Kalkulator Penurunan Voltan Kabel | Alat Penentuan Saiz Wayar AWG & mm²

Kalkulator kejatuhan voltan kabel mengira jumlah voltan yang hilang apabila arus elektrik mengalir melalui panjang wayar. Ia menggunakan rintangan, panjang dan arus wayar untuk menentukan kejatuhan voltan, kuasa yang terbazir sebagai haba dan voltan yang benar-benar sampai ke beban.

Setiap wayar mempunyai rintangan tertentu. Apabila arus mengalir melalui rintangan itu, sebahagian voltan bekalan digunakan sebelum arus sampai ke peranti di hujung yang satu lagi. Wayar yang pendek dan tebal kehilangan voltan yang sangat sedikit. Wayar yang panjang dan nipis boleh kehilangan voltan yang mencukupi sehingga motor menjadi terlalu panas, lampu menjadi malap atau bateri gagal dicas sepenuhnya.

Cara mengira kejatuhan voltan

Kalkulator ini memerlukan enam input: panjang kabel, unit panjang (kaki atau meter), tolok wayar, sistem tolok (AWG atau mm²), arus beban dalam ampere dan voltan bekalan dalam volt. Kalkulator kemudian memberikan kejatuhan voltan, peratusan kejatuhan, kuasa yang hilang sebagai haba dan voltan yang dihantar.

Formula

Bagi litar dua konduktor piawai (satu wayar pergi ke beban dan satu wayar kembali), kejatuhan voltan ialah:

$V_{drop} = 2 \times I \times \frac{R}{1000} \times L$

• $I$ = arus beban, dalam ampere
• $R$ = rintangan wayar bagi setiap 1000 kaki (AWG) atau bagi setiap 1000 meter (mm²), maka nilainya dibahagi dengan 1000 untuk mendapatkan rintangan bagi setiap kaki atau meter
• $L$ = panjang kabel sehala, dalam kaki (AWG) atau meter (mm²)
• Faktor 2 mengambil kira kedua-dua konduktor, kerana arus perlu mengalir pergi dan kembali

Kuasa yang hilang sebagai haba dalam wayar diberikan oleh:

$P_{loss} = I^2 \times R_{total}$

dengan $R_{total}$ ialah jumlah rintangan kedua-dua konduktor ($R_{total} = 2 \times \frac{R}{1000} \times L$, menggunakan unit yang selaras).

Voltan yang sampai ke beban ialah:

$V_{delivered} = V_{supply} - V_{drop}$

Dan kejatuhan sebagai bahagian daripada bekalan ialah:

$\%_{drop} = \frac{V_{drop}}{V_{supply}} \times 100$

Nilai rintangan wayar

Saiz American Wire Gauge (AWG) menggunakan angka rintangan daripada NEC Bab 9, Jadual 8, yang diberikan dalam ohm bagi setiap 1000 kaki pada 75 °C, iaitu suhu kendalian standard bagi wayar bangunan biasa.

Saiz metrik (mm²) bermula dengan had rintangan konduktor IEC 60,228, yang diterbitkan pada 20 °C. Rintangan kuprum meningkat mengikut suhu, jadi kalkulator melaraskan setiap nilai mm² kepada asas 75 °C yang sama sebelum membandingkannya dengan angka AWG. Pelarasan itu menggunakan pekali suhu rintangan kuprum, kira-kira 0.00393 bagi setiap °C:

$R_{75°C} = R_{20°C} \times [1 + 0.00393 \times (75 - 20)]$

Ini meningkatkan setiap nilai IEC dengan faktor kira-kira 1.216. Sebagai contoh, wayar 6 mm² diberi kadar 3.08 ohm bagi setiap 1000 meter pada 20 °C, yang menjadi kira-kira 3.75 ohm bagi setiap 1000 meter pada 75 °C. Penggunaan angka 20 °C yang tidak dilaraskan akan merendahkan anggaran kejatuhan voltan sebenar kira-kira 18%.

Panjang ditukar secara automatik: kaki untuk saiz AWG dan meter untuk saiz mm², tanpa mengira unit yang dimasukkan. Penukaran itu menggunakan kaki antarabangsa yang ditakrifkan, iaitu 1 kaki = tepat 0.3048 meter.

Contoh pengiraan

Litar cawangan kediaman

Litar 120 V sepanjang 100 kaki menggunakan wayar 12 AWG (1.93 ohm bagi setiap 1000 kaki) yang membawa 15 A.

• Kejatuhan voltan: 5.79 V (4.82% daripada bekalan)
• Kehilangan kuasa: 86.85 W
• Voltan dihantar: 114.21 V

Ini melebihi panduan 3% yang lazim digunakan untuk litar cawangan. Penggunaan 10 AWG mengurangkan kejatuhan kepada 3.63 V (3.02%), yang masih sedikit melebihi 3%. Penggunaan 8 AWG mengurangkannya kepada 2.292 V (1.91%), jauh dalam had tersebut.

Litar DC solar

Sistem DC 48 V sepanjang 50 meter menggunakan wayar 6 mm² (3.08 ohm bagi setiap 1000 meter pada 20 °C, kira-kira 3.75 ohm bagi setiap 1000 meter selepas dilaraskan kepada 75 °C) yang membawa 20 A.

• Kejatuhan voltan: 7.491 V (15.61% daripada bekalan)
• Kehilangan kuasa: 149.83 W
• Voltan dihantar: 40.51 V

Kejatuhan sebesar ini membazirkan bahagian output sistem yang ketara sebagai haba dan menyebabkan penyongsang atau bank bateri kekurangan voltan. Penggunaan wayar 16 mm² mengurangkan kejatuhan kepada 2.797 V (5.83%) dan kehilangan kepada kira-kira 56 W.

Litar industri 240 V

Litar 240 V sepanjang 200 kaki menggunakan wayar 6 AWG (0.491 ohm bagi setiap 1000 kaki) yang membawa 40 A.

• Kejatuhan voltan: 7.856 V (3.27% daripada bekalan)
• Kehilangan kuasa: 314.24 W
• Voltan dihantar: 232.14 V

Ini hanya sedikit melebihi panduan 3%. Peningkatan kepada 4 AWG mengurangkan kejatuhan kepada 4.928 V (2.05%).

Kesan saiz wayar terhadap kuasa yang terbazir

Saiz wayar mempengaruhi kehilangan haba secara langsung, kerana kehilangan kuasa meningkat mengikut kuasa dua arus tetapi hanya secara linear dengan rintangan. Bagi laluan 50 kaki pada 20 A, wayar 10 AWG (1.21 ohm bagi setiap 1000 kaki) kehilangan kira-kira 48.4 W sebagai haba, manakala wayar 6 AWG (0.491 ohm bagi setiap 1000 kaki) kehilangan kira-kira 19.6 W bagi arus yang sama. Wayar yang lebih besar menjimatkan hampir 29 W yang sebaliknya akan terbazir, bukan dihantar kepada beban.

Had kejatuhan voltan yang disyorkan

NEC (National Electrical Code, piawaian pendawaian yang digunakan di seluruh Amerika Syarikat) memberikan had yang lazim dipetik berikut sebagai nota maklumat, bukan peraturan ketat:

• 3% untuk litar cawangan sahaja
• 5% untuk gabungan penyuap dan litar cawangan

Melebihi had ini tidak semestinya melanggar undang-undang, tetapi boleh menyebabkan lampu menjadi malap, motor beroperasi pada suhu tinggi dan elektronik berfungsi tidak menentu. IEEE Std 141 memberikan panduan yang serupa untuk sistem kuasa industri dan komersial.

AWG berbanding mm²

American Wire Gauge bermula pada 1857 dan menggunakan skala logaritma terbalik: nombor yang lebih kecil bermaksud wayar yang lebih tebal. Pengurangan tiga nombor tolok kira-kira menggandakan luas keratan rentas. Sistem ini menjadi piawai di seluruh Amerika Utara.

Sistem mm² menyatakan luas keratan rentas kuprum secara langsung dalam milimeter persegi, maka wayar 2.5 mm² mempunyai 2.5 milimeter persegi kuprum. Sistem ini digunakan di kebanyakan negara lain.

Had

Kalkulator ini hanya meliputi litar DC dua konduktor atau litar AC satu fasa. Ia tidak terpakai untuk:

• Litar tiga fasa, yang menggunakan formula berbeza dengan faktor √3 dan secara umum menunjukkan peratusan kejatuhan yang lebih rendah berbanding litar satu fasa yang membawa kuasa sama.
• Konduktor AC besar, melebihi kira-kira 1/0 AWG, apabila reaktans induktif ditambah kepada rintangan biasa. NEC Bab 9, Jadual 9 menyenaraikan nilai impedans untuk keadaan itu.
• Pengisian konduit dan suhu ambien melebihi 75 °C, yang kedua-duanya meningkatkan rintangan sebenar wayar melebihi nilai jadual piawai yang digunakan di sini.

Jika kejatuhan voltan yang dikira sama dengan atau melebihi voltan bekalan, litar langsung tidak dapat menghantar arus yang dimasukkan; kalkulator menandakan keadaan ini dan bukannya memaparkan voltan dihantar yang negatif.

Soalan lazim

Apakah kejatuhan voltan? Kejatuhan voltan ialah kehilangan voltan yang berlaku apabila arus mengalir melalui rintangan wayar, sama seperti tekanan air yang menurun sepanjang hos taman yang panjang. Sebahagian voltan bekalan tidak pernah sampai ke beban.

Berapakah peratusan kejatuhan voltan yang boleh diterima? Panduan NEC yang lazim dipetik ialah 3% untuk litar cawangan dan 5% untuk penyuap dan litar cawangan secara gabungan. Melebihi nilai itu boleh menyebabkan motor, lampu dan elektronik berfungsi dengan tidak baik.

Bagaimanakah kejatuhan voltan boleh dikurangkan? Gunakan wayar yang lebih tebal, pendekkan laluan kabel, kurangkan arus beban atau, jika praktikal, tingkatkan voltan bekalan. Wayar yang lebih tebal ialah penyelesaian yang paling biasa.

Mengapakah formula didarab dengan 2? Arus mengalir ke beban melalui satu konduktor dan kembali melalui konduktor kedua. Kedua-dua konduktor menambah rintangan, maka kedua-duanya dikira.

Adakah kejatuhan voltan membazirkan tenaga? Ya. Rintangan yang sama yang menyebabkan kejatuhan itu juga menukarkan sebahagian arus kepada haba, mengikut $P = I^2 \times R$. Haba itu ialah tenaga yang dibayar tetapi tidak pernah dihantar kepada beban.

Berdasarkan suhu berapakah nilai rintangan ini? 75 °C (167°F), iaitu kadaran standard bagi jenis wayar bangunan biasa seperti THHN dan THWN. Nilai AWG diambil terus daripada Jadual NEC 8 pada suhu tersebut. Nilai mm² ditukar daripada angka 20 °C yang diterbitkan dalam IEC 60,228.

Adakah kalkulator ini berfungsi untuk kuasa tiga fasa? Tidak. Kalkulator ini direka untuk litar dua konduktor satu fasa. Kejatuhan voltan tiga fasa memerlukan formula berasingan yang merangkumi faktor √3.

Rujukan

1. National Fire Protection Association, NFPA 70: National Electrical Code, Edisi 2023 — Artikel 210.19(A) (kejatuhan voltan litar cawangan), Bab 9, Jadual 8 (rintangan konduktor), Jadual 9 (impedans AC).
2. Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE Std 141-1993 (Red Book), Amalan Disyorkan untuk Pengagihan Kuasa Elektrik bagi Loji Industri.
3. International Electrotechnical Commission, IEC 60,228: Konduktor Kabel Berpenebat.