Электричество для станков с ЧПУ в цехе: расчёт мощности, трёхфазный ввод, падение напряжения и стабилизатор

Чем цех отличается от мастерской

Статья об оснащении мастерской объясняет, как разделить линии, зачем УЗО и какое сечение берут под 16 А. Там речь про гараж и один-два станка на 220 В. В цеху меняется масштаб: несколько мощных потребителей, трёхфазное питание, длинные трассы от щита до станка и нужда в договоре с сетевой организацией. Электромонтаж всё так же делает электрик с допуском, а ваша задача это понять, сколько мощности заказывать и что у вас просить.

Установленная и расчётная мощность

Установленная мощность — сумма паспортных мощностей всего оборудования. Но все станки одновременно на максимуме не работают: лазер режет, фрезер стоит под загрузкой листа, компрессор то включается, то выключается. Поэтому для расчёта вводного автомата берут расчётную мощность: установленную, умноженную на коэффициент одновременности. Для небольшого цеха его принимают 0,7–0,8, и это допущение, а не норма: если станки у вас всегда работают одновременно, берите 0,9–1,0.

Возьмём цех, о котором мы писали в статье о планировке на 100 м²: волоконный станок на 1,5 кВт и, например, две модели Wattsan: CO2-лазер 1610 ST и фрезер A1 1325.

Приводимые мощности станков берите из паспортов вашей комплектации. У волоконного станка к потреблению источника добавляются чиллер, приводы, вытяжка и компрессор, и отдельно считать их нужно по паспортам, а не по мощности лазера в названии модели.

Ток по фазам и ввод

Ток для трёхфазной нагрузки считают по формуле I = P / (√3 × U × cos φ). При напряжении 380 В и cos φ около 0,85 это 1,79 А на каждый киловатт. Для однофазных 220 В ток составляет примерно 4,5 А на киловатт.

Вводной автомат берут с запасом 20–25 % на рост: через год у вас появится ещё один станок. В цеху с запасом лучше сразу заказывать у сетевой организации 25–30 кВт.

Однофазные потребители, к которым относятся лазеры CO2 по паспорту (1610 ST питается от 220 В), распределяют по трём фазам равномерно: перекос фаз нагревает трёхфазные двигатели и портит работу чувствительной электроники. Электрик решает это при проектировании щита.

Стоимость и сроки подключения мощности зависят от сетевой организации и региона: Правила технологического присоединения (постановление Правительства № 861) определяют сроки до 30 рабочих дней, четырёх или шести месяцев в зависимости от расстояния до сети и мощности. Подробности и таблицу сроков смотрите в статье о стоимости цеха лазерной резки. Запросите у арендодателя акт о технологическом присоединении, где указана максимальная мощность помещения, до того как подписывать договор аренды.

Падение напряжения на кабеле

Чем длиннее линия и тоньше кабель, тем больше напряжения теряется по дороге. Для трёхфазной линии потеря в вольтах равна √3 × I × L × ρ / S, где ρ для меди 0,0175 Ом·мм²/м (при 20 °C, на горячем кабеле на 20 % больше), L длина линии в метрах, S сечение в мм². В таблице ток 32 А, температура 20 °C.

Допустимое падение на практике закладывают не более 3–5 % до самого дальнего станка, это принятая проектная практика, а не жёсткий норматив. На 100 метрах кабель 6 мм² для 32 А (4,3 %) на грани допустимого, а 10 мм² (2,6 %) укладывается. Для однофазной линии 16 А кабелем 2,5 мм² на 40 метров потери при полной нагрузке составляют около 4 %, и именно такие удлинённые розеточные линии вызывают сбои контроллеров.

Падение при пуске выше, чем в работе: двигатели компрессора, стружкоотсоса и вакуумного насоса в момент включения тянут ток в несколько раз больше номинального. Если при включении компрессора мигает свет и перезагружается станок, причина обычно в длине и сечении кабеля или в слабом вводе, а не в станке. Практики советуют разводить станок и мощных потребителей, компрессор и пылесос, по разным фазам и не включать компрессор, пока идёт длинная программа.

Когда нужен стабилизатор

ГОСТ 32144-2013 задаёт нормы качества электроэнергии в сетях общего назначения: допустимое отклонение напряжения в точке подключения обычно составляет ±10 % номинального. При 220 В это 198–242 В. Если под нагрузкой ваше напряжение стабильно выходит за эти пределы, станки будут сбоить, а двигатели перегреваться.

Порядок действий такой:

1. Измерьте. Поставьте регистратор напряжения на неделю и посмотрите минимум во время работы станков. Утренние и вечерние провалы видны сразу. Отдельно замерьте напряжение на вводе в момент пуска компрессора: иногда станку хватает этого замера, и стабилизатор не нужен.
2. Проверьте кабель. Сравните напряжение на щите и на станке при полной нагрузке. Если на станке на 5 % меньше, виновата линия, и стабилизатор лишь замаскирует проблему.
3. Если сеть проседает целиком, обратитесь в сетевую организацию: напряжение в точке присоединения — её ответственность.
4. Стабилизатор, когда нужен, берут трёхфазный, с запасом по мощности 1,5 от нагрузки и с диапазоном входного напряжения шире, чем вы замерили. Он стоит заметных денег и тоже потребляет энергию.

Дешевле и часто полезнее поставить источник бесперебойного питания с двойным преобразованием на компьютер и контроллер: он защищает от провалов и коротких отключений, при которых станок теряет программу посреди листа. Весь станок на ИБП не ставят, мощность слишком велика, а вакуумный насос на него не вешают вовсе.

Если стабилизатор всё же нужен, на практике для станка со шпинделем 1,5–2,2 кВт называют 3–5 кВА, и считают его по станку целиком, без пылесоса и компрессора. Для чувствительных задач вроде гравировки, где на изделии видны полосы от питания, релейный стабилизатор не годится: нужен онлайн-ИБП или сервоприводный стабилизатор.

После отключения света не продолжайте работу вслепую. Заново привяжите инструмент по Z и запускайте программу с места чуть раньше точки остановки. Если стойка умеет сохранять состояние при потере питания, включите эту функцию.

Что просить у электрика и заказывать у сети

• Отдельный автомат и кабель на каждый станок с запасом по току и сечению с учётом длины трассы.
• Заземление и защитный проводник PE до каждого станка. У станков с частотными преобразователями и импульсными блоками питания повышены токи утечки, поэтому тип УЗО подбирает электрик.
• Вводной щит с учётом перспективы: место под два-три будущих автомата и общий рубильник.
• Расчёт падения напряжения на самую длинную трассу, написанный в проекте.
• Заказ мощности с запасом 25–30 %, пока это дешевле, чем увеличивать позже.

Станок на пусконаладке подключает сервис продавца, и подключает он его к готовой сети: щиту, заземлению и стабилизатору на вашей стороне. Поэтому требования к площадке лучше уточнить у сервисной службы до поставки, а не искать электрика в день приезда инженера. Сервис Lasercut делает пусконаладку и для станков, купленных у других продавцов.

Расход электричества в деньгах для цеха невелик: волоконный станок при 12 кВт и загрузке по мощности 60 % потребляет 7,2 кВт·ч в час, около 72 ₽ при тарифе 10 ₽, CO2-лазер 1610 ST около 16 ₽, фрезер около 41 ₽. Эти значения входят в расчёт нормо-часа в калькуляторе, где электричество составляет менее 4 % себестоимости часа. Поэтому экономить на кабеле и вводе ради тарифа бессмысленно, а считать мощность нужно ради надёжности.