Spot welder: Keuntungan arus tinggi dari tegangan tinggi

Saya telah melihat beberapa video "tukang las DIY" di Youtube, seperti ini:

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

Kami memiliki jumlah belokan yang jauh lebih besar pada yang primer daripada yang sekunder. Kemudian kita menghubungkan primer ke tegangan AC, katakanlah 240V dan beban resistansi kecil pada sekunder (atau kita singkat).

Saya telah menemukan beberapa penjelasan untuk apa yang terjadi dan mereka semua mengatakan bahwa ketika tegangan diturunkan pada sekunder, arus dinaikkan sesuai dengan itu. Tegangan pada sekunder sekarang hanya beberapa volt, tetapi arus dapat mencapai kiloamp. Arus tinggi ini menghasilkan panas tinggi yang melelehkan logam (beban sekunder).

Tapi bukankah kekuatannya sama? Daya adalah produk dari arus dan tegangan. Karena kekekalan energi, saat arus dinaikkan, tegangan diturunkan karena produk tetap sama.

Dalam kasus sebaliknya di mana kita meningkatkan tegangan, saya dapat memahami apa yang terjadi dengan melihat model transformator:

Jika nomor kumparan sekunder semakin tinggi, arus ke cabang R_s semakin tinggi. Jadi, meskipun arus turun, daya yang digunakan menjadi lebih tinggi karena kita "menarik" lebih banyak arus dari suplai.

Tetapi apa yang terjadi ketika arus ditingkatkan? Jika primer memiliki lebih banyak belokan, tampaknya rasio N_p / N_s lebih tinggi dan arus ke cabang R_s lebih rendah.

Bisakah seseorang menjelaskan kepada saya apa yang saya salah pahami? Mengapa lebih baik untuk meningkatkan arus listrik, daripada hanya menggunakan tegangan AC input atau meningkatkan tegangan daripada arus?

EDIT: Banyak jawaban yang menyatakan hubungan antara arus, hambatan, dan daya:

Tetapi kita juga tahu bahwa tegangan melintasi beban juga merupakan fungsi dari arus, menurut hukum Ohm:

Jadi jika kita memiliki arus yang tinggi, kita harus memiliki tegangan tinggi juga. Sekarang hukum dan transformator Ohm tampaknya tidak setuju!

Alasan kami melakukan ini adalah karena ada dua komponen resistif dalam sistem: busur tempat kami mengelas dan transformator itu sendiri. Kami mencari tidak hanya untuk memaksimalkan daya dalam lasan, tetapi untuk meminimalkan limbah. Jika resistensi transformator lebih tinggi dari pada tukang las, maka sebagian besar energi benar-benar hilang di transformator, dan transformator memanas seperti orang gila. Jika kita mengurangi jumlah belitan untuk mengurangi hambatan itu, maka kita meningkatkan transfer daya kita, tetapi mengurangi tegangan transformator.

Ada sweet spot untuk setiap sistem. Di situlah mereka berusaha membidik. Dalam kasus tukang las, sweet spot itu melibatkan langkah turun ke tegangan rendah dan arus listrik tinggi.

Juga, jika Anda memiliki sirkuit kontrol, mengendalikan arus listrik lebih baik daripada mengontrol tegangan di sini. Penurunan tegangan sistem berasal dari semua jenis kabel dan koneksi. Hambatan sistem, misalnya, dapat jatuh jika Anda menghubungkan lebih banyak permukaan logam bersama dengan lasan padat yang baik. Ini berarti bahwa, jika Anda mengontrol voltase, Anda harus memperhatikan semua detail ini, ketika yang benar-benar Anda pedulikan adalah "kekuatan dalam lasan." Jika Anda mengontrol arus listrik, maka disipasi daya Anda dalam las selalu$P=i^2R_{weld}$, dan mengabaikan semua detail lainnya. Dengan demikian, sangat membantu untuk berpikir dalam istilah saat ini.

Ketika datang untuk pengelasan impedansi gas tinggi sampai arc HV arus rendah dimulai maka sumber daya arus tinggi tegangan rendah memberikan tindak lanjut ke Z rendah.

Z adalah kebalikan dari kerapatan arus yang dibutuhkan untuk meningkatkan panas dalam sambungan dari $Pd=I^2R$.

Jadi Anda tidak dapat mengelas dengan tegangan tinggi arus rendah, karena resistansi busur menjadi sangat rendah. HV hanyalah pemicu seperti SCR. Keduanya memiliki resitansi inkremental negatif.

Menilai dari percakapan kami di komentar, bit yang Anda lewatkan adalah bahwa mengecilkan tegangan melakukan dua fungsi:

1. Itu membuat saat ini "dikelola". Jika kita bisa mendapatkan, katakanlah, 100 A hanya pada beberapa volt maka kita akan memiliki arus yang tidak terkelola pada voltase yang lebih tinggi.
2. Ini meningkatkan arus ke tingkat yang lebih besar daripada yang dapat disediakan oleh catu daya tanpa transformator.

Gambar 1. Sirkuit las busur dasar. Sumber: Lincoln Electric .

Ingat bahwa resistansi rangkaian sangat rendah. Jika R = 0,05 Ω dan Anda menghubungkan pasokan 5 V Anda mendapatkan 100 A. Jika Anda menghubungkan pasokan 120 V Anda mendapatkan 2400 A dan flash busur 288 kW yang kemungkinan akan membunuh tukang las. Biasanya Anda tidak memiliki banyak daya yang tersedia dan tidak dapat mengendalikannya jika Anda melakukannya.

Mungkin membantu untuk mendekati masalah secara terbalik. Mulai dari nol volt Anda meningkatkan tegangan hingga arus naik ke nilai yang cukup untuk membuat lasan. Untuk melakukan ini, Anda memerlukan transformator. Transformator melakukan konversi dari tegangan tinggi ke rendah dan arus rendah ke tinggi. Untuk 120 V hingga 5 V kami, 100 Sebuah contoh arus primer akan hanya$100 \frac {5}{120} = 4.2 \ \mathrm A$. Ini sudah tersedia dari stopkontak.

Tukang las spot menciptakan panas melalui ketahanan benda kerja. Kekuatan yang dihamburkan melintasi perlawanan adalah

Ini berlawanan dengan saluran transmisi listrik, di mana Anda ingin kehilangan sesedikit mungkin dalam saluran, dan dengan demikian naik ke tegangan tinggi dan arus rendah.

Tukang las bekerja dengan melelehkan logam. Panas yang dihasilkan adalah fungsi dari resistansi kali kuadrat saat ini (I ^ 2 * R). "R" diperbaiki (bahan target / elektroda las), sehingga meningkatkan arus akan meningkatkan panas yang dihasilkan.

Anda kehilangan poin kunci dengan teori Anda di sini. Untuk mencapai suhu yang dibutuhkan, Anda perlu menyuntikkan daya yang cukup untuk melakukannya.

Seperti yang Anda tunjukkan dengan benar, $P = IV$.

Namun, $I = V/R$

Spot las memiliki resistansi yang sangat kecil. $<10m\Omega$

Karena titik lasan memiliki resistansi yang rendah, Anda tidak perlu menggunakan banyak voltase untuk melangsungkan BANYAK arus. Jika Anda menggunakan tegangan yang lebih tinggi, sambungan akan melakukan arus lebih proporsional. Gandakan tegangan, arus juga berlipat ganda, dan daya yang Anda pasang naik empat.

(Yah sebenarnya kekuatan ekstra yang Anda tambahkan akan mengubah perlawanan sehingga tidak persis dua kali lipat saat ini.)

Intinya adalah, Anda harus dapat memasok arus yang akan dikonsumsi sambungan apa pun voltase yang Anda gunakan. Peningkatan voltase membuat permintaan saat ini lebih besar, bukan lebih kecil.

Caranya adalah dengan menggunakan tegangan yang cukup rendah sehingga jumlah arus yang dilakukan melalui sambungan menghasilkan cukup $P = IV$untuk memanaskan dan melelehkan logam dalam waktu yang wajar. Trafo kemudian perlu dirancang untuk menyeimbangkan banyak tegangan dengan banyak arus.

Jika Anda perlu $500W$ kekuasaan dan gabung adalah $5m\Omega$

Kamu butuh $V = \surd(500 * 0.005) \approx 1.6V$

Dengan $1.6 / 0.005 \approx 320A$

Atau dengan kata lain. Jumlah tegangan dan arus yang Anda butuhkan ditentukan oleh hambatan sambungan. Itu hanya terjadi karena fisika yang berfungsi Anda perlu kecil$V$ dan besar $I$.

Berikut ini adalah kertas yang menarik di tempat pengelasan.

Karena kita berbicara pengelasan titik dan bukan pengelasan busur, ini semua tentang I ^ 2R (daya) yang dikirim ke beban. Jika Anda mencolokkan tukang las spot Anda ke (misalnya) outlet AS biasa dengan pemutus 20A dan Anda tidak mundur tegangan dengan transformator arus maksimum yang bisa Anda dapatkan sebelum Anda trip pemutus adalah 20A. (Jangan lakukan ini, itu tidak aman.)

Dengan menurunkan voltase sebesar 100, Anda bisa mendapatkan 2kA. Itu 10.000 kali daya yang dikirim ke lasan.

Tentu saja ada berliku dan kehilangan inti, dll, tapi itulah ide utama di balik pengelasan spot tegangan tinggi arus rendah.

Ide dasar dari tukang las busur adalah bahwa Anda tidak hanya melelehkan (setidaknya permukaan) benda kerja, tetapi juga mencairkan ujung batang las, dan menyimpan logam cair dari batang las ke benda kerja sehingga Anda mendapatkan sendi yang kuat. Agar itu terjadi, batang las jelas harus sangat dekat dengan benda kerja.

Jika voltase sangat tinggi, Anda akan mendapatkan busur saat batang las masih agak jauh dari benda kerja. Ujung batang akan (mungkin) meleleh, dan benda kerja dapat meleleh di mana busur menyentuhnya - tetapi mereka tidak akan cukup dekat bersama-sama untuk batang las lebur yang akan diendapkan pada benda kerja, sehingga Anda berakhir dengan las yang lemah yang terbaik (dan sangat mungkin tidak ada sama sekali).

Masalah lain dengan busur panjang adalah bahwa itu tidak terlalu dapat diprediksi - jika Anda pernah melihat film badai petir, Anda akan melihat bahwa kilat cenderung menyerang benda tertinggi di sekitarnya - tetapi itu tidak selalu . Kadang-kadang ia menyerang satu tempat, lalu menyerang tengah, ia mengenai tempat lain.

Bahkan dengan busur yang sangat pendek, ini masih terjadi sampai batas tertentu, tetapi jarak yang bergerak busur akan cenderung sangat kecil, sehingga Anda masih mendapatkan panas terkonsentrasi tepat di satu area, sehingga Anda bisa mendapatkan lasan yang bagus.

Intinya: Saya sama sekali tidak yakin ini benar-benar ada hubungannya dengan elektronik; ini lebih tentang bagaimana pengelasan busur bekerja.

Untuk apa nilainya, ketika saya jauh lebih muda, saya kebetulan ada ketika seorang teman memutuskan untuk menghubungkan output dari tukang las AC ke koil dari mobil. Ini menghasilkan sekitar 3 atau 4 kaki percikan panjang - tapi saya cukup yakin tidak ada yang bisa benar-benar melas apa pun dengan itu.

Masalahnya di sini adalah bahwa, dalam praktiknya, ada batasan pada saat ini yang dapat diberikan pasokan. Penting juga untuk membedakan antara apa yang menjadi penyebab dan apa yang merupakan efek, atau, dengan kata lain, untuk mengidentifikasi variabel dependen dan independen - untuk satu hal, ini harus menjernihkan masalah yang diangkat dalam addendum Anda.

Dengan asumsi resistansi benda kerja tetap, catu daya tegangan tetap ideal (hingga arus maksimum), dan lain-lain transformator yang sangat efisien dll, ketergantungannya adalah sebagai berikut: Tegangan suplai $Vp$ dan rasio transformator belok $N1/N2$ tentukan tegangan sekunder $Vs=Vp.N2/N1$, yang, bersama dengan resistensi benda kerja $Rs$, Menentukan arus sekunder $Is=Vs/Rs$, yang pada gilirannya, bersama dengan rasio transformator, menentukan arus primer $Ip=Is.N2/N1$. Arus maksimum yang dapat diambil dari suplai (atau arus maksimum yang dapat diambil primer transformator, mana yang lebih kecil) adalah variabel independen lainnya.

Pertimbangkan pernyataan Anda “Jika nomor kumparan sekunder semakin tinggi, arus ke cabang R_s semakin tinggi. Jadi, meskipun arus turun, daya yang digunakan menjadi lebih tinggi karena kami 'menarik' lebih banyak arus dari suplai. ”

Mengecualikan klausa 'meskipun saat ini sedang turun', yang mungkin tidak demikian, maka sisa dari pernyataan ini adalah benar, sejauh yang terjadi: peningkatan $N2$meningkatkan tegangan melintasi beban, dan karenanya juga arus yang melewatinya dan daya yang dihabiskan di dalamnya. Misalnya, jika$N2$ dua kali lipat, $Vs$ dua kali lipat, mengarah ke $Is$juga menjadi dua kali lipat, sehingga disipasi daya menjadi empat kali lipat. Konsekuensinya adalah bahwa arus arus primer empat kali lipat, seperti yang dapat dilihat dari konservasi energi yang diterapkan pada sirkuit primer dan sekunder, atau dari hubungan transformator.$Ip=Is.N2/N1$dimana keduanya $Is$ dan $N2$telah berlipat ganda. Namun, ketika menambahkan belokan sekunder yang lebih banyak, tidak lama sebelum arus primer mencapai batasnya.

Jadi, Anda benar mengatakan bahwa meningkatkan putaran sekunder akan meningkatkan daya yang dikirim ke benda kerja, tetapi hanya sampai pada titik di mana Anda mulai membebani sumbernya. Dalam praktiknya, jika Anda menerapkan sumber tegangan 240V langsung ke benda kerja, Anda hampir pasti akan kelebihan pasokan, dalam hal ini Anda akan memerlukan transformator step-down hanya untuk tetap dalam batas itu. Untuk menghasilkan daya pengelasan yang paling banyak, Anda memerlukan transformator yang menghasilkan tegangan stepping-down paling rendah sekaligus menjaga arus primer dalam batasnya.

Perhatikan bahwa untuk memahami masalah ini dengan cukup baik, Anda tidak harus mempertimbangkan impedansi parasit yang ditunjukkan dalam diagram, yang relatif kecil dan hanya memperumit masalah tanpa menambahkan wawasan apa pun. Di sisi lain, seperti yang telah disebutkan orang lain, juga akan ada disipasi pada belitan sekunder, jadi Anda perlu menggunakan kawat berdiameter cukup untuk menangani arus sekunder - setidaknya cukup untuk menghindari panas berlebih, dan di luar itu, semakin rendah resistansi. dari yang sekunder, semakin sedikit daya yang akan hilang di sana daripada di benda kerja. Jika arus maksimum untuk rangkaian utama adalah$Iplimit$, arus sekunder yang sesuai adalah $Iplmit.N1/N2$. Jika, seperti dalam video, Anda memodifikasi trafo yang ada, daya maksimum tukang las Anda dapat ditentukan oleh batas fisik pada jumlah putaran kawat yang cukup besar yang dapat Anda paskan pada angker trafo.

Masalah lainnya adalah keselamatan - Anda mungkin dapat mengelas dengan tegangan yang lebih tinggi, tetapi Anda secara signifikan meningkatkan risiko melukai tukang las juga.