsteuerung wird hauptsächlich zur Reduzierung der Drehzahl eines Induktionsmotors verwendet. Die Vorteile dieser Regelungsart zeigen sich vor allem dort, wo das Verhältnis von Drehzahl zu Schlupf relativ klein ist. In einer Situation, in der der Einsatz eines Wechselrichters die Drehzahl über 3000 U/min deutlich erhöhen soll, ist der Einsatz eines Vektorwechselrichters nicht sinnvoll und führt manchmal sogar zu einer Verschlechterung der Antriebsparameter, weil der Wechselrichterprozessor nicht rechnen kann anschließende Feldorientierungen.
Darüber hinaus sollte der zum Antrieb der Elektrospindel verwendete Wechselrichter eine deutlich höhere Schaltfrequenz (mindestens 20 kHz) haben als die am häufigsten im Handel erhältlichen Allzweck-Wechselrichter, deren Schaltfrequenz häufig 6 kHz nicht überschreitet. Dadurch entsteht ein Strom, der keine Sinusform hat, sondern ein „gebrochenes Quadrat“, das nichts mit einer Sinuswelle zu tun hat. Dadurch kommt es zu erheblichen Verlusten im Motorstator, was zu einer Überhitzung der Elektrospindel (insbesondere bei Luftkühlung) führt und dadurch deren Verschleiß beschleunigt.
Aus ähnlichen Gründen sollte die maximale Nennfrequenz der im Wechselrichter erzeugten Wellenform mindestens zwei- und vorzugsweise viermal höher sein als die Frequenz der Spindelstromversorgung. Beispielsweise sollte eine Spindel mit 24.000 U/min mit 400-Hz-Strom betrieben werden, sodass der Wechselrichter einen maximalen Bereich von etwa 2.000 Hz haben sollte.
Viele einfache CNC-Maschinen verfügen über einen Spindelsteuerungsumrichter, der völlig unabhängig von der Steuerung ist und nur mit dem Spindelaktivierungssignal gekoppelt ist. Dies führt dazu, dass die CNC-Steuerung nicht weiß, was mit der Spindel passiert. Ist es nicht überlastet, überhitzt, wie hoch ist die aktuelle Drehzahl? Darüber hinaus muss der Bediener die Drehzahl oft „nach Augenmaß“ nur über den Drehknopf auf der Tischplatte einstellen. Der Umrichter sollte ständig mit der Steuerung kommunizieren und diese kontinuierlich bereitstellen, z. B. den aktuellen Zustand der Spindellast, der zur dynamischen Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit oder zur Erkennung von Notfallzuständen verwendet werden kann, z. B. das Stoppen der Maschine, bevor das Werkzeug beschädigt wird .
