Kalkulator Susutan Voltan

Formula susutan voltan VD = (2 × K × I × L) / CM mengira susutan dalam volt, di mana:

• K ialah pemalar kerintangan (12.9 untuk tembaga, 21.2 untuk aluminium pada 75°C)
• I ialah arus beban dalam amp
• L ialah panjang litar satu arah dalam kaki
• CM ialah luas keratan rentas konduktor dalam mil bulat (circular mils)

Untuk litar tiga fasa, gantikan faktor 2 dengan 1.732.

Litar 20-amp menggunakan tembaga 12 AWG (6530 CM) sepanjang 100 kaki: VD = (2 × 12.9 × 20 × 100) / 6530 = 7.9V, iaitu 6.6% pada litar 120V — melebihi syor 3%. Meningkatkan saiz kepada 10 AWG (10380 CM) mengurangkan susutan ini kepada 5.0V (4.1%), dan 8 AWG (16510 CM) mencapai 3.1V (2.6%).

Litar jarak jauh hampir sentiasa memerlukan saiz wayar yang lebih besar daripada saiz minimum bertaraf keupayaan arus (ampacity).

Jadual ampacity NEC (Jadual 310.16) menentukan saiz wayar minimum berdasarkan kapasiti membawa arus, tetapi kejatuhan voltan sering memerlukan konduktor yang lebih besar untuk larian yang melebihi 50-100 kaki.

Senario biasa yang memerlukan naik taraf saiz:

• subpanel garaj (larian biasa 50-100 kaki memerlukan 4 AWG atau lebih besar untuk servis 60A)
• pam telaga (larian 200-500 kaki mungkin memerlukan 6 AWG untuk pam 10A 240V)
• litar pencahayaan luaran (larian lampu landskap yang panjang)
• bangunan pertanian

Jadual saiz praktikal untuk litar 120V, 20A dengan kejatuhan maksima 3%:

• sehingga 50 kaki guna 12 AWG
• 50-80 kaki guna 10 AWG
• 80-120 kaki guna 8 AWG
• 120-200 kaki guna 6 AWG

Untuk litar 240V, saiz wayar yang sama menyokong dua kali ganda jarak kerana peratusan kejatuhan dibahagi dua oleh voltan yang lebih tinggi.

Motor sangat sensitif terhadap kejatuhan voltan. Motor yang menerima 5% di bawah voltan terkadar menarik kira-kira 5% lebih arus (untuk mengekalkan output kuasa), meningkatkan suhu penggulungan sebanyak 10-15% dan mengurangkan hayat penebat. Pada kejatuhan voltan 10%, tork motor berkurangan kira-kira 19% (tork berubah mengikut kuasa dua voltan), berpotensi menyebabkan kegagalan untuk hidup di bawah beban. Pemacu frekuensi boleh ubah (VFD) agak lebih bertolak ansur tetapi mungkin mengalami kerosakan pada input voltan rendah.

Dari perspektif kos tenaga, kejatuhan voltan mewakili pembaziran tulen — kuasa yang dilesapkan sebagai haba dalam konduktor adalah sama dengan I²R. Larian 100 kaki 12 AWG yang membawa 20A secara berterusan membazirkan kira-kira 158 watt (7.9V × 20A), kos $140 setahun pada $0.12/kWh. Naik taraf kepada 10 AWG mengurangkan pembaziran ini sebanyak 37%, dengan perbezaan kos wayar biasanya balik modal dalam masa 2-3 tahun melalui penjimatan tenaga.

Untuk mengira kejatuhan voltan bagi litar fasa tunggal, guna VD = (2 × K × I × L) / CM, di mana:

• K ialah pemalar kerintangan (12.9 untuk tembaga, 21.2 untuk aluminium pada 75 darjah C)
• I ialah arus dalam ampere
• L ialah panjang sehala dalam kaki
• CM ialah kawasan konduktor dalam mil bulat

Faktor 2 mengambil kira konduktor pergi dan balik. Untuk litar tiga fasa, gantikan 2 dengan punca kuasa dua 3 (1.732).

Contoh: beban 20 A pada tembaga 12 AWG (6,530 CM) melebihi 80 kaki memberikan VD = (2 × 12.9 × 20 × 80) / 6,530 = 6.32 V.

Ini berpunca daripada hukum Ohm (V = IR) — hubungan yang sama yang diaplikasikan oleh kalkulator jam dan minit kami — seperti yang dijelaskan oleh HyperPhysics Universiti Negeri Georgia.

Kejatuhan voltan diukur dalam volt (V), unit SI bagi perbezaan keupayaan elektrik, yang ditentukan oleh BIPM sebagai satu joule per coulomb. Arus menggunakan ampere (A), unit asas SI, dan rintangan menggunakan ohm, sama dengan satu volt per ampere.

Keratan rentas konduktor dalam amalan AS diberikan dalam mil bulat (CM), di mana satu mil bulat ialah kawasan bulatan berdiameter 0.001 inci; 1,000 CM sama dengan satu kcmil. Dalam sistem metrik, keratan rentas adalah dalam milimeter persegi dan kerintangan dalam ohm-meter.

NIST mengekalkan definisi unit elektrik ini, dan piawaian IEC menyelaraskan kegunaan antarabangsa mereka dalam spesifikasi pendawaian.

Kejatuhan voltan berkadar terus dengan panjang konduktor: menggandakan larian menggandakan kejatuhan, dengan syarat lain adalah sama. Kerana formula menggunakan panjang sehala L tetapi merangkumi faktor 2 (atau 1.732 untuk tiga fasa) untuk laluan balik, jumlah jarak arus tembaga bergerak adalah perkara yang penting.

Larian tembaga 12 AWG sejauh 50 kaki pada 20 A jatuh kira-kira 3.95 V, manakala wayar yang sama pada 100 kaki jatuh kira-kira 7.9 V.

Hubungan linear inilah sebabnya litar panjang, seperti pam telaga, taman RV, dan pencahayaan luaran, selalunya memerlukan konduktor bersaiz lebih besar. Khan Academy mendapati kadar berkadar yang sama dalam rintangan, memandangkan R meningkat secara linear dengan panjang konduktor untuk keratan rentas tetap.

Tembaga mengalirkan elektrik dengan lebih baik daripada aluminium, jadi ia menghasilkan kejatuhan voltan yang lebih sedikit untuk saiz wayar yang sama. Kerintangan aluminium memberikan nilai K kira-kira 21.2 berbanding 12.9 untuk tembaga, bermakna aluminium menurunkan kira-kira 64% lebih banyak voltan dalam konduktor yang sama.

Untuk pampasan, pendawaian aluminium biasanya diletakkan satu hingga dua langkah AWG lebih besar; sebagai contoh, litar yang memerlukan tembaga 6 AWG selalunya menggunakan aluminium 4 AWG.

Aluminium lebih ringan dan lebih murah setiap ampere, sebab itulah utiliti menyokongnya untuk penyuap besar dan pintu masuk servis. Encyclopaedia Britannica menyenaraikan perak and tembaga sebagai konduktor biasa terbaik, dengan aluminium rapat di belakangnya, mengikut nilai kerintangan terbitan mereka.

Litar tiga fasa menggunakan pengganda 1.732 (punca kuasa dua 3) dan bukannya 2 dalam formula kejatuhan voltan, jadi untuk arus, panjang, and saiz wayar yang sama, ia menurunkan voltan kira-kira 13.4% lebih rendah daripada litar fasa tunggal.

Lebih penting lagi, pengagihan tiga fasa menyampaikan lebih banyak kuasa pada arus talian tertentu, jadi konduktor membawa lebih sedikit amperaj untuk beban yang sama, seterusnya mengurangkan kerugian I darab R.

Inilah sebabnya mengapa sistem komersial dan industri, motor, and peralatan HVAC besar menyukai kuasa tiga fasa. Hubungan ini mengikut teori tiga fasa seimbang yang diterangkan dalam piawaian kejuruteraan elektrik IEEE dan IEC, di mana voltan talian ke talian bergabung pada sudut fasa 120 darjah.

Analisis kejatuhan voltan adalah penting dalam banyak tetapan praktikal.

• Juruelektrik menyaizkan penyuap untuk subpanel garaj dan bangunan terpencil di mana larian 50 hingga 150 kaki boleh menyebabkan beban kekurangan bekalan kuasa.
• Pemasang solar mengira kejatuhan pada larian kabel DC dan AV untuk mengekalkan output tatasusunan, dan juruteknik RV dan marin bekerja dengan sistem voltan rendah 12 V dan 24 V di mana kejatuhan kecil pun adalah peratusan yang ketara.
• Pereka bentuk automotif dan bank bateri menggunakannya untuk pendawaian win dan penyongsang.
• Pam pertanian dan pengairan, lampu landskap, and litar pengecas EV semuanya bergantung pada matematik yang sama.

NEC menyediakan cadangan kejatuhan voltan (3% cawangan, 5% jumlah) yang membimbing keputusan ini merentas projek kediaman, komersial, dan industri.

Ralat yang paling kerap berlaku adalah menggunakan jumlah panjang perjalanan pergi-balik dan bukannya panjang sehala L, yang mengira dua kali jarak kerana formula telah merangkumi faktor 2.

• Satu lagi kesilapan ialah mengenakan faktor fasa tunggal 2 pada litar tiga fasa dan bukannya 1.732.
• Ramai orang juga lupa untuk menggunakan nilai K yang betul untuk aluminium (21.2) berbanding tembaga (12.9), atau mengabaikan bahawa rintangan meningkat mengikut suhu, jadi konduktor panas menurunkan lebih banyak voltan daripada yang sejuk.
• Mengelirukan tolok wayar dengan mil bulat, atau mencampurkan unit metrik dan imperial, menghasilkan ralat yang besar.

Akhir sekali, menganggap angka NEC 3% and 5% sebagai keperluan kod tegar dan bukannya cadangan adalah salah tanggapan biasa, seperti yang dinyatakan dalam nota maklumat NEC.

Cara yang paling berkesan untuk mengurangkan kejatuhan voltan adalah dengan meningkatkan saiz konduktor, memandangkan kejatuhan berkadar songsang dengan mil bulat; naik taraf dari 12 AWG (6,530 CM) kepada 10 AWG (10,380 CM) mengurangkan kejatuhan sebanyak kira-kira 37%.

Memendekkan larian, menggunakan tembaga dan bukannya aluminium, dan menaikkan voltan sistem semuanya membantu, kerana pada voltan yang lebih tinggi kejatuhan mutlak yang sama adalah peratusan yang lebih kecil. Sebagai contoh, memindahkan beban daripada 120 V kepada 240 V membahagi dua peratusan kejatuhan untuk pendawaian yang seiras.

Memecahkan beban berat merentasi litar selari mengurangkan arus setiap konduktor.

HyperPhysics dan Khan Academy kedua-duanya menggambarkan cara setiap tuil ini mengubah kerugian I darab R dalam konduktor.