Что такое падение напряжения. Что такое падение напряжения

Обратите внимание! Для расчета падения тока в кабеле можно использовать не только формулы, но и онлайн-калькулятор падения напряжения, а также специальные таблицы, показывающие зависимость параметра от длины и сечения проводников.

Падение напряжения

В книгах по электротехнике или в описаниях радиосхем часто встречается фраза «падение напряжения на резисторе или диоде». Но почему резистор вызывает падение напряжения, и что это означает на самом деле? Давайте разберемся…

Электрические заряды не перемещаются по проводникам добровольно, им нужен стимул для создания электрического тока (потока). В мире электричества таким стимулом является напряжение — чем оно выше, тем большая сила движет электронами, поэтому они движутся быстрее и создают больший ток. Но такого понятия, как электрическое напряжение, как мы бы сказали, не существует. Это не физическое явление и не потенциал. Напряжение и потенциал — это математические термины, придуманные людьми, которые не могли видеть энергию глазами, но хотели как-то ее описать.

Электрический ток — это не бесцельное перетекание электронов с одного полюса батареи на другой. Речь идет об энергии, которую они могут высвободить при этом движении. И хотя энергия здесь — самое главное, почему-то обычно больше пишут о напряжении и потенциале. Это просто отличное и очень понятное описание этой энергии. Если мы знаем о напряжении, то сразу понимаем, с чем имеем дело и сколько из этого можно вычесть.

Мы можем предположить, что батарейка в 1,5 вольта никогда не выделит такую же энергию, как молния в несколько миллионов вольт. Мы также знаем, что маленький светодиод лучше не включать в розетку, потому что при напряжении 220 вольт он сразу перегорит. Это напряжение вполне подходит для работы обычной лампочки, которая не загорается при подключении к обычной батарейке АА.

Это соотношение напряжения и энергии очень простое: больше вольт означает больше энергии, передаваемой каждым электроном. Коэффициент преобразования прост — например, напряжение 220 В равно 220 джоулей/кулон (джоулей в кулон), что означает, что один кулон передает 220 джоулей энергии. А поскольку мы знаем, что 1 кулон равен примерно 6 триллионам электронов, мы можем сказать, что при напряжении 220 В поток из 6 триллионов электронов через лампу передает ровно 220 Дж энергии. Хотя, конечно, связь между напряжением и энергией гораздо глубже, чем простое преобразование единиц измерения.

Когда падает напряжение?

Кажется, что эти значения постоянны, потому что в розетке 220 В, а в батарее 3 В. Но это не так. Напряжение падает, и мы хотим попытаться понять, почему это происходит.

Существует три основные причины падения напряжения:

Истощение источника – если имеем дело с источником напряжения, который может быть исчерпан (например, аккумулятор или батарейка), это истощение проявляется в падении напряжения. И неудивительно – напряжение описывает энергию элемента, поэтому при потреблении этой энергии уровень напряжения также должен падать. Это явление тесно связано с так называемым внутренним сопротивлением аккумулятора.
Слишком большая нагрузка на источник – выключите все приборы в доме и измерьте мультиметром напряжение в розетке. Затем включите электродуховку, чайник и стиральную машину и снова измерьте напряжение – разница в обоих измерениях составит несколько вольт. Это связано с упомянутым ранее внутренним сопротивлением.
Падение напряжения на потребителе – два предыдущих примера говорят о ситуации, когда источник напряжения «перестает работать». А вот падение напряжения на потребителе – это совсем другая тема. У нас может быть лучший в мире источник напряжения, который практически невозможно просадить, и все же каждый подключенный к нему потребитель вызовет так называемые «падение напряжения».

Мы объясним их на примере электрических цепей. Пример: есть батарея, несколько резисторов, лампочка и описание: напряжение батареи равно 9 В. Батарея имеет напряжение 9 В. Лампочка подключена к батарее. Напряжение на батарее равно 9 В. Падение напряжения на каждом резисторе равно 2 В. Имеется батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка, батарейка. Падение напряжения на лампочке составляет 1 В. Падение напряжения на батарейке равно 9 В. Но почему резистор и лампочка вызывают падение напряжения?

Это интересно: Актуальные буквенные и графические обозначения на электрических схемах.

Стрелки «падения напряжения» всегда направлены в сторону, противоположную напряжению батареи.

Как рассчитать

Оценки и точные расчеты величины падения напряжения основаны на основном законе Ома, названном в честь немецкого исследователя Георга Ома, который открыл этот закон в 1826 году.

Рис.1. Георг Симон Ом (1789-1854) На основании серии многочисленных экспериментов, измеряя зависимость величины тока через различные проводники от прикладываемого напряжения, исследователь получил следующую математическую формулу: I=U/R, где:

I — ток в цепи (измеряется в амперах, А);
U — падение напряжения (измеряется в вольтах, В);
R — сопротивление, единицей измерения которого является Ом, названная также в честь немецкого первооткрывателя.

Соответственно, значение тока I в цепи прямо пропорционально значению U и обратно пропорционально значению сопротивления R. Данная формула является основной формулой для расчета падения напряжения, при этом может быть два варианта расчета в зависимости от имеющихся справочных или измерительных данных.

Через силу тока и сопротивление

Используя приведенную выше формулу, можно получить следующее выражение:

То есть, зная значение протекающего тока, которое можно измерить с помощью прибора (амперметра), и значение сопротивления, искомое значение U получается путем умножения значения тока I на значение сопротивления R. Если значение R заранее неизвестно, то основная формула для расчета R выглядит следующим образом.

L — длина проводника, м;
S — площадь поперечного сечения, м 2 ;
ρ — удельное сопротивление.

Длина и площадь могут быть легко измерены с помощью имеющихся средств. Значения сопротивления всех электротехнических материалов давно измерены, занесены в таблицы и находятся в открытом доступе. Значение p — это сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 .

Через мощность и силу тока

Второй расчет основан на формуле, которая связывает мощность P электрической энергии, поступающей в нагрузку, с силой тока I и падением напряжения U:

Формула является следствием закона Джоуля-Ленца, который был открыт почти одновременно в 1841 году двумя физиками (одним английским и одним русским)

Рис. 2. Д.П. Джоуль и Э.Х. Ленц Было замечено, что протекание тока через нагрузку всегда сопровождается выделением тепла Q. Исследователям удалось установить функциональную связь между количеством выделяемого тепла Q и другими измеряемыми (или вычисляемыми) величинами, выраженную формулой: Q=I 2 *R*t, где:

I — ток, А;
R — сопротивление, Ом;
t — время измерения, с;
Q — количество тепла, Дж.

По определению, мощность P — это энергия, в данном случае Q, выделяемая в единицу времени. Это означает, что если вы разделите обе части уравнения на время t, вы получите выражение для мощности P:

Используя формулу, мы получаем выражение для P:

Итак, если мы знаем ток, протекающий через нагрузку, и мощность, поглощаемую ею, мы можем рассчитать падение напряжения:

Эта формула верна для цепей постоянного тока. Следующая формула применима для расчета цепей переменного напряжения и тока:

Здесь буква φ означает коэффициент мощности, значение которого определяется характеристиками нагрузки. Для устройств, которые нагружены исключительно активно (радиаторы, лампы накаливания), cos φ практически равен единице. Чтобы учесть возможную реактивную составляющую в работе таких устройств, значение cos φ, равное 0,95, является хорошим приближением. Для электрических устройств со значительной реактивной составляющей (трансформаторы, двигатели, конденсаторы) cos φ принимается равным 0,8.

К чему приводит потеря напряжения

По различным причинам входное напряжение, подаваемое на энергопотребляющие нагрузки (здания, промышленные предприятия), может быть ниже стандартного значения. Например, уменьшение длины линий связано с протеканием больших токов, что приводит к увеличению сопротивления. При длинных линиях передачи возрастают потери. Если входные напряжения отклоняются от стандартов, могут возникнуть следующие негативные последствия:

Возможны сбои в работе промышленных установок и осветительного оборудования.
При низких значениях входного напряжения возникает большая вероятность выхода из строя электроприборов.
Падает вращающий момент, необходимый для запуска компрессорной техники и электродвигателей.
Возникает нежелательный дисбаланс в токовой нагрузке в начале линии и на её конце.
Осветительное оборудование начинает функционировать «вполнакала», что не допускается нормами СанПиНа и требованиями техники безопасности.
Деформируются выходные характеристики и режимы эксплуатации электрических приборов. Типичным примером является возрастание времени, требуемого для нагрева воды бойлером.
Резко повышается вероятность спонтанных сбоев в работе электроники.

Это интересно: Установка подрозетников: как провести монтаж подрозетников в бетон и в гипсокартон

Причины падения напряжения

Во-первых, необходимо выяснить, кто виноват — поставщик электроэнергии или потребитель. Проблемы с сетью могут возникнуть по следующим причинам:

износ линий электропередач;
недостаточная мощность трансформаторов;
дисбаланс мощности или перекос фаз.

Эти проблемы связаны с поставщиком и не могут быть решены самостоятельно. Чтобы определить, правильно ли работают высоковольтные линии, необходимо вызвать представителей поставщика электроэнергии. Они проведут замеры и подготовят отчет.

Так вы сможете убедиться, что неисправность возникла не по вине коммунальной службы. Сначала следует узнать у соседей, нет ли у них подобных проблем. Для измерения напряжения в доме хорошо подходит мультиметр. Он стоит до 1000 рублей. Если счетчик на входе в квартиру показывает нормальное напряжение, причину следует искать в проводке дома.

Напряжение может падать из-за длины проводки. Если длина сети более 100 метров, а сечение проводников составляет 16 мм, то колебания нормальны. Чтобы исправить ситуацию, следует заменить проводку.

Слабые контакты являются дополнительным сопротивлением для тока. К устройствам поступает недостаточное количество тока. Кроме того, неисправные контакты могут стать причиной короткого замыкания и возникновения пожара. Для нормализации значений необходимо заменить неисправную часть цепи и сгоревшие контакты.

Виной тому могут быть неправильно подключенные провода, ведущие от линии электропередачи к дому. Иногда медные провода соединяют с алюминиевыми вопреки правилам безопасности, или медные провода соединяют кабельными стяжками вместо зажимов. Зажимы и клеммы изготовлены из некачественного материала или у них истек срок годности.

Неисправность может заключаться в самом блоке питания. В этом случае его необходимо заменить.

Как рассчитать потери

При расчете электрической линии колебания напряжения не должны превышать установленных значений. Допустимые колебания для однофазной бытовой сети составляют 209-231 В, для трехфазной сети напряжение может составлять от 361 В до 399 В.

Колебания тока и потребления приводят к колебаниям напряжения в проводниках вблизи потребителя. Поэтому при составлении схемы необходимо учитывать допустимые потери.

В однофазной сети имеется два проводника, поэтому падение напряжения можно определить по следующей формуле: U=I*R, R=(r*2i)/S .

где r – удельное сопротивление, которое равно сопротивлению провода, сечением 1 мм2 и длиной 1м;
i – обозначается как длина проводника;
S – сечение кабеля.

В трехфазной сети силы во внешних проводниках компенсируют друг друга, а длина нейтрального проводника не учитывается, поскольку он не проводит ток. Если фазы нагружены неравномерно, расчет производится так же, как и для однофазной сети. Для длинных линий также учитываются емкость и индуктивность.

Расчет падения напряжения можно произвести с помощью электронного калькулятора, также имеются специальные таблицы. В них указаны допустимые токовые нагрузки для различных типов кабелей. При расчете сечений кабелей необходимо учитывать следующие данные:

материал изготовления проводников;
скрытая или открытая прокладка линии;
токовая нагрузка;
условия окружающей среды.

Когда по кабелю, проводу или стержню течет ток, он нагревается. Этот процесс изменяет физические свойства проводников. На физические свойства провода влияют физические свойства кабеля: изоляция плавится, контакты перегреваются, кабель перегорает. Надежная и безаварийная работа электрической сети зависит от правильного выбора кабелей.

Как рассчитать потери

Линейность между напряжением и током

Это интересно: Как избавиться от ржавчины в бассейне.

где r – удельное сопротивление, которое равно сопротивлению провода, сечением 1 мм2 и длиной 1м;
i – обозначается как длина проводника;
S – сечение кабеля.

Программа AutoCad для расчета падения напряжения

материал изготовления проводников;
скрытая или открытая прокладка линии;
токовая нагрузка;
условия окружающей среды.

Когда по кабелю, проводу или стержню течет ток, он нагревается. Этот процесс изменяет физические свойства проводников. На физические свойства провода влияют физические свойства кабеля: изоляция плавится, контакты перегреваются, кабель перегорает. Надежная и безаварийная работа электрической сети зависит от правильного выбора кабелей.

Как уменьшить падение напряжения и снизить потери в кабеле

Снизить потери можно путем уменьшения сопротивления во всей сети. Экономия может быть достигнута путем повторного заземления нейтрального проводника на каждом полюсе линии электропередачи.

Стоимость питания большой линии, выбранной для приемлемого падения напряжения, выше, чем стоимость выбора греющего кабеля. Эти затраты могут быть снижены.

Усилить начальный потенциал питающего кабеля, подключив его к отдельному трансформатору.
Добиться постоянных величин напряжения в сети можно с помощью установки стабилизатора возле нагрузки.
Подключение потребителей с низкими нагрузками 12–36 В выполняют через трансформатор или блок питания.

Снизить расходы увеличением сечения питающего кабеля. Но этот метод потребует больших финансовых вложений.
При разработке линий энергоснабжения следует выбирать максимально короткий путь, так как прямая линия всегда короче ломаной.
При снижении температуры сопротивление металлов уменьшается. Вентилируемые кабельные лотки и другие конструкции снижают потери в линии.
Уменьшение нагрузки возможно, если есть много источников питания и потребителей.

Правильное техническое обслуживание и профилактика электрических сетей — проверка герметичности и прочности контактов, использование надежных клемм — также экономит деньги.

К вопросу энергосбережения нужно подходить ответственно. Проблема потери напряжения может привести к повреждению дорогостоящего оборудования и инструментов. Не следует пренебрегать мерами безопасности; они уравновешивают скачки напряжения и защищают оборудование и помещения компании.

Способы уменьшения потерь

Существует несколько методов борьбы с потерей напряжения в сети:

Повышение площади сечения проводника. На практике для этого не обязательно демонтировать старую электропроводку на замену новой. Можно параллельно подключить 2-ую жилу. В результате общая площадь повысится, а нагрузка и потери снизятся.
Укорочение функциональной части электромагистрали. Метод работает только в том случае, когда проложенная проводка обладает определенным запасом. Например, огибающий различные препятствия кабель можно монтировать по прямой траектории.

Сокращение потребительской мощности на конкретном участке цепи. То есть нужно распределить сильные электроприборы на несколько независимых проводников.

Совет. Чтобы уменьшить падение напряжения, определите самые горячие участки и установите принудительное охлаждение. Снижение температуры материала проводника уменьшает сопротивление и минимизирует потери мощности.

Коротко о главном

Падение напряжения выражается в снижении потенциала на пути от источника к потребителю. Это явление вызывается как естественными причинами, так и неполадками в организации систем электроснабжения. Неисправности могут находиться как на территории поставщика электроэнергии, так и на частной территории.

Для расчета падения напряжения можно применить формулу, найти данные в специальных таблицах или воспользоваться электронным калькулятором. Устранить потерю мощности можно путем укорачивания участка сети, увеличения сечения проводников и грамотного перераспределения тока потребителей.