การคำนวณแรงดันตก (Electrical Voltage Drop)

แรงดันตก (Voltage drop) คือการลดลงของศักย์ไฟฟ้าไปตามเส้นทางของกระแสที่ไหลในวงจรไฟฟ้า ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบระบบไฟฟ้า เนื่องจากแรงดันตกที่มากเกินไปอาจทำให้อุปกรณ์ทำงานผิดปกติหรือทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพ มาตรฐาน (เช่น NEC หรือ วสท.) มักจะแนะนำให้แรงดันตกสูงสุดสำหรับทั้งสายป้อนและวงจรย่อยรวมกันไม่เกิน 5%

1. แนวคิดหลัก

ตัวนำไฟฟ้าทั้งหมดมีความต้านทานแฝงอยู่ (และมีรีแอกแตนซ์ในวงจร AC) เมื่อกระแสไฟฟ้า ($I$) ไหลผ่านตัวนำที่มีอิมพีแดนซ์ ($Z$) จะเกิดแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตามกฎของโอห์ม ($V = IZ$) แรงดันไฟฟ้านี้จะ "สูญเสีย" ไปก่อนที่จะถึงโหลด

วงจร AC เฟสเดียว หรือ DC

สำหรับวงจร AC เฟสเดียวหรือวงจร DC อย่างง่าย แรงดันตกโดยประมาณ $V_d$ สามารถคำนวณได้โดยใช้ความต้านทานของสายไฟ สูตรเชิงปฏิบัติที่ใช้บ่อยคือ:

$V_d = \frac{2 \times K \times I \times L}{A}$

โดยที่:

• $V_d$ = แรงดันตกในหน่วยโวลต์
• $K$ = สภาพต้านทานจำเพาะของวัสดุตัวนำ
• $I$ = กระแสในหน่วยแอมแปร์
• $L$ = ความยาวทางเดียวของวงจร
• $A$ = พื้นที่หน้าตัดของตัวนำ
• แฟกเตอร์ 2 ใช้สำหรับนับกระแสที่ไหลไปและไหลกลับ

2. วงจร AC ที่มีค่าพาวเวอร์แฟกเตอร์

ในวงจร AC โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับตัวนำขนาดใหญ่ที่อินดักทีฟรีแอกแตนซ์มีนัยสำคัญ จะต้องพิจารณาทั้งความต้านทาน ($R$) และรีแอกแตนซ์ ($X$) รวมถึงพาวเวอร์แฟกเตอร์ของโหลด ($\cos \theta$)

สูตรประมาณการแรงดันตกสำหรับวงจร AC คือ:

$V_d = I(R \cos \theta + X \sin \theta)$

โดยที่:

• $R$ คือความต้านทาน AC ยังผลของตัวนำ
• $X$ คืออินดักทีฟรีแอกแตนซ์ของตัวนำ
• $\theta$ คือมุมเฟสของโหลด

3. การตรวจสอบทางวิศวกรรม

• ความสอดคล้องกับมาตรฐาน: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแรงดันตกที่คำนวณได้เป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐานไฟฟ้าในพื้นที่ (เช่น สูงสุด 3% สำหรับวงจรย่อย, 5% รวมทั้งหมด)
• การสตาร์ทมอเตอร์: พิจารณากระแสกระชาก (inrush current) ที่สูงในขณะสตาร์ทมอเตอร์ ซึ่งสามารถทำให้เกิดแรงดันตกชั่วคราวอย่างรุนแรงได้ (voltage sag)