نحوه محاسبه افت ولتاژ یکی از مسائل مهمی است که در طراحی و بررسی مدارهای برقی باید به آن توجه کنیم. وقتی جریان برق از یک سیم یا قطعه عبور می‌کند، مقداری از انرژی الکتریکی از بین می‌رود و این باعث کاهش ولتاژ می‌شود. به این کاهش، “افت ولتاژ” گفته می‌شود.
در اینجا ، توضیح می دهیم افت ولتاژ چیست، چرا اتفاق می‌افتد و چگونه می‌توان آن را در مدارهای جریان مستقیم (DC) و جریان متناوب (AC) محاسبه کرد. و مثال های راجب نحوه محاسبه افت ولتاژ میزنیم تا بهتر این موضوع را درک کنید.
در ادامه با ماشین حساب آنلاین افت ولتاژ را می توانید محاسبه کنید.برای محاسبه ظرفیت باتری هم میتوانید به این صفحه مراجعه کنید.
ماشین حساب سطح مقطع کابل
(محاسبه حداقل سطح مقطع مورد نیاز برای محدود کردن افت ولتاژ)
ورودی‌ها
نتایج محاسبه
توان بار: 0 وات جریان بار: 0 آمپر افت ولتاژ مجاز (حداکثر): 0 ولت (0 %) سطح مقطع محاسبه شده (بر اساس افت ولتاژ): 0.000 میلی‌متر مربع اندازه کابل پیشنهادی (استاندارد بعدی): N/A میلی‌متر مربع**توضیحات:**
– این محاسبه حداقل سطح مقطع لازم برای رعایت افت ولتاژ مجاز را بر اساس مقاومت اهمی هادی تخمین می‌زند. – برای انتخاب نهایی کابل، باید ظرفیت حمل جریان (Ampacity) آن را نیز بر اساس استانداردها، روش نصب، دمای محیط و سایر عوامل بررسی کنید. – در مسافت‌های کوتاه، ظرفیت حمل جریان و در مسافت‌های طولانی، افت ولتاژ معمولاً عامل تعیین‌کننده انتخاب کابل هستند. – راکتانس القایی کابل در این محاسبه در نظر گرفته **نشده** است، که در کابل‌های بزرگ و طولانی می‌تواند بر افت ولتاژ تأثیرگذار باشد.افت ولتاژ چیست و چرا مهم است؟
وقتی برق از سیم‌ها عبور می‌کند، مقداری از انرژی آن به دلیل مقاومت سیم‌ها از بین می‌رود. این اتفاق سبب می‌شود که ولتاژ (فشار برق) در مسیر کم شود. به این کاهش، افت ولتاژ می‌گویند. اگر افت ولتاژ زیاد باشد، ممکن است وسایل برقی درست کار نکنند یا حتی خراب شوند. به همین خاطر، محاسبه و کنترل افت ولتاژ خیلی مهم است.
چطور در مدارهای AC افت ولتاژ را محاسبه کنیم؟
وقتی با مدارهای جریان متناوب (AC) سروکار داریم، حساب کردن افت ولتاژ کمی دشوارتر از مدارهای DC است.که در ادامه راجب از مدارهای DCصحبت میکنیم. در این قسمت علاوه بر مقاومت (R)، باید عامل دیگری به‌نام راکتانس (X) را هم در نظر بگیریم. راکتانس به دو نوع تقسیم می‌شود: راکتانس القایی (XL) و راکتانس خازنی (XC). این دو مورد به‌خاطر وجود سلف‌ها و خازن‌ها در مدار به‌وجود می‌آیند.
در مدارهای AC، برای ساده‌تر شدن محاسبات، مقاومت (R) و راکتانس (X) را در یک کمیت کلی به‌نام امپدانس (Z) ترکیب می‌کنند. امپدانس یک عدد مختلط است که هم بخش واقعی (مقاومت) و هم بخش موهومی (راکتانس) دارد:
Z = R + jX
در این فرمول، j همان واحد عدد موهومی است ریاضی‌دان‌ها از j به‌جای i استفاده می‌کنند تا با جریان اشتباه گرفته نشود.
نحوه محاسبه افت ولتاژ در مدار AC
وقتی مقدار امپدانس (Z) و جریان (I) معلوم باشد، می‌توان با استفاده از قانون اهم برای مدارهای AC، افت ولتاژ (E) را محاسبه کرد:
E = Z × I
یعنی اگر بدانیم امپدانس مدار چند اهم است و چه مقدار جریان از آن عبور می‌کند، متوجه می شویم که چقدر ولتاژ در مسیر افت می‌کند.
چه عواملی روی افت ولتاژ در مدارهای AC تأثیر می‌گذارند؟
در مدارهای جریان متناوب (AC)، عوامل گوناگونی سبب کاهش ولتاژ می‌شوند. در جدول زیر، این عوامل را توضیح می دهیم:
| عامل تأثیرگذار | توضیح |
| جریان مصرفی (IB) | هر چقدر جریان بیشتری از کابل عبور کند، افت ولتاژ بیشتر می‌شود.
|
| مقاومت سیم (R) | اگر سیم مقاومت بیشتری داشته باشد (مثلاً جنس نامناسب یا قطر کم)، ولتاژ بیشتری از دست می‌رود.
|
| طول کابل (L) | هر چه مسیر کابل طولانی‌تر باشد، افت ولتاژ نیز بیشتر خواهد بود. |
| راکتانس القایی (X) | سیم‌ها به خاطر اثر مغناطیسی هم مقداری مقاومت اضافی دارند که به آن راکتانس می‌گویند. این مقدار هم در افت ولتاژ نقش دارد. |
| نوع ولتاژ (Vn یا Un) | ولتاژ بین فاز و نول یا بین دو فاز در نحوه محاسبه افت ولتاژ اهمیت دارد.
|
| زاویه فاز (Φ) | زاویه‌ای که بین جریان و ولتاژ وجود دارد، می‌تواند در کاهش یا افزایش افت ولتاژ موثر باشد. |
چطور افت ولتاژ را با استفاده از واحد میل دایره‌ای محاسبه کنیم؟
برای محاسبه افت ولتاژ در سیم‌ها، یکی از راه حل‌هایی که در استانداردهای آمریکایی کاربرد بیشتری دارد، استفاده از واحدی به نام میل دایره‌ای (Circular Mil) است. این واحد، برای نشان دادن سطح مقطع سیم‌ها به کار می‌رود و در محاسبات مربوط به برق بسیار کاربردی است.
فرمول کاربردی برای نحوه محاسبه افت ولتاژ چیست؟
برای به‌دست آوردن نحوه محاسبه افت ولتاژ با کمک میل دایره‌ای، از فرمول زیر استفاده می‌شود:
افت ولتاژ= (K × L × I × P) ÷ A
که در آن:
- L طول سیم است که بر حسب فوت (foot) اندازه‌گیری می‌شود.
- K مقدار مقاومت مخصوص سیم است. این عدد با توجه به نوع فلز (مثل مس یا آلومینیوم) متفاوت است و واحد آن “اهم × میل دایره‌ای / فوت” است.
- I مقدار جریانی است که از سیم عبور می‌کند و واحد آن آمپر (A) است.
- Pضریب فاز است. برای مدارهای تکفاز عدد ۲ و برای مدارهای سه‌فاز عدد 1.732 استفاده می‌شود.
- A سطح مقطع سیم است که با واحد میل دایره‌ای (CM) بیان می‌شود.
مثالی کاربردی:
فرض کنید سیمی با طول 100 فوت دارید، جریان عبوری از آن 20 آمپر است، جنس سیم از مس است (K=10.4)، مدار از نوع تکفاز است و سطح مقطع سیم برابر با 6,530 CM باشد. حالا کافی است اعداد را در فرمول جایگذاری کنیم:
افت ولتاژ = (10.4 × 100 × 20 × 2) ÷ 6530 ≈ 6.36 ولت
چرا این فرمول کاربردی است؟
این راه حل بیشتر در طراحی مدارهای برق فشار ضعیف، تابلوهای برق و کابل‌کشی‌های صنعتی یا ساختمانی بسیار مفید است. با دانستن طول سیم و مقدار جریان، میتوانید به‌راحتی سیم با سطح مقطع مناسب انتخاب کنید تا افت ولتاژ بیش از حد مجاز نباشد.
در مدارهای DC چگونه افت ولتاژ محاسبه می‌شود؟
در مدارهای جریان مستقیم، قانون اهم (Ohm’s Law) نقش کلیدی در محاسبه افت ولتاژ دارد. طبق این قانون:
V = I × R
V نشان‌دهنده افت ولتاژ بر حسب ولت، I مقدار جریان عبوری بر حسب آمپر و R مقاومت مدار بر حسب اهم است.
نحوه محاسبه افت ولتاژ در یک خط برق DC
فرض کنید طول سیم برق 100 فوت باشد. چون جریان باید از رفت و برگشت عبور کند، طول موثر سیم 2 × 100 = 200 فوت می‌شود. مقاومت هادی را بر اساس مشخصات فنی 1.02 اهم در 1000 فوت در نظر می‌گیریم. جریان عبوری نیز 10 آمپر است.
با جایگذاری در فرمول:
R کل = (1.02 × 200) / 1000 = 0.204 اهم
V افت = I × R = 10 × 0.204 = 2.04 ولت
در این مثال، افت ولتاژ 2.04 ولت خواهد بود.
جمع‌بندی
افت ولتاژ یکی از مشکلات رایج در سیستم‌های برق است که می‌تواند باعث عملکرد نامناسب دستگاه‌ها شود. برای اینکه جلوی این مشکل را بگیریم، باید چند نکته ساده را در نظر داشته باشیم. اول از همه، استفاده از سیم‌هایی با ضخامت بیشتر خیلی مهم است. هرچه سیم ضخیم‌تر باشد، برق راحت‌تر از آن عبور می‌کند و افت ولتاژ کمتر می‌شود. نکته دوم، طول سیم‌هاست. سعی کنید سیم‌کشی را تا جایی که میتوانید کوتاه نگه دارید. چون هرچه فاصله بین منبع برق و دستگاه بیشتر باشد، احتمال افت ولتاژ هم بالا می‌رود.
بار مصرفی یا همان میزان جریانی که دستگاه‌ها از مدار می‌کشند، نباید بیشتر از حد مجاز باشد. اگر بار زیاد باشد، افت ولتاژ هم افزایش پیدا می‌کند. استفاده از سیم‌های با کیفیت بالا، به‌خصوص سیم‌هایی که از مس خالص ساخته شده‌اند، هم کمک زیادی به کاهش افت می‌کند. چون این نوع سیم‌ها رسانایی بیشتری دارند و برق را بهتر عبور می‌دهند.
اگر دستگاه‌هایی دارید که نسبت به نوسان برق حساس هستند، بهتر است هر چند وقت یک‌بار افت ولتاژ در آن بخش‌ها را بررسی کنید. یاد گرفتن نحوه محاسبه افت ولتاژ می‌تواند در طراحی بهتر سیم‌کشی و مصرف بهینه برق به شما کمک کند. در واقع با دانستن نحوه محاسبه افت ولتاژ ، می‌توان از آسیب دیدن وسایل برقی جلوگیری کرد و عمر آن‌ها را بیشتر کرد.