Soudeur par points: avantage de courant élevé par rapport à la haute tension

J'ai regardé plusieurs de ces vidéos "DIY spot welder" sur Youtube, comme celle-ci:

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

Nous avons un nombre de tours beaucoup plus important sur le primaire que sur le secondaire. Ensuite, nous connectons le primaire à une tension alternative, disons 240V et une petite charge de résistance sur le secondaire (ou nous le court-circuitons).

J'ai trouvé plusieurs explications à ce qui se passe et ils disent tous que lorsque la tension diminue sur le secondaire, le courant augmente en conséquence. La tension sur le secondaire n'est maintenant que de quelques volts, mais le courant peut atteindre jusqu'à kiloampères. Ce courant élevé génère une chaleur élevée qui fait fondre le métal (la charge secondaire).

Mais le pouvoir ne devrait-il pas être le même? La puissance est le produit du courant et de la tension. En raison de la conservation de l'énergie, lorsque le courant augmente, la tension diminue lorsque le produit reste le même.

Dans le cas contraire où nous augmentons la tension, je peux comprendre ce qui se passe en regardant le modèle du transformateur:

Si le nombre de bobines secondaires augmente, le courant vers la branche R_s augmente. Ainsi, même si le courant est réduit, la puissance utilisée devient plus élevée à mesure que nous "tirons" plus de courant de l'alimentation.

Mais que se passe-t-il lorsque le courant s'intensifie? Si le primaire a plus de tours, il semblerait que le rapport N_p / N_s soit plus élevé et le courant vers la branche R_s plus faible.

Quelqu'un pourrait-il m'expliquer ce que je comprends mal? Pourquoi est-il préférable d'augmenter l'ampérage, plutôt que d'utiliser simplement la tension alternative d'entrée ou d'augmenter la tension au lieu du courant?

EDIT: Beaucoup de réponses indiquent la relation entre le courant, la résistance et la puissance:

Mais nous savons également que la tension aux bornes d'une charge est également fonction du courant, selon la loi d'Ohm:

Donc, si nous avons un courant élevé, nous devrions également avoir une tension élevée. Maintenant, la loi d'Ohm et le transformateur semblent en désaccord!

La raison pour laquelle nous faisons cela est qu'il y a deux composants résistifs dans le système: l'arc où nous soudons et le transformateur lui-même. Nous cherchons non seulement à maximiser la puissance de la soudure, mais aussi à minimiser les déchets. Si la résistance du transformateur est supérieure à celle du soudeur, la majeure partie de l'énergie se dissipe en fait dans le transformateur et le transformateur se réchauffe comme un fou. Si nous diminuons le nombre d'enroulements pour diminuer cette résistance, alors nous améliorons notre transfert de puissance, mais diminuons la tension du transformateur.

Il y a un sweet spot pour chaque système. C'est là qu'ils essaient de viser. Dans le cas d'un soudeur, ce point idéal implique une descente vers la basse tension et l'ampérage élevé.

De plus, si vous avez des circuits de contrôle, il est préférable de contrôler l'ampérage que de contrôler la tension ici. La chute de tension du système provient de toutes sortes de fils et de connexions. La résistance du système, par exemple, peut chuter si vous connectez plus de surfaces métalliques avec de bonnes soudures solides. Cela signifie que, si vous contrôlez la tension, vous devez faire attention à tous ces détails, alors que tout ce qui vous importait était la «puissance dans la soudure». Si vous contrôlez plutôt l'ampérage, votre dissipation de puissance dans la soudure est toujours$P=i^2R_{weld}$, et il ignore tous ces autres détails. Ainsi, il est utile de penser en termes actuels.

En ce qui concerne le soudage, l'impédance du gaz est élevée jusqu'à ce qu'un arc HV à faible courant commence, puis la source d'alimentation à courant élevé à basse tension fournit le courant de suivi dans le Z bas.

Z est inverse de la densité de courant qui est nécessaire pour augmenter la chaleur dans le joint $Pd=I^2R$.

Vous ne pouvez donc pas souder avec une tension élevée à faible courant, car la résistance à l'arc devient très faible. Le HV est juste le déclencheur comme un SCR. Les deux ont une résistance incrémentielle négative.

À en juger par notre conversation dans les commentaires, le peu que vous manquez est que la réduction de la tension remplit deux fonctions:

1. Cela rend le courant "gérable". Si nous pouvons obtenir, disons, 100 A à seulement quelques volts, nous aurions alors un courant ingérable à des tensions plus élevées.
2. Il augmente le courant à un niveau supérieur à celui que l'alimentation électrique pourrait fournir sans transformateur.

Figure 1. Le circuit de base de soudage à l'arc. Source: Lincoln Electric .

N'oubliez pas que la résistance du circuit est extrêmement faible. Si R = 0,05 Ω et que vous branchez une alimentation de 5 V, vous obtenez 100 A. Si vous branchez une alimentation de 120 V, vous obtenez 2400 A et un arc de 288 kW, ce qui est susceptible de tuer le soudeur. En règle générale, vous n'avez pas autant de puissance disponible et ne pouvez pas le contrôler si vous le faisiez.

Il peut être utile d'aborder le problème à l'envers. En commençant à zéro volt, vous augmentez la tension jusqu'à ce que le courant atteigne une valeur suffisante pour créer la soudure. Pour ce faire, vous avez besoin d'un transformateur. Le transformateur effectue la conversion de haute à basse tension et de faible à fort courant. Pour notre exemple de 120 V à 5 V, 100 A, le courant primaire ne serait que$100 \frac {5}{120} = 4.2 \ \mathrm A$. Ceci est facilement disponible à partir d'une prise murale.

Un soudeur par points crée de la chaleur grâce à la résistance de la pièce. La puissance dissipée à travers une résistance est

Ceci est opposé aux lignes de transmission d'énergie, où vous voulez le moins de perte possible dans la ligne, et donc passez à une tension élevée et à un courant faible.

Les soudeurs travaillent en faisant fondre le métal. La chaleur produite est fonction de la résistance multipliée par le courant au carré (I ^ 2 * R). Le "R" est fixe (le matériau cible / les électrodes de soudage), donc l'augmentation du courant augmentera la chaleur générée.

Vous manquez un point clé avec votre théorie ici. Afin d'atteindre les températures requises, vous devez injecter suffisamment de puissance pour ce faire.

Comme vous le faites remarquer à juste titre, $P = IV$.

cependant, $I = V/R$

Le point de soudure a une très faible résistance. $<10m\Omega$

Étant donné que le point de soudure a une résistance si faible, vous n'avez pas besoin d'appliquer beaucoup de tension aux bornes pour qu'il conduise BEAUCOUP de courant. Si vous utilisiez une tension plus élevée, la jonction conduirait proportionnellement plus de courant. Doublez la tension, le courant double également et la puissance que vous mettez augmente de quatre.

(Eh bien, en fait, la puissance supplémentaire que vous ajoutez changerait la résistance, donc ce n'est pas exactement le double du courant.)

Le fait est que vous devez être en mesure de fournir le courant que la jointure consommera, quelle que soit la tension que vous utilisez. L'augmentation de la tension augmente la demande de courant, pas la réduit.

L'astuce consiste à utiliser une tension suffisamment faible pour que la quantité de courant traversant la jonction produise juste assez $P = IV$pour chauffer et faire fondre le métal dans un délai raisonnable. Le transformateur doit alors être conçu pour équilibrer autant de tension avec autant de courant.

Si tu as besoin $500W$ du pouvoir et la jointure est $5m\Omega$

Vous avez besoin $V = \surd(500 * 0.005) \approx 1.6V$

Avec $1.6 / 0.005 \approx 320A$

Ou pour le dire autrement. La quantité de tension et de courant dont vous avez besoin est dictée par la résistance de la jointure. Cela se produit simplement à cause de la physique que cela fonctionne, vous avez besoin d'un petit$V$ et grand $I$.

Voici un article intéressant sur le soudage par points.

Puisque nous parlons de soudage par points et non de soudage à l'arc, il s'agit uniquement de I ^ 2R (la puissance) délivrée à la charge. Si vous branchez votre soudeuse par points dans (par exemple) une prise américaine ordinaire avec un disjoncteur de 20 A et que vous ne réduisez pas la tension avec un transformateur, le courant maximum que vous pouvez obtenir avant de déclencher le disjoncteur est de 20 A. (Ne faites pas ça, c'est dangereux.)

En abaissant la tension de 100, par exemple, vous pouvez obtenir 2 kA. C'est 10 000 fois la puissance délivrée à la soudure.

Bien sûr, il y a des pertes de bobinage et de noyau, etc., mais c'est l'idée principale derrière le soudage par points à courant élevé et basse tension.

L'idée de base d'un soudeur à l'arc est que non seulement vous faites fondre (au moins la surface de) les pièces à travailler, mais aussi que vous fondez l'extrémité de la tige de soudage et que vous déposez ce métal fondu de la tige de soudage sur les pièces à travailler afin vous obtenez une articulation solide. Pour que cela se produise, la baguette de soudage doit évidemment être très proche de la ou des pièces.

Si la tension est très élevée, vous obtiendrez un arc lorsque la baguette de soudage est encore assez éloignée des pièces. L'extrémité de la tige fondra (probablement), et la pièce à travailler peut fondre là où l'arc entre en contact avec elle - mais elles ne seront pas suffisamment proches l'une de l'autre pour que la tige de soudage en fusion se dépose sur la pièce à travailler, donc vous vous retrouvez avec une soudure faible au mieux (et très probablement pas du tout).

Un autre problème avec un arc long est qu'il n'est pas très prévisible - si vous avez déjà vu un film de tempête de tonnerre, vous remarquerez que la foudre a tendance à frapper la chose la plus haute des environs - mais ce n'est pas toujours le cas. . Parfois, il frappe un endroit, puis à mi-grève, il frappe ailleurs à la place.

Même avec un arc très court, cela se produit toujours dans une certaine mesure, mais la distance sur laquelle l'arc se déplace aura tendance à être très petite, de sorte que la chaleur se concentre toujours autour d'une zone, de sorte que vous pouvez obtenir une bonne soudure.

Conclusion: je ne suis pas du tout sûr que cela ait vraiment beaucoup à voir avec l'électronique; il s'agit davantage du fonctionnement du soudage à l'arc.

Pour ce que ça vaut, quand j'étais beaucoup plus jeune, il m'arrivait d'être là quand un ami a décidé de raccorder la sortie d'un soudeur AC à une bobine d'une voiture. Il a produit des étincelles d'environ 3 ou 4 pieds de long - mais je suis presque sûr que personne n'aurait pu soudé quoi que ce soit avec.

Le problème ici est que, dans la pratique, il y a une limite au courant que l'approvisionnement peut fournir. Il est également important de faire la distinction entre les causes et les effets, ou, en d'autres termes, d'identifier les variables dépendantes et indépendantes - d'une part, cela devrait clarifier la question soulevée dans votre addendum.

En supposant une résistance fixe de la pièce, une alimentation électrique à tension fixe idéale (jusqu'à son courant maximum), un transformateur parfaitement efficace, etc., les dépendances sont donc: La tension d'alimentation $Vp$ et rapport de tours de transformateur $N1/N2$ déterminer la tension secondaire $Vs=Vp.N2/N1$, qui, avec la résistance de la pièce $Rs$, détermine le courant secondaire $Is=Vs/Rs$, qui à son tour, avec le rapport du transformateur, détermine le courant primaire $Ip=Is.N2/N1$. Le courant maximum qui peut être tiré de l'alimentation (ou le courant maximum que le primaire du transformateur peut prendre, selon celui qui est le plus petit) est une autre variable indépendante.

Considérez votre déclaration: «Si le nombre de bobines secondaires augmente, le courant vers la branche R_s augmente. Ainsi, même si le courant est réduit, la puissance utilisée augmente lorsque nous «tirons» plus de courant de l'alimentation. »

Si l'on exclut la clause «même si le courant est abaissé», ce qui n'est probablement pas le cas, alors le reste de cette déclaration est correcte, dans la mesure où elle va: augmenter $N2$augmente la tension aux bornes de la charge, et donc à la fois le courant qui la traverse et la puissance qui y est dissipée. Par exemple, si$N2$ est doublé, $Vs$ est doublé, conduisant à $Is$étant également doublé, la dissipation de puissance est donc quadruplée. La conséquence est que la consommation de courant primaire est quadruplée, comme le montre la conservation de l'énergie appliquée aux circuits primaire et secondaire ou la relation du transformateur$Ip=Is.N2/N1$, où les deux $Is$ et $N2$ont doublé. Cependant, lors de l'ajout de tours secondaires, il ne faut pas longtemps pour que le courant primaire atteigne sa limite.

Donc, vous avez raison de dire que l'augmentation des tours secondaires augmentera la puissance délivrée à la pièce, mais uniquement jusqu'au point où vous commencerez à surcharger la source. En pratique, si vous appliquez votre tension de source de 240 V directement à la pièce, vous surchargez presque certainement l'alimentation, auquel cas vous aurez besoin d'un transformateur abaisseur simplement pour rester dans cette limite. Pour fournir le plus de puissance de soudage, vous avez besoin d'un transformateur qui fait le moins d'abaissement de tension tout en maintenant le courant primaire dans sa limite.

Notez que pour bien comprendre ce problème, vous n'avez pas à prendre en compte les impédances parasites montrées dans le diagramme, qui sont relativement petites et compliquent simplement la question sans ajouter de perspicacité. D'autre part, comme d'autres l'ont mentionné, il y aura également une dissipation dans les enroulements secondaires, vous devez donc utiliser un fil de diamètre suffisant pour gérer le courant secondaire - au moins suffisant pour éviter la surchauffe, et au-delà, plus la résistance est faible du secondaire, le moins de puissance y sera dissipée plutôt que dans la pièce. Si le courant maximum du circuit primaire est$Iplimit$, le courant secondaire correspondant est $Iplmit.N1/N2$. Si, comme dans la vidéo, vous modifiez un transformateur existant, la puissance maximale de votre soudeur peut être définie par la limite physique du nombre de tours de fil suffisamment gros que vous pouvez installer sur l'armature du transformateur.

Un autre problème est la sécurité - vous pouvez peut-être souder avec une tension plus élevée, mais vous augmentez également considérablement le risque de blesser le soudeur.