Gerilim düşümü hesaplayıcı (NEC)

Gerilim düşümü hesaplayıcı nedir?

Gerilim düşümü hesaplayıcı, bir devrenin panodan yüke giderken kaç volt kaybettiğini söyler. Hiçbir iletken kusursuz değildir: telin her metresinin bir direnci vardır ve bu dirençten akım geçirmek, besleme geriliminin bir kısmını ısı olarak harcar. Elektrik uzun bir hattın ucuna vardığında motor, armatür veya priz, şalterin verdiğinden gözle görülür biçimde daha düşük bir gerilim görüyor olabilir.

Bu araç, elektrikçilerin sahada kullandığı standart yaklaşımı uygular. Sistemi (doğru akım, tek fazlı veya üç fazlı alternatif akım), iletken malzemesini, AWG kesitini, hattın tek yön uzunluğunu, yük akımını ve kaynak gerilimini seçersiniz. Sonuç olarak kaybedilen volt, bu kaybın beslemeye oranı, yüke gerçekten ulaşan gerilim ve hattın önerilen sınırı karşılayıp karşılamadığına dair net bir karar döner.

Gerilim düşümü neden önemli?

Aşırı gerilim düşümü çoğu durumda bir yönetmelik ihlali değildir — bir performans ve verim sorunudur ve National Electrical Code (NEC) bunu bağlayıcı kurallar yerine bilgilendirici notlarda ele alır. Sonuçları yine de gerçektir:

• Motorlar ısınır. Gerilimi düşük kalan bir asenkron motor, aynı momenti verebilmek için daha fazla akım çeker; bu da sargıları ısıtır ve ömrünü kısaltır.
• Işıklar kısılır ve titrer. Akkor lambaların ışık akısı gerilimle birlikte hızla düşer, LED sürücüleri de alt sınırda düzensiz çalışabilir.
• Isıtıcılar daha az ısıtır. Bir direncin ısı gücü gerilimin karesiyle değişir; yani %5’lik bir gerilim kaybı ısının neredeyse %10’una mal olur.
• Enerji boşa gider. Kaybedilen voltlar telin kendisinde ısıya dönüşür — bedelini ödersiniz ve yükünüzü değil duvarlarınızı ısıtırlar.

NEC’in yönlendirmesi (210.19(A) ve 215.2(A) maddelerinin bilgilendirici notlarında), düşümü bir linye devresinde en fazla %3, besleme hattı ile linye devresi birlikte toplamda en fazla %5 düzeyinde tutmaktır. Bu hesaplayıcı hattınızı o %3 hedefiyle karşılaştırır.

Hesaplayıcı nasıl çalışır?

Hesap, NEC 9. bölüm, tablo 8’de yayımlanan iletken özellikleri kullanılarak Ohm yasasının dairesel mil biçimine dayanır.

İletkenin özdirenci. $K$ sabiti, bir dairesel mil kesitli ve bir fit uzunluğundaki iletkenin direncidir; birimi fit başına ohm-dairesel mildir:

$$K_{\text{copper}} = 12.9 \qquad K_{\text{aluminum}} = 21.2$$

Alüminyumun $K$ değeri bakırınkinden yaklaşık %64 daha yüksektir; aynı kesitteki bir alüminyum hattın belirgin biçimde daha fazla gerilim düşürmesinin nedeni tam olarak budur.

İletken kesiti. Her AWG ölçüsünün dairesel mil ($CM$) cinsinden sabit bir kesiti vardır; bu da tablo 8’den gelir — örneğin 12 AWG $6{,}530$ CM, 8 AWG ise $16{,}510$ CM’dir. Büyük sayı daha kalın tel, daha az direnç ve daha az düşüm demektir.

Gerilim düşümü, doğru akım ve tek fazlı alternatif akım. Akımın yüke gitmesi ve nötr üzerinden geri dönmesi gerekir, dolayısıyla iletken uzunluğu iki kez sayılır:

$$V_{\text{drop}} = \frac{2 \times K \times I \times L}{CM}$$

Gerilim düşümü, üç fazlı alternatif akım. Dengeli bir üç fazlı sistemde dönüş akımları kısmen birbirini götürür, bu yüzden çarpan 2 yerine $\sqrt{3} \approx 1.732$ olur:

$$V_{\text{drop}} = \frac{1.732 \times K \times I \times L}{CM}$$

Burada $I$ yük akımı (A) ve $L$ hattın tek yön uzunluğudur (ft) — isterseniz m olarak girin, hesaplayıcı sizin için dönüştürür.

Yüzde düşüm ve yükteki gerilim. Düşüm daha sonra beslemeyle oranlanır ve ondan çıkarılır:

$$\%\ \text{drop} = \frac{V_{\text{drop}}}{V_{\text{source}}} \times 100$$ $$V_{\text{load}} = V_{\text{source}} - V_{\text{drop}}$$

Çözümlü örnek

20 A’lik tek fazlı bir linye devresi 12 AWG bakır ile çekilmiş ve 120 V’luk bir panodan tek yön 100 ft (30.48 m) uzanıyor.

• 12 AWG’nin kesiti $6{,}530$ CM ve bakırın sabiti $K = 12.9$.
• Tek fazlı olduğundan çarpan 2:

$$V_{\text{drop}} = \frac{2 \times 12.9 \times 20 \times 100}{6{,}530} = 7.90 \text{ V}$$

• Beslemeye oranla:

$$\%\ \text{drop} = \frac{7.90}{120} \times 100 = 6.58\%$$

• Yüke ulaşan gerilim:

$$V_{\text{load}} = 120 - 7.90 = 112.10 \text{ V}$$

%6.58 ile düşüm, önerilen %3’ün iki katından fazladır; dolayısıyla bu hat hedefi karşılamaz: yük yalnızca 112.10 V görür.

Kesiti büyüterek çözmek

Her şeyi aynı bırakın, ama 8 AWG bakır ($16{,}510$ CM) çekin:

$$V_{\text{drop}} = \frac{2 \times 12.9 \times 20 \times 100}{16{,}510} = 3.13 \text{ V}$$

Bu, 120 V’un %2.60’ıdır ve yükte 116.87 V bırakır — %3 hedefinin rahatça içinde. İki kesit büyütmek neredeyse 5 V’u geri kazandırdı.

Pratik notlar

• Gidiş-dönüşü değil, tek yön mesafeyi girin. Formül, doğru akım ve tek fazlı devrelerde uzunluğu zaten ikiye katlar. Teli gerçekte izlediği güzergâh boyunca ölçmek — duvarlardan yukarı, kirişler boyunca, engellerin etrafından — pano ile yük arasındaki kuş uçuşu mesafeden daha önemlidir.
• Sistemler arasındaki tüm fark çarpandadır. Doğru akım ve tek faz, akım iki iletken üzerinde tam bir gidiş-dönüş yaptığı için 2 kullanır. Dengeli üç faz ise 1.732 kullanır, çünkü üç hat akımı 120° faz farklıdır ve dönüş yolunda kısmen birbirini götürür.
• Bu, klasik NEC yaklaşımıdır. Yalnızca doğru akım direncini kullanır; iletken reaktansını, sıcaklık artışını ve güç faktörünü göz ardı eder. Linye devrelerinin ve kısa besleme hatlarının büyük çoğunluğu için bu yeterince doğrudur. Uzun hatlar, büyük kesitler veya kötü güç faktörü için bunun yerine NEC 9. bölüm, tablo 9’daki alternatif akım empedans değerlerini kullanın. Buradaki sonucu sağlam bir tasarım tahmini olarak görün; mühendislik çalışmasının yerine geçmez.
• Alüminyumun bakıra yetişmesi için yaklaşık iki kesit büyümesi gerekir. $K$ 12.9 yerine 21.2 olduğundan alüminyum, aynı kesit ve akımda yaklaşık %64 daha fazla gerilim düşürür — tasarruf için malzeme değiştirmeden önce bunu hesaba katın.
• Gerilim düşümü ile akım taşıma kapasitesi farklı sorulardır. Bir tel, taşıdığı akım için tamamen uygun olabilir ama uzun bir hatta yine de fazla gerilim düşürebilir. Önce akım taşıma kapasitesine göre boyutlandırın — bir Ohm yasası hesaplayıcı ve bir watt’tan ampere hesaplayıcı ile — sonra gerilim düşümünü kontrol edin ve gerekirse kesiti büyütün. Kesit belirlendikten sonra tellerin boruya sığdığını bir kablo borusu doluluk hesaplayıcı ile doğrulayın.

Sık sorulan sorular

%3 yasal bir sınır mı? Hayır. NEC’te bilgilendirici not olarak geçer — yönlendirmedir, uygulanabilir bir kural değil. Yerel düzenlemeler, dağıtım şirketinin koşulları veya belirli bir ekipman daha katı bir sınır getirebilir; bazı yargı bölgeleri bunu bağlayıcı kılar. Linye devresinde %3, toplamda %5 hedefiyle tasarlarsanız hemen herkesi memnun edersiniz.

Uzunluk neden iki kez sayılır? Akımın devreyi tamamlaması gerekir. Tek yön 100 ft’lik bir hatta elektrik, faz iletkeni üzerinde 100 ft gider ve nötr üzerinde 100 ft geri döner — toplamda 200 ft direnç. Formüldeki 2 çarpanı bunu otomatik olarak hesaba katar, bu yüzden yalnızca tek yön mesafeyi girersiniz.

Dairesel mil nedir? Çapı bir mil (inçin binde biri) olan bir dairenin alanıdır. İletken tabloları bunu kullanır; çünkü dairesel mil cinsinden alan, mil cinsinden çapın karesinden ibarettir — $\pi$ gerekmez — ve bu, iletkenleri karşılaştırmayı kolaylaştırır.

Aşırı düşümü nasıl azaltırım? Uygulanabilirlik sırasıyla: daha büyük bir iletken kullanmak (en yaygın çözüm), hattı kısaltmak, yükü iki devreye bölmek ya da besleme gerilimini yükseltmek — aynı gücü taşıyan 240 V’luk bir devre yarı akım çeker ve dolayısıyla yarısı kadar volt düşürür.