Точечный сварщик: преимущество по сравнению с высоким напряжением

Я посмотрел несколько таких видео «Сделай сам точечной сварщике» на Youtube, например:

https://www.youtube.com/watch?v=hTaGa93lOGU .

У нас гораздо большее количество витков на первичном, чем на вторичном. Затем мы подключаем первичную обмотку к переменному напряжению, скажем, 240 В и небольшой нагрузке сопротивления на вторичной обмотке (или закорачиваем ее)

Я нашел несколько объяснений того, что происходит, и все они говорят, что при понижении напряжения на вторичной обмотке ток соответственно увеличивается. Напряжение на вторичной обмотке теперь составляет всего несколько вольт, но ток может достигать килоампер. Этот сильный ток генерирует высокую температуру, которая расплавляет металл (вторичная нагрузка).

Но разве сила не должна быть такой же? Мощность - это произведение тока и напряжения. Из-за сохранения энергии, когда ток повышается, напряжение понижается, поскольку продукт остается тем же самым.

В противоположном случае, когда мы повышаем напряжение, я могу понять, что происходит, посмотрев на модель трансформатора:

Если число вторичных катушек становится выше, ток в ветви R_s становится выше. Таким образом, несмотря на то, что ток понижается, используемая мощность становится выше, поскольку мы «вытягиваем» больший ток из источника.

Но что происходит, когда усиливается ток? Если у основного есть больше витков, может показаться, что отношение N_p / N_s выше, а ток к ветви R_s ниже.

Может ли кто-нибудь объяснить мне, что я неправильно понимаю? Почему лучше увеличивать силу тока, чем просто использовать входное напряжение переменного тока или увеличивать напряжение вместо тока?

РЕДАКТИРОВАТЬ: Во многих ответах утверждается связь между током, сопротивлением и мощностью:

Но мы также знаем, что напряжение на нагрузке также является функцией тока по закону Ома:

Поэтому, если у нас большой ток, у нас должно быть и высокое напряжение. Теперь закон Ома и трансформатор, кажется, не согласны!

Причина, по которой мы это делаем, заключается в том, что в системе есть два резистивных компонента: дуга, на которой мы проводим сварку, и сам трансформатор. Мы стремимся не только увеличить мощность сварного шва, но и минимизировать отходы. Если сопротивление трансформатора выше, чем у сварщика, тогда большая часть энергии фактически рассеивается в трансформаторе, и трансформатор нагревается как сумасшедший. Если мы уменьшаем число обмоток, чтобы уменьшить это сопротивление, то мы улучшаем нашу передачу мощности, но уменьшаем напряжение трансформатора.

Есть сладкое место для каждой системы. Вот где они пытаются прицелиться. В случае сварщика это приятное место включает понижение до низкого напряжения и высокой силы тока.

Кроме того, если у вас есть схема управления, лучше контролировать силу тока, чем контролировать напряжение. Падение напряжения в системе происходит от всевозможных проводов и соединений. Например, сопротивление системы может упасть, если вы соедините больше металлических поверхностей вместе с хорошими твердыми сварными швами. Это означает, что, если вы контролируете напряжение, вы должны обращать внимание на все эти детали, когда все, что вас действительно волнует, это «сила в сварном шве». Если вместо этого вы управляете силой тока, то рассеиваемая мощность в сварном шве всегда$P=i^2R_{weld}$и игнорирует все эти другие детали. Таким образом, полезно думать в современных условиях.

Когда дело доходит до сварки, газовый импеданс остается высоким до тех пор, пока не начнется низковольтная дуга высокого напряжения, тогда низковольтный сильноточный источник тока обеспечивает следующий ток в низком Z.

Z обратно пропорционально плотности тока, которая необходима для поднятия тепла в соединении от $Pd=I^2R$,

Таким образом, вы не можете выполнять сварку с низким током высокого напряжения, так как сопротивление дуги становится очень низким. HV просто триггер, как SCR. Оба имеют отрицательное добавочное сопротивление.

Судя по нашему разговору в комментариях, вам не хватает того, что снижение напряжения выполняет две функции:

1. Это делает текущий "управляемым". Если мы сможем получить, скажем, 100 А всего за несколько вольт, то у нас будет неуправляемый ток при более высоких напряжениях.
2. Это увеличивает ток до уровня, превышающего уровень, который может обеспечить источник питания без трансформатора.

Рисунок 1. Принципиальная схема дуговой сварки. Источник: Линкольн Электрик .

Помните, что сопротивление цепи чрезвычайно низкое. Если R = 0,05 Ω и вы подключаете источник питания 5 В, вы получаете 100 А. Если вы подключаете источник питания 120 В, вы получаете 2400 А и дуговую вспышку 288 кВт, которая может убить сварщика. Обычно у вас не так много доступной энергии, и вы не можете ее контролировать, если у вас есть.

Это может помочь подойти к проблеме в обратном порядке. Начиная с нуля вольт, вы увеличиваете напряжение, пока ток не поднимется до значения, достаточного для создания сварного шва. Для этого вам нужен трансформатор. Трансформатор выполняет преобразование с высокого на низкое напряжение и с низкого на высокий ток. Для нашего примера от 120 В до 5 В, 100 А первичный ток будет только$100 \frac {5}{120} = 4.2 \ \mathrm A$, Это легко доступно из розетки.

Точечный сварщик создает тепло через сопротивление заготовки. Мощность, рассеиваемая через сопротивление

Это противоположно линиям электропередачи, где вы хотите, чтобы в линии было как можно меньше потерь, и, таким образом, повышаться до высокого напряжения и низкого тока.

Сварщики работают, плавя металл. Вырабатываемое тепло является функцией сопротивления от квадрата тока (I ^ 2 * R). «R» является фиксированным (целевой материал / сварочные электроды), поэтому увеличение тока приведет к увеличению выделяемого тепла.

Вы упускаете ключевой момент в своей теории здесь. Чтобы достичь требуемой температуры, вам необходимо ввести достаточную мощность для этого.

Как вы правильно заметили, $P = IV$,

Однако, $I = V/R$

Пятно сварного шва имеет очень маленькое сопротивление. $<10m\Omega$

Поскольку точка сварки имеет такое низкое сопротивление, вам не нужно прикладывать большое напряжение к ней, чтобы она проводила много тока. Если вы используете более высокое напряжение, соединение будет проводить пропорционально больше тока. Удвойте напряжение, ток тоже удваивается, а мощность, которую вы вводите, увеличивается в четыре раза.

(На самом деле добавленная вами дополнительная мощность изменит сопротивление, поэтому оно не будет в два раза больше тока.)

Дело в том, что вы должны иметь возможность подавать ток, который потребляет соединение, независимо от того, какое напряжение вы используете. Увеличение напряжения делает текущее требование больше, а не меньше.

Хитрость заключается в том, чтобы использовать достаточно низкое напряжение, чтобы ток, проводимый через соединение, давал достаточно $P = IV$нагреть и расплавить металл в разумные сроки. В этом случае трансформатор должен быть спроектирован так, чтобы уравновешивать такое напряжение с таким большим током.

Если тебе надо $500W$ власти и соединение $5m\Omega$

Тебе нужно $V = \surd(500 * 0.005) \approx 1.6V$

С $1.6 / 0.005 \approx 320A$

Или, говоря по-другому. Количество напряжения и тока, которое вам нужно, определяется сопротивлением соединения. Просто из-за физики получается, что нужно маленькое$V$ и большой $I$,

Вот интересная статья о точечной сварке.

Поскольку речь идет о точечной сварке, а не о дуговой сварке, речь идет о I ^ 2R (мощности), подаваемой на нагрузку. Если вы подключаете свой точечный сварочный аппарат к (например) обычной розетке США с выключателем на 20 А, и вы не понижаете напряжение с помощью трансформатора, максимальный ток, который вы можете получить, прежде чем отключить выключатель, составляет 20 А. (Не делайте этого, это небезопасно.)

Понижая напряжение, например, на 100, вы можете получить 2 кА. Это в 10000 раз больше мощности, подводимой к сварному шву.

Конечно, существуют обмотки и потери в сердечнике и т. Д., Но это основная идея низковольтной точечной сварки.

Основная идея дуговой сварки заключается в том, что вы не только плавите (по крайней мере поверхность) заготовок, но и плавите конец сварочного стержня и осаждаете расплавленный металл со сварочного стержня на заготовки так, Вы получаете крепкий сустав. Чтобы это произошло, сварочный стержень, очевидно, должен быть очень близко к заготовке (-ам).

Если напряжение очень высокое, вы получите дугу, когда сварочный стержень еще далеко от заготовок. Конец стержня (вероятно) расплавится, и заготовка может расплавиться там, где с ней соприкасается дуга, но они не будут достаточно близко друг к другу, чтобы расплавленный сварочный стержень мог осесть на заготовке, так что вы в конечном итоге в лучшем случае со слабым сварным швом (и, возможно, вообще без него).

Другая проблема с длинной дугой заключается в том, что она не очень предсказуема - если вы когда-либо видели фильм о грозе, вы заметите, что молния имеет тенденцию поражать самую высокую вещь в окрестностях - но это не всегда , Иногда он попадает в одно место, затем в середину удара, вместо этого он попадает в другое место.

Даже с очень короткой дугой это все же происходит в некоторой степени, но расстояние, на которое перемещается дуга, будет очень маленьким, поэтому вы все равно сконцентрируете тепло вокруг одной области, чтобы получить хороший сварной шов.

Итог: я совсем не уверен, что это действительно имеет много общего с электроникой; это больше о том, как работает дуговая сварка.

Для чего это стоит, когда я был намного моложе, я оказался рядом, когда друг решил подключить выход сварщика переменного тока к катушке от автомобиля. Это произвело искры приблизительно 3 или 4 фута длиной - но я почти уверен, что никто не мог фактически сварить что-либо с этим.

Проблема здесь заключается в том, что на практике существует ограничение на ток, который может поставлять источник. Также важно различать, что является причинами и что является следствием, или, другими словами, идентифицировать зависимые и независимые переменные - во-первых, это должно прояснить проблему, поднятую в вашем приложении.

Предполагая фиксированное сопротивление заготовки, идеальный источник питания с фиксированным напряжением (вплоть до максимального тока), идеально эффективный трансформатор и т. Д., Зависимости, таким образом, следующие: Напряжение питания $Vp$ и коэффициент поворота трансформатора $N1/N2$ определить вторичное напряжение $Vs=Vp.N2/N1$, который вместе с сопротивлением заготовки $Rs$определяет вторичный ток $Is=Vs/Rs$который, в свою очередь, вместе с коэффициентом трансформации определяет первичный ток $Ip=Is.N2/N1$, Максимальный ток , который можно сделать из источника (или максимального тока первичной обмотки трансформатора может принимать, в зависимости от того , что меньше) является еще одной независимой переменной.

Рассмотрим ваше утверждение: «Если число вторичных катушек становится выше, ток в ветви R_s становится выше. Поэтому, несмотря на то, что ток понижается, используемая мощность становится выше, поскольку мы «вытягиваем» больший ток из источника ».

Исключая предложение «хотя ток понижается», что, вероятно, не так, тогда остальная часть этого утверждения является правильной, насколько это возможно: увеличение $N2$увеличивает напряжение на нагрузке, а следовательно, и ток через нее, и мощность, рассеиваемую в ней. Например, если$N2$ в два раза, $Vs$ удваивается, что приводит к $Is$также удваивается, поэтому рассеиваемая мощность увеличивается в четыре раза. Следствием этого является то, что потребление первичного тока увеличивается в четыре раза, как это видно из сохранения энергии, приложенной к первичным и вторичным цепям, или из соотношения трансформатора$Ip=Is.N2/N1$где оба $Is$ а также $N2$в два раза. Тем не менее, при добавлении дополнительных вторичных витков, первичный ток не достигнет своего предела.

Итак, вы правильно сказали, что увеличение вторичных витков увеличит мощность, подаваемую на заготовку, но только до того момента, когда вы начнете перегружать источник. На практике, если вы подадите напряжение источника 240 В непосредственно на заготовку, вы почти наверняка будете перегружать источник питания, и в этом случае вам потребуется понижающий трансформатор, чтобы просто оставаться в пределах этого предела. Чтобы обеспечить наибольшую мощность сварки, вам необходим трансформатор, который выполняет наименьшее понижение напряжения, сохраняя при этом первичный ток в пределах своего предела.

Обратите внимание, что для того, чтобы понять эту проблему достаточно хорошо, вам не нужно учитывать паразитные импедансы, показанные на диаграмме, которые сравнительно невелики и просто усложняют ситуацию без добавления какой-либо информации. С другой стороны, как уже упоминали другие, во вторичных обмотках также будет рассеяние, поэтому необходимо использовать провод достаточного диаметра для обработки вторичного тока - по крайней мере, достаточного, чтобы избежать перегрева, и чем ниже, тем ниже сопротивление от вторичного, тем меньше энергии будет рассеиваться там, а не на заготовке. Если максимальный ток для первичной цепи$Iplimit$соответствующий вторичный ток $Iplmit.N1/N2$, Если, как в видео, вы модифицируете существующий трансформатор, максимальная мощность вашего сварщика может быть установлена ​​физическим ограничением на число витков достаточно большого провода, который вы можете установить на якорь трансформатора.

Еще одна проблема - безопасность - вы можете выполнять сварку с более высоким напряжением, но вы также значительно увеличиваете риск травмирования сварщика.