スポット溶接機：高電圧に対する高電流の利点

私はYoutubeでこれらの「DIYスポット溶接機」のビデオをいくつか見てきました。

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

一次側の回転数は二次側の回転数よりはるかに多くなっています。次に、1次をAC電圧、たとえば240Vに接続し、2次側に小さな抵抗負荷を接続します（または短絡します）。

私は何が起こるかについていくつかの説明を見つけました、そして、彼ら全員は、電圧が二次でステップダウンされると、電流はそれに応じてステップアップされると言います。二次側の電圧は数ボルトになりましたが、電流は最大キロアンペアになることがあります。この高電流により、金属（2次負荷）を溶かす高熱が発生します。

しかし、力は同じであるべきではありませんか？電力は電流と電圧の積です。エネルギーが節約されるため、電流が増加すると、製品が同じままである間、電圧が減少します。

電圧をステップアップする反対のケースでは、変圧器モデルを見ることで何が起こっているのかを理解できます。

二次コイル数が増えると、R_sブランチへの電流が高くなります。したがって、電流が減少しても、電源からより多くの電流を「プル」しているため、使用される電力は高くなります。

しかし、電流が増加するとどうなりますか？プライマリのターン数が多い場合、N_p / N_sの比率が高くなり、R_sブランチへの電流が低くなるように見えます。

誰かが私が誤解していることを私に説明できますか？入力AC電圧を使用するだけでなく、電流の代わりに電圧をステップアップするよりも、アンペア数をステップアップする方が良いのはなぜですか？

編集：多くの答えは、電流、抵抗、電力の関係を述べています：

しかし、オームの法則により、負荷の両端の電圧も電流の関数であることもわかっています。

したがって、大電流がある場合は、高電圧も必要です。さて、オームの法則と変圧器は一致していないようです！

これを行う理由は、システムに2つの抵抗コンポーネントがあることです。それは、溶接しているアークとトランス自体です。溶接の出力を最大化するだけでなく、無駄を最小限に抑えることを目指しています。変圧器の抵抗が溶接機の抵抗よりも高い場合、実際にはほとんどのエネルギーが変圧器で消費され、変圧器は異常に熱くなります。巻線数を減らして抵抗を減らすと、電力伝達は改善されますが、トランスの電圧は下がります。

システムごとにスイートスポットがあります。それは彼らが目指しているところです。溶接機の場合、そのスイートスポットには、低電圧と高アンペア数へのステップダウンが含まれます。

また、制御回路がある場合は、ここで電圧を制御するよりもアンペア数を制御する方が適切です。システムの電圧降下は、あらゆる種類の配線と接続に起因します。たとえば、より多くの金属面を良好な固体溶接で接続すると、システムの抵抗が低下する可能性があります。これは、電圧を制御する場合、これらすべての詳細に注意を払う必要があることを意味します。実際に注意が必要なのは「溶接部の電力」だけでした。代わりにアンペア数を制御する場合、溶接での電力損失は常に$P=i^2R_{weld}$、その他すべての詳細は無視されます。したがって、現在の用語で考えると役立ちます。

溶接に関しては、低電流HVアークが始まるまでガスインピーダンスが高く、低電圧高電流電源が低Zへのフォローオン電流を提供します。

Zは、ジョイントの熱を上げるために必要な電流密度の逆数です。 $Pd=I^2R$。

したがって、アーク抵抗が非常に低くなるため、低電流の高電圧で溶接することはできません。HVはSCRのようなトリガーにすぎません。どちらも負の増分抵抗があります。

コメントでの会話から判断すると、電圧を下げると2つの機能が実行されるということです。

1. 現在の「管理可能」になります。たとえば、ほんの数ボルトで100 Aを得ることができれば、より高い電圧では管理できない電流が発生します。
2. それは、電源が変圧器なしで提供できるよりも大きいレベルに電流を増やします。

図1.基本的なアーク溶接回路。出典：リンカーンエレクトリック。

回路の抵抗は非常に低いことに注意してください。R = 0.05Ωの場合、5 V電源を接続すると100 Aになります。120V電源を接続すると、2400 Aと288 kWのアークフラッシュが発生し、溶接機が停止する可能性があります。通常、利用できる電力はそれほど多くなく、制御できませんでした。

問題に逆向きに取り組むことが役立つ場合があります。ゼロボルトから始めて、電流が溶接を作成するのに十分な値に上昇するまで電圧を上げます。これを行うには、トランスが必要です。トランスは、高電圧から低電圧、低電流から大電流への変換を行います。120 V〜5 V、100 Aの例では、一次電流は$100 \frac {5}{120} = 4.2 \ \mathrm A$。これは、壁のコンセントから簡単に入手できます。

スポット溶接機は、ワークピースの抵抗を通じて熱を発生させます。抵抗で消費される電力は

これは、送電線での損失をできる限り少なくしたい送電線とは逆なので、高電圧と低電流にステップアップします。

溶接工は金属を溶かして作業します。生成される熱は、抵抗と電流の2乗の積（I ^ 2 * R）の関数です。「R」が固定されているため（ターゲット材料/溶接電極）、電流が増えると発生する熱が増えます。

あなたはここであなたの理論の要点を逃しています。必要な温度に到達するには、そのために十分な電力を注入する必要があります。

あなたが正しく指摘しているように、 $P = IV$。

しかしながら、 $I = V/R$

溶接スポットの抵抗は非常に小さいです。 $<10m\Omega$

溶接ポイントの抵抗は非常に低いため、大量の電流を流すために溶接ポイントに大きな電圧をかける必要はありません。より高い電圧を使用した場合、結合は比例してより多くの電流を伝導します。電圧を2倍にすると、電流も2倍になり、投入する電力は4倍になります。

（まあ、実際に追加する追加の電力は抵抗を変えるので、電流の正確な2倍にはなりません。）

ポイントは、使用する電圧に関係なく、結合が消費する電流を供給できる必要があることです。電圧を上げると、電流需要が大きくなるが、小さくはならない。

秘訣は、結合部を流れる電流の量がちょうど十分に生成するほど十分に低い電圧を使用することです $P = IV$適切な時間で金属を加熱して溶かします。次に、変圧器は、電圧と電流のバランスをとるように設計する必要があります。

必要なら $500W$ 力と結合は $5m\Omega$

あなたは必要です $V = \surd(500 * 0.005) \approx 1.6V$

と $1.6 / 0.005 \approx 320A$

または別の言い方をすると。必要な電圧と電流の量は、結合の抵抗によって決まります。それは、物理学のために起こります。$V$ そして大 $I$。

ここにスポット溶接に関する興味深い論文があります。

ここではアーク溶接ではなくスポット溶接について説明しているので、負荷に供給されるI ^ 2R（電力）がすべてです。スポット溶接機を（たとえば）20Aブレーカー付きの通常の米国のコンセントに接続し、変圧器を使用して電圧を下げない場合、ブレーカーをトリップする前に取得できる最大電流は20Aです。（これを行わないでください。安全ではありません。）

電圧を例えば100ずつ下げることにより、2kAを得ることができます。これは、溶接に供給される電力の10,000倍です。

もちろん巻線損失やコア損失などがありますが、それが低電圧高電流スポット溶接の背後にある主なアイデアです。

アーク溶接機の基本的な考え方は、ワークピース（少なくとも表面）を溶融するだけでなく、溶接棒の端も溶融し、その溶融金属を溶接棒からワークピースに堆積させることです。あなたは強い関節を手に入れます。そのためには、溶接棒がワークピースに非常に接近している必要があります。

電圧が非常に高い場合、溶接棒がワークピースからまだかなり離れているときにアークが発生します。ロッドの端が（おそらく）溶けて、アークがそれに接触する場所でワークピースが溶ける可能性がありますが、溶着した溶接ロッドがワークピースに溶着するのに十分に近くないため、最終的にはせいぜい弱い溶接で（そしておそらくまったくない）。

長い弧のもう1つの問題は、それがあまり予測できないことです。雷雨の映画を見たことがあれば、稲妻が近くにある最も高いものに当たる傾向があることに気づくでしょう。 。時々それは1つの場所を打つ、それから中打、それは代わりにどこか他の場所を打つ。

アークが非常に短い場合でも、これはある程度発生しますが、アークが移動する距離は非常に短くなる傾向があるため、熱が1つの領域の周りに集中するため、良好な溶接を得ることができます。

要するに、これが本当に電子機器に関係しているのかどうかは、まったくわかりません。それはアーク溶接がどのように機能するかについての詳細です。

価値があるのは、私が若い頃、たまたま友人がAC溶接機からの出力を車のコイルにつなぐことを決めたときです。約3〜4フィートの長い火花が発生しましたが、実際には誰も溶接できなかったと思います。

ここでの問題は、実際には、電源が供給できる電流に制限があることです。原因と影響を区別すること、つまり、従属変数と独立変数を識別することも重要です。これにより、補遺で提起された問題を解決できるはずです。

固定ワークピース抵抗、理想的な固定電圧電源（最大電流まで）、および完全に効率的なトランスなどを想定すると、依存関係は次のようになります。 $Vp$ およびトランスの巻数比 $N1/N2$ 二次電圧を決定する $Vs=Vp.N2/N1$、ワークピースの抵抗とともに $Rs$、二次電流を決定します $Is=Vs/Rs$は、トランス比とともに、一次電流を決定します $Ip=Is.N2/N1$。最大値（いずれか小さい方又はトランスの一次側を取ることができる最大電流）電源から引き出すことができる電流は、別の独立変数です。

「二次コイルの数が増えると、R_sブランチへの電流が高くなります。したがって、電流が減少しても、電源からより多くの電流を「引き出し」ているため、使用される電力は高くなります。」

「電流が減少したとしても」という句を除外すると、おそらくそうではないため、このステートメントの残りの部分は、それが正しい限り、正しいです。 $N2$負荷の両端の電圧が増加するため、負荷を流れる電流と電力の消費も増加します。たとえば、$N2$ 2倍になり、 $Vs$ 倍になり、 $Is$また、2倍になるため、電力損失は4倍になります。その結果、一次回路と二次回路に加えられたエネルギーの節約、または変圧器の関係からわかるように、一次電流が4倍になります。$Ip=Is.N2/N1$、両方 $Is$ そして $N2$倍増しました。ただし、2次巻線を追加する場合、1次電流が制限に達するまでに時間がかかりません。

したがって、2次ターンを増やすと、ワークピースに供給される電力は増えるが、ソースに過負荷をかけ始めるポイントまでしか増加しないと言うのは正しいことです。実際には、240Vのソース電圧をワークピースに直接印加すると、ほぼ確実に電源に過負荷がかかります。その場合、その制限内にとどまるだけの降圧トランスが必要になります。最大の溶接電力を供給するには、一次電流を制限内に保ちながら、最小の電圧ステップダウンを実行するトランスが必要です。

この問題を十分に理解するには、図に示されている寄生インピーダンスを考慮する必要がないことに注意してください。寄生インピーダンスは比較的小さく、洞察を加えることなく問題を複雑にするだけです。一方、他の人が述べたように、二次巻線にも損失があるため、二次電流を処理するのに十分な直径のワイヤーを使用する必要があります-少なくとも過熱を防ぐのに十分であり、それを超えると、抵抗が低くなります二次側では、ワークピースではなく、そこで消費される電力が少なくなります。一次回路の最大電流が$Iplimit$、対応する二次電流は $Iplmit.N1/N2$。ビデオのように、既存の変圧器を変更する場合、溶接機の最大電力は、変圧器の電機子に取り付けることができる十分に大きいワイヤーの巻数の物理的制限によって設定される場合があります。

別の問題は安全性です-より高い電圧で溶接できるかもしれませんが、溶接機を傷つけるリスクも大幅に増加します。