Punktschweißgerät: Hochstromvorteil gegenüber Hochspannung

Der Grund dafür ist, dass das System zwei Widerstandskomponenten enthält: den Lichtbogen, an dem wir schweißen, und den Transformator selbst. Wir wollen nicht nur die Leistung in der Schweißnaht maximieren, sondern auch Abfall minimieren. Wenn der Widerstand des Transformators höher ist als der des Schweißgeräts, wird die meiste Energie tatsächlich im Transformator abgeführt, und der Transformator heizt sich wie verrückt auf. Wenn wir die Anzahl der Wicklungen verringern, um diesen Widerstand zu verringern, verbessern wir unsere Leistungsübertragung, verringern jedoch die Spannung des Transformators.

Für jedes System gibt es einen optimalen Punkt. Darauf versuchen sie zu zielen. Im Fall eines Schweißers beinhaltet dieser optimale Punkt einen Schritt nach unten zu niedriger Spannung und hoher Stromstärke.

Auch wenn Sie eine Steuerschaltung haben, ist die Steuerung der Stromstärke hier besser als die Steuerung der Spannung. Der Spannungsabfall des Systems kommt von allen möglichen Kabeln und Verbindungen. Der Widerstand des Systems kann beispielsweise sinken, wenn Sie mehr Metallflächen mit guten soliden Schweißnähten miteinander verbinden. Das bedeutet, dass Sie, wenn Sie die Spannung steuern, auf all diese Details achten müssen, wenn Sie sich wirklich nur um „Power in the Welding“ kümmerten. Wenn Sie stattdessen die Stromstärke steuern, ist Ihre Verlustleistung in der Schweißnaht immer$P=i^2R_{weld}$, und all diese anderen Details werden ignoriert. Daher ist es hilfreich, in aktuellen Begriffen zu denken.

Beim Schweißen ist die Gasimpedanz hoch, bis ein HV-Lichtbogen mit niedrigem Strom beginnt, dann liefert die Niederspannungs-Hochstrom-Stromquelle den Folgestrom in das niedrige Z.

Z ist umgekehrt zur Stromdichte, die benötigt wird, um die Wärme in der Verbindungsstelle aus zu erhöhen$Pd=I^2R$.

Sie können also nicht mit niedriger Stromstärke und hoher Spannung schweißen, da der Lichtbogenwiderstand sehr niedrig wird. Die HV ist nur der Auslöser wie ein SCR. Beide haben einen negativen inkrementellen Widerstand.

Nach unserem Gespräch in den Kommentaren zu urteilen, fehlt Ihnen etwas, dass das Herunterschalten der Spannung zwei Funktionen erfüllt:

1. Es macht den Strom „beherrschbar“. Wenn wir beispielsweise 100 A bei nur wenigen Volt erhalten können, hätten wir bei höheren Spannungen einen nicht handhabbaren Strom.
2. Es erhöht den Strom auf ein Niveau, das größer ist, als die Stromversorgung ohne Transformator liefern könnte.

Abbildung 1. Die grundlegende Lichtbogenschweißschaltung. Quelle: Lincoln Electric .

Denken Sie daran, dass der Widerstand der Schaltung extrem niedrig ist. Wenn R = 0,05 Ω und Sie eine 5-V-Versorgung anschließen, erhalten Sie 100 A. Wenn Sie eine 120-V-Versorgung anschließen, erhalten Sie 2400 A und einen 288-kW-Lichtbogenblitz, der den Schweißer wahrscheinlich töten würde. Normalerweise haben Sie nicht so viel Energie zur Verfügung und könnten es nicht kontrollieren, wenn Sie es täten.

Es kann hilfreich sein, das Problem umgekehrt anzugehen. Beginnend bei null Volt erhöhen Sie die Spannung, bis der Strom auf einen Wert ansteigt, der ausreicht, um die Schweißnaht zu erzeugen. Dazu benötigen Sie einen Transformator. Der Transformator sorgt für die Umwandlung von Hoch- in Niederspannung und von Nieder- in Hochstrom. Für unser 120 V bis 5 V Beispiel wären 100 A der Primärstrom nur$100 \frac {5}{120} = 4.2 \ \mathrm A$. Dies ist leicht über eine Wandsteckdose verfügbar.

Ein Punktschweißgerät erzeugt Wärme durch den Widerstand des Werkstücks. Die über einen Widerstand abgeführte Leistung ist

Dies steht im Gegensatz zu Stromübertragungsleitungen, bei denen Sie so wenig Verlust wie möglich in der Leitung wünschen und daher auf eine hohe Spannung und einen niedrigen Strom umsteigen.

Sie übersehen hier einen entscheidenden Punkt mit Ihrer Theorie. Um die erforderlichen Temperaturen zu erreichen, müssen Sie ausreichend Leistung einspeisen.

Wie Sie zu Recht anmerken,$P = IV$.

Jedoch,$I = V/R$

Der Schweißpunkt hat einen sehr kleinen Widerstand.$<10m\Omega$

Da der Schweißpunkt einen so niedrigen Widerstand hat, müssen Sie nicht viel Spannung darüber anlegen, damit er VIEL Strom leitet. Wenn Sie eine höhere Spannung verwenden, würde die Verbindung proportional mehr Strom leiten. Verdoppeln Sie die Spannung, verdoppelt sich auch der Strom, und die Leistung, die Sie einspeisen, steigt um vier.

(Nun, eigentlich würde die zusätzliche Leistung, die Sie hinzufügen, den Widerstand ändern, sodass er nicht genau doppelt so hoch ist wie der Strom.)

Der Punkt ist, dass Sie in der Lage sein müssen, den Strom zu liefern, den die Verbindung verbraucht, unabhängig davon, welche Spannung Sie verwenden. Durch Erhöhen der Spannung wird der Strombedarf größer, nicht kleiner.

Der Trick besteht darin, eine Spannung zu verwenden, die niedrig genug ist, dass die Strommenge, die durch die Verbindung geleitet wird, gerade genug erzeugt$P = IV$um das Metall in angemessener Zeit zu erhitzen und zu schmelzen. Der Transformator muss dann so ausgelegt sein, dass er so viel Spannung mit so viel Strom ausgleicht.

Wenn Sie brauchen$500W$der Macht und der Join ist$5m\Omega$

Du brauchst$V = \surd(500 * 0.005) \approx 1.6V$

Mit$1.6 / 0.005 \approx 320A$

Oder anders ausgedrückt. Die Menge an Spannung und Strom, die Sie benötigen, wird durch den Widerstand der Verbindung bestimmt. Es passiert einfach aufgrund der Physik, dass es funktioniert, dass Sie eine kleine brauchen$V$und groß$I$.

Hier ist ein interessanter Artikel zum Thema Punktschweißen.

Schweißer arbeiten, indem sie Metall schmelzen. Die erzeugte Wärme ist eine Funktion des Widerstands mal dem Quadrat des Stroms (I^2*R). Das "R" ist fest (das Zielmaterial / die Schweißelektroden), sodass eine Erhöhung des Stroms die erzeugte Wärme erhöht.

Da es sich um Punktschweißen und nicht um Lichtbogenschweißen handelt, dreht sich alles um I ^ 2R (die Leistung), die an die Last geliefert wird. Wenn Sie Ihren Punktschweißer (z. B.) mit einem 20-A-Unterbrecher an eine normale US-Steckdose anschließen und die Spannung nicht mit einem Transformator verringern, beträgt der maximale Strom, den Sie erhalten können, bevor Sie den Unterbrecher auslösen, 20 A. (Tu dies nicht, es ist unsicher.)

Indem Sie die Spannung um zB 100 verringern, erhalten Sie 2kA. Das ist das 10.000-fache der an die Schweißnaht abgegebenen Leistung.

Natürlich gibt es Wicklungs- und Kernverluste usw., aber das ist die Hauptidee hinter dem Niederspannungs-Hochstrom-Punktschweißen.

Die Grundidee eines Lichtbogenschweißers besteht darin, dass Sie nicht nur (zumindest die Oberfläche) der Werkstücke schmelzen, sondern auch das Ende des Schweißstabs schmelzen und das geschmolzene Metall vom Schweißstab so auf die Werkstücke aufbringen Sie bekommen ein starkes Gelenk. Dazu muss der Schweißdraht natürlich sehr nahe an dem/den Werkstück(en) sein.

Bei sehr hoher Spannung entsteht ein Lichtbogen, wenn der Schweißstab noch weit von den Werkstücken entfernt ist. Das Ende des Stabes wird (wahrscheinlich) schmelzen, und das Werkstück kann dort schmelzen, wo der Lichtbogen es berührt - aber sie werden nicht nah genug beieinander liegen, damit der geschmolzene Schweißstab auf dem Werkstück abgelagert werden kann, also landen Sie bestenfalls mit einer schwachen Schweißnaht (und möglicherweise überhaupt keiner).

Ein weiteres Problem mit einem langen Lichtbogen ist, dass er nicht sehr vorhersehbar ist – wenn Sie jemals einen Film über ein Gewitter gesehen haben, werden Sie feststellen, dass der Blitz dazu neigt, das höchste Objekt in der Nähe zu treffen – aber das ist nicht immer der Fall . Manchmal trifft es an einer Stelle, dann mittendrin, trifft es stattdessen woanders.

Selbst bei einem sehr kurzen Lichtbogen passiert dies bis zu einem gewissen Grad, aber die Strecke, über die sich der Lichtbogen bewegt, ist in der Regel sehr klein, sodass sich die Wärme immer noch genau um einen Bereich konzentriert, sodass Sie eine gute Schweißnaht erzielen können.

Fazit: Ich bin mir überhaupt nicht sicher, ob das wirklich so viel mit Elektronik zu tun hat; es geht mehr darum, wie Lichtbogenschweißen funktioniert.

Für das, was es wert ist, als ich viel jünger war, war ich zufällig dabei, als ein Freund beschloss, den Ausgang eines Wechselstromschweißgeräts an eine Spule von einem Auto anzuschließen. Es erzeugte ungefähr 3 oder 4 Fuß lange Funken - aber ich bin mir ziemlich sicher, dass niemand etwas damit hätte schweißen können.

Das Problem hier ist, dass es in der Praxis eine Grenze für den Strom gibt, den die Versorgung liefern kann. Wichtig ist auch, zwischen Ursachen und Wirkungen zu unterscheiden, also die abhängigen und unabhängigen Variablen zu identifizieren - dies sollte zum einen die in Ihrem Nachtrag angesprochene Frage klären.

Unter der Annahme eines festen Werkstückwiderstands, einer idealen Festspannungsversorgung (bis zu seinem maximalen Strom) und eines Transformators mit perfektem Wirkungsgrad usw. sind die Abhängigkeiten somit: Die Versorgungsspannung$Vp$und Übersetzungsverhältnis des Transformators$N1/N2$die Sekundärspannung bestimmen$Vs=Vp.N2/N1$, die zusammen mit dem Werkstückwiderstand$Rs$, bestimmt den Sekundärstrom$Is=Vs/Rs$, die wiederum zusammen mit dem Übersetzungsverhältnis den Primärstrom bestimmt$Ip=Is.N2/N1$. Der maximale Strom, der aus der Versorgung entnommen werden kann (oder der maximale Strom, den die Primärwicklung des Transformators aufnehmen kann, je nachdem, welcher Wert kleiner ist), ist eine weitere unabhängige Variable.

Betrachten Sie Ihre Aussage „Wenn die Sekundärspulenzahl höher wird, wird der Strom zum R_s-Zweig höher. Obwohl also der Strom verringert wird, wird die verbrauchte Leistung höher, wenn wir mehr Strom aus der Versorgung ‚ziehen‘.“

Lässt man die Klausel „auch wenn der Strom heruntergefahren wird“ weg, was wohl nicht der Fall ist, dann ist der Rest dieser Aussage soweit richtig: ansteigend$N2$erhöht die Spannung über der Last und damit sowohl den Strom durch sie als auch die darin verbrauchte Leistung. Zum Beispiel, wenn$N2$wird verdoppelt,$Vs$wird verdoppelt, was zu führt$Is$ebenfalls verdoppelt, so dass die Verlustleistung vervierfacht wird. Die Folge ist eine Vervierfachung der Primärstromaufnahme, was entweder aus der Energieerhaltung des Primär- und Sekundärkreises oder aus dem Transformatorverhältnis ersichtlich ist$Ip=Is.N2/N1$, wo beides$Is$und$N2$haben sich verdoppelt. Beim Hinzufügen weiterer Sekundärwindungen dauert es jedoch nicht lange, bis der Primärstrom an seine Grenze stößt.

Sie haben also Recht, wenn Sie sagen, dass eine Erhöhung der sekundären Windungen die an das Werkstück abgegebene Leistung erhöht, jedoch nur bis zu dem Punkt, an dem Sie beginnen, die Quelle zu überlasten. Wenn Sie Ihre Quellenspannung von 240 V direkt an das Werkstück anlegen, überlasten Sie in der Praxis mit ziemlicher Sicherheit die Versorgung. In diesem Fall benötigen Sie einen Abwärtstransformator, um einfach innerhalb dieser Grenze zu bleiben. Um die größte Schweißleistung zu liefern, benötigen Sie einen Transformator, der die Spannung am wenigsten heruntersetzt und gleichzeitig den Primärstrom innerhalb seiner Grenzen hält.

Beachten Sie, dass Sie, um dieses Problem gut genug zu verstehen, die im Diagramm gezeigten parasitären Impedanzen nicht berücksichtigen müssen, die vergleichsweise klein sind und die Sache nur verkomplizieren, ohne dass sie einen Einblick gewinnen. Andererseits gibt es, wie andere bereits erwähnt haben, auch Verlustleistung in den Sekundärwicklungen, daher müssen Sie einen Draht mit ausreichendem Durchmesser verwenden, um den Sekundärstrom zu bewältigen - zumindest ausreichend, um eine Überhitzung zu vermeiden, und darüber hinaus, je niedriger der Widerstand ist der Sekundärseite, desto weniger Leistung wird dort und nicht im Werkstück dissipiert. Wenn der maximale Strom für den Primärkreis ist$Iplimit$, der entsprechende Sekundärstrom ist$Iplmit.N1/N2$. Wenn Sie, wie im Video, einen vorhandenen Transformator modifizieren, kann die maximale Leistung Ihres Schweißgeräts durch die physikalische Grenze für die Anzahl der Windungen von ausreichend großem Draht festgelegt werden, die Sie auf den Transformatoranker montieren können.

Ein weiteres Problem ist die Sicherheit - Sie können möglicherweise mit einer höheren Spannung schweißen, erhöhen jedoch auch das Verletzungsrisiko für den Schweißer erheblich.