Теория электрических цепей от Victron

Рассмотрим пример:

Если у нас есть 12-ти вольтовая батарея, которая подключена к 2400 ваттной нагрузке. Какой ток течет по проводам?

По закону Ома: P=IU; I=P/U; I=2400/12=200 (A)

Большим преимуществом использования мощности в расчетах или измерениях является то, что мощность не зависит от напряжения. Это полезно в системах с несколькими напряжениями. Примером этого может быть система с аккумулятором, сетевым питанием и, возможно, солнечной панелью.

Мощность остается одинаковой для разных напряжений. Например, если вы используете нагрузку переменного тока 2400 Вт через инвертор от батареи 12 В, это также потребует 2400 Вт от батареи (пренебрегая потерями на инверторе).

2.3 Проводимость и сопротивление

Некоторые материалы проводят электричество лучше, чем другие материалы. Материалы с низким сопротивлением хорошо проводят электричество, а материалы с высоким сопротивлением плохо или совсем не проводят электричество.

Металлы имеют низкое сопротивление и хорошо проводят электричество. Эти материалы называются проводниками. По этой причине они используются в электрических кабелях.

Пластик или керамика имеют очень высокое сопротивление, они вообще не проводят электричество. Они называются изоляторами. Вот почему непроводящие материалы, такие как пластик или резина, используются снаружи кабелей. При прикосновении к кабелю вы не получите поражения электрическим током, поскольку электричество не может распространяться через этот материал. Изоляторы также используются для предотвращения короткого замыкания, когда два кабеля касаются друг друга.

 

Каждый материал имеет свое удельное сопротивление. Измеряется в Ω.m обозначается символом ρ (rho).

В таблице справа перечислены различные проводящие материалы, их электропроводность и удельное сопротивление

Как видно из этой таблицы, медь хорошо проводит электричество и имеет низкое сопротивление. Это является причиной, почему электрический кабель сделан из меди. Но, например, титан плохо проводит электричество и поэтому имеет более высокое удельное сопротивление. Титан не очень подходит в качестве электрического проводника. 

Есть еще два фактора, которые определяют сопротивление кабеля. Это длина и толщина проводника (кабеля):

- Тонкий кабель имеет более высокое сопротивление, чем толстый кабель такой же длины.

- Длинный кабель имеет более высокое сопротивление, чем короткий кабель такой же толщины.

Сопротивление длины кабеля можно рассчитать.

Resistance = Rho x Length/Area

R = ρ x L /A

Как видите, есть 3 фактора, которые определяют сопротивление кабеля. А именно:

• Электрическое сопротивление используемого материала.

• Длина кабеля (чем длиннее кабель, тем больше сопротивление).

• Диаметр кабеля (чем тоньше кабель, тем больше сопротивление).

Важно знать сопротивление кабеля. Когда ток проходит через кабель, сопротивление кабеля отвечает за эти два эффекта.

• По длине кабеля будет падение напряжения (потеря).

• Кабели нагреваются.

Если ток увеличивается, эти эффекты будут хуже. Повышенный ток увеличит падение напряжения, и кабель будет больше нагреваться.

Рассчитаем сопротивление кабеля:

Вопрос:

Какое сопротивление кабеля длиной 1,5 метра, 16 мм2?

Дано:

 ρмеди = 1,7 * 10-8Ω.m 

L = 1.5м

А = 16 мм2 = 16*10-6 м2

Ответ:

R = ρ x L /A; R = 1,7 * 10-8 * 1.5 /(16*10-6 ) = 0.159*10-2 (Ω) = 1,6*10-3  (Ω) = 1,6 (m Ω)

Влияние длины кабеля:

Давайте использовать предыдущий пример и теперь посчитаем для кабеля длиной 5 м

R = ρ x L /A; R = 1,7 * 10-8 * 5 /(16*10-6 ) = 0.53*10-2 (Ω) = 5,3*10-3  (Ω) = 5,3 (m Ω)

В результате сопротивление будет равно 5,3 мОм. Если вы сделаете кабель длиннее, сопротивление увеличится.

Влияние толщины кабеля:

Давайте возьмем исходный пример и теперь посчитаем для кабеля сечением 2,5 мм2.

R = ρ x L /A; R = 1,7 * 10-8 * 1.5 /(2,5*10-6 ) = 1,02*10-2 (Ω) = 10,2*10-3  (Ω) = 10,2 (m Ω)

Если сделать кабель тоньше, сопротивление возрастет.

Заключение: 

Как толщина, так и длина кабеля оказывают большое влияние на сопротивление кабеля.

2.4 Ток, сопротивление кабеля и падение напряжения

Как уже понятно, ток, который протекает по электрической цепи для фиксированной нагрузки, отличается для различных напряжений цепи. Чем выше напряжение, тем ниже будет ток.

I = P/U

Ниже приведен обзор величины тока, который протекает в 3 различных цепях, где нагрузка одинакова, но напряжение аккумулятора изменяется.

Кроме того, как уже объяснялось, кабель имеет определенное сопротивление. Кабель является частью электрической цепи и может рассматриваться как резистор/

Когда ток протекает через резистор, резистор нагревается. То же самое происходит в кабеле; когда ток протекает через кабель, кабель нагревается. Энергия теряется в форме тепла. Эти потери называются  потерями на кабеле. Потерянная мощность может быть рассчитана по следующей формуле:

Power = Resistance x Current2

P = R*I2

Другой эффект потерь на кабеле - падение напряжения по всей длине кабеля. Падение напряжения можно рассчитать по следующей формуле:

Voltage = Resistance x Current

U = R*I

Чтобы рассчитать эффект падения напряжения в кабеле, вам нужно знать еще два электрических закона, первый и второй закон Кирхгофа.

1-й Закон Кирхгофа (по току)

Ток, текущий в соединении, должен быть равен току, вытекающему из него

Примером этого является параллельная схема соединения. Напряжение на каждом резисторе одинаково, а сумма тока, протекающего через каждый резистор, равна общему току.

2-й Закон Кирхгофа (по напряжению)

Сумма всех напряжений вокруг любого замкнутого контура в цепи должна равняться нулю

Здесь с точностью до наоборот. В последовательной цепи ток через каждый резистор одинаков, а сумма напряжений на каждом резисторе равна общему напряжению .

Теперь давайте рассмотрим реальный пример инвертора, подключенного к 12-вольтовой батарее, и рассчитаем потери в кабеле. На схеме справа вы видите инвертор мощностью 2400 Вт, подключенный к аккумулятору 12 В с помощью двух  кабелей длиной  1,5 м и сечением 16мм2.

Как и рассчитывали ранее:

R = ρ x L /A; R = 1,7 * 10-8 * 1.5 /(16*10-6 ) = 0.159*10-2 (Ω) = 1,6*10-3  (Ω) = 1,6 (m Ω)

I = P/U; I = 2400/12= 200(A)

Падение напряжения:

U = R*I = 1.6*10-3 * 200 = 0.32V;

Так как кабеля два, общие потери напряжения системы равны 0,64V.

Из-за падения напряжения инвертор больше не получает 12 вольт, а 12 - 0,6 = 11,4V. 

Мощность инвертора является постоянной в этой цепи. Таким образом, когда напряжение на инверторе падает, ток увеличивается. Помните, I = P / U.

Батарея теперь будет выдавать больше тока, чтобы компенсировать потери. В этом примере это означает, что ток увеличится до 210 А.

Это делает систему неэффективной, потому что теперь мы потеряли 5% (0,64/12) от общей энергии. Эта потерянная энергия превратилась в тепло.

Важно, чтобы это падение напряжения было как можно ниже. Очевидный способ сделать это - увеличить сечение кабеля или сделать длину кабеля максимально короткой. Но есть кое-что еще, что вы можете сделать, и это увеличить напряжение цепи. Падение напряжения на кабеле варьируется для разных напряжений аккумулятора (системы). Вообще говоря, чем выше напряжение в цепях, тем ниже будет падение напряжения.

Пример:

Если мы посмотрим на ту же нагрузку 2400 Вт, но теперь напряжение цепи составляет 24 В:

- Нагрузка 2400 Вт при 24 В создаст ток 2400/24 ​​= 100 А.

-  Общее падение напряжения составит 2 x 100 x 0,0016 = 0,32 В (1,3%).

А при 48 В ток составляет 50 А. Падение напряжения составляет 0,16 В (0,3%).

Это приводит к следующему вопросу; насколько допустимо падение напряжения?

Мнения несколько различаются, но мы советуем стремиться к падению напряжения не более 2,5%. Для разных напряжений это указано в этой таблице.

Вольтаж Проценты Падение напряжения
12 2,5% 0,3В
24 2,5% 0,6В
48 2,5% 1,2В

Важно понимать, что сопротивление возникает не только в самом кабеле. Дополнительное сопротивление создается любыми предметами на пути, по которому должен протекать ток. Вот список возможных предметов, которые могут добавить к общему сопротивлению:

 - Длина и толщина кабеля.

- Предохранители;

- Шунты:

- Переключатели;

- Кабельные наконечники;

- Соединения.

И особенно следите за:

- Незатянутыми соединениям;

- Грязные или корродированные контакты;

- Плохие кабельные наконечники.

Сопротивление будет добавляться к электрической цепи каждый раз, когда устанавливается соединение, или что-то размещается на пути между батареей и инвертором.

Чтобы дать вам некоторое представление о том, сколько может быть этих сопротивлений:

- Каждое кабельное соединение: 0,06 мОм.

-  500A шунт: 0,10 мОм.

- Предохранитель на 150 А: 0,35 мОм.

- 2 м 35 мм2 кабель: 1,08 мОм.

2.5 Негативные последствия падения напряжения в кабеле

Теперь мы знаем, что нужно сделать, чтобы снизить сопротивление в цепи, чтобы предотвратить падение напряжения. Но каковы негативные последствия, если в системе наблюдается высокое падение напряжения?

Вот список негативных последствий падения напряжения:

- Энергия теряется, и система становится менее эффективна.

- Аккумуляторы будут разряжаться быстрее.

- Ток системы увеличится. Это может привести к перегоранию предохранителей постоянного тока.

-  Высокие токи системы могут привести к преждевременному износу инвертора.

- Падение напряжения во время зарядки приведет к недостаточной зарядке батарей.

-  Инвертор получает более низкое напряжение батареи. Это может вызвать срабатывание сигнализации о низком напряжении.

- Кабели аккумулятора нагреваются. Это может привести к расплавлению изоляции проводов, повреждению кабеля или перегрузу оборудования. В крайних случаях нагрев кабеля может привести к пожару.

- Все устройства, подключенные к системе, имеют более короткий срок службы из-за пульсации постоянного тока.

Это как предотвратить потери напряжения:

- Кабели должны быть как можно короче.

- Используйте кабели с достаточной толщиной.

- Надежно соединяйте (но не слишком сильно, следуйте рекомендациям по крутящему моменту в руководстве).

 - Убедитесь, что все контакты чистые и не подвержены коррозии.

- Используйте качественные кабельные наконечники и обожмите их подходящим инструментом.

- Используйте качественные выключатели батареи.

- Уменьшите количество соединений в кабельной трассе.

- Используйте точку распределения постоянного тока или шины.

- Следуйте законодательству о проводке.

Рекомендуется измерять падение напряжения в системе после завершения электрической установки, содержащей батареи. Помните, что падение напряжения обычно происходит во время сильного тока. Падение напряжения становится больше, когда увеличивается ток. Это тот случай, когда инвертор загружен с максимальной нагрузкой или когда зарядное устройство заряжается при полном токе. 

Вот как можно измерить падение напряжения, например, в системе с инвертором:

-  Загрузите инвертор с максимальной мощностью.

-  Измерьте напряжение на отрицательном кабеле между соединением инвертора и полюсом аккумулятора.

- Повторите это для положительного кабеля.

В случае, если батарея и инвертор находятся слишком далеко, или батарея находится в другом помещении или корпусе:

-  Загрузите инвертор с максимальной мощностью.

- Измерьте напряжение на клеммах постоянного тока внутри преобразователя.

-  Измерьте напряжение на полюсах батареи.

- Сравните эти показания.

- Разница между двумя показаниями это и есть падение напряжения. 

2.6 Пульсация

Одним из негативных последствий большого падения напряжения в системе является пульсация. Пульсация появляется в системе, где источником питания является батарея (DC), а нагрузка - это устройство переменного тока. Это всегда имеет место в системе с инвертором. Инвертор подключается к аккумуляторам, но он питает нагрузку переменного тока.

Механизм, вызывающий пульсацию, напрямую связан с падением напряжения на кабелях постоянного тока, когда система находится под нагрузкой, а токи аккумулятора высокие. Высокий ток вызывает сильное падение напряжения, которое становится особенно заметным, когда используются тонкие кабели.

Падение напряжения в системе в целом может быть даже больше, особенно если используются свинцово-кислотные батареи, которые слишком малы, слишком старые или повреждены. Падение напряжения будет происходить не только над кабелями, но и внутри самой батареи.

Пульсация связана с тем, что когда инвертор питает большую нагрузку, напряжение постоянного тока системы падает. Но напряжение системы восстанавливается после отключения нагрузки. Этот процесс изображен на рисунке ниже.

1. Измеренное напряжение на преобразователе нормальное. В этом примере оно составляет 12,6 В.

2. При включении большой нагрузки напряжение батареи падает до 11,5 В.

3. Когда нагрузка выключается, напряжение батареи обычно восстанавливается до 12,6 В.

Как создается пульсация?

1. Инвертор преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока.

2. Нагрузка, подключенная к инвертору, создает переменный ток в инверторе.

3. Этот переменный ток вызывает (через инвертор) колеблющийся постоянный ток на батарее.

4. Результатом этого колебания постоянного тока является следующее:

- При пиковом постоянном токе напряжение батареи падает.

- Когда падает постоянный ток, напряжение батареи восстанавливается.

- Когда постоянный ток достигает пика, напряжение батареи снова падает.

- И так далее.

Напряжение постоянного тока будет расти и падать и больше не будет постоянным. Так называемые колебания. Он будет увеличиваться и уменьшаться 100 раз в секунду (100 Гц). Величина колебаний напряжения постоянного тока называется пульсирующим напряжением.

Можно измерить пульсации. Есть два способа:

- Использовать мультиметр. Выберите режим переменного тока на мультиметре. Измерьте через соединения постоянного тока инвертора. Теперь вы измеряете переменную составляющую постоянного напряжения. Это переменное напряжение является пульсирующим напряжением.

-  Используйте VEConfigure, он отслеживает пульсации.

При измерении пульсации помните, что это происходит только тогда, когда система находится под полной нагрузкой. То же самое относится и к падению напряжения. Пульсация может быть обнаружена только тогда, когда инвертор питает  полную нагрузку или когда зарядное устройство заряжается с высоким током.

Небольшая пульсация может существовать без ощутимого воздействия. Однако чрезмерная пульсация может оказать негативное влияние^

- Срок службы инвертора будет сокращен.

- Конденсаторы в инверторе будут пытаться максимально сгладить пульсации, и в результате конденсаторы будут стареть быстрее.

- Срок службы другого оборудования постоянного тока в системе также будет сокращен. Они тоже страдают от пульсации.

- Батареи преждевременно стареют, каждая пульсация действует как мини-цикл для батареи. Из-за увеличения циклов батареи срок службы батареи уменьшится. - Пульсация во время зарядки уменьшит зарядную мощность.

- Инверторы или инверторы / зарядные устройства имеют встроенную сигнализацию о пульсации. Существует два уровня тревоги о пульсации

- Предварительная сигнализация о пульсации: Индикаторы перегрузки и разряда батареи мигают, и через 20 минут устройство выключается.

-  Сигнал о полной пульсации. Индикаторы перегрузки и разряда батареи включены, и устройство отключается.

Вот уровни пульсации тревоги для различных напряжений:

  12V 24V 48V
Предупреждение о пульсации 1,5V 2.25V 3V
Отключение при пульсации 2.5V 3.75V 5V

Пульсация произойдет только при падении напряжения в системе. Чтобы устранить пульсации, вам нужно уменьшить падение напряжения. Это означает, что вам нужно уменьшить сопротивление на пути от батареи к инвертору и обратно к батарее. Для получения дополнительной информации см. Главу 2.5.

Чтобы исправить высокую пульсацию в системе, сделайте следующее: 

- Уменьшите длинные кабели батареи.

- Используйте более толстые кабели.

- Проверьте предохранители, шунты и разъединители батарей на предмет их подключения.

- Проверьте характеристики предохранителей, шунтов и выключателей батареи.

- Проверьте, нет ли ослабленных клемм и слабых кабельных соединений.

- Проверьте наличие грязных или корродированных соединений.

- Проверьте на наличие плохих, старых или слишком маленьких батарей.

- Всегда используйте компоненты хорошего качества.

3. Соединение аккумуляторных батарей.