Wisselspanning
De omvormer zet de gelijkspanning om in een wisselspanning
Electriciteit

De omvormer zet de gelijkspanning van een batterij of een zonnepaneel om in een wisselspanning die lokaal gebruikt kan worden of op het net gezet kan worden.
-

-

De omvormer of inverter zet de gelijkspanning van een batterij, van een zonnepaneel of een vrijlopende generator om in een wisselspanning van bijvoorbeeld 240V 50Hz. De spanning kan lokaal gebruikt worden of kan op het electriciteitsnet gestoken worden. Er zijn dus heel veel verschillende omvormers: dit gaat van de kleine omvormer in de camping-car tot de grote omvormers die het vermogen van zonnepanelen en windmolens op het net steken.

Hoewel de omvormers verschillend zijn moeten ze twee funkties vervullen:
  • De gelijkspanning omzetten naar wisselspanning
  • De spanning verhogen of verlagen
We beginnen met een eenvoudige omvormer, de omvormer met directe conversie.
  • De batterij levert een gelijkspanning van bijvoorbeeld 24V
  • Een oscillator zet de gelijkspanning om in een wisselspanning van 24V 50Hz
  • Een transformator zet de lage spanning om in een hogere spanning van 240V
Dit type omvormer wordt minder en minder toegepast. Dergelijke omvormers werden veelvuldig in de jaren 1970 - 1980 gebruikt. Tegenwoordig worden ze vooral aangetroffen in vaste installaties, bijvoorbeeld in noodvoedingen voor servertoren en in operatiekwartieren van ziekenhuizen.

De omvormer levert een redelijk "proper" signaal (meer uitleg daarover later) en kan kortstondig overbelast worden. De electronische schakeling levert zijn vermogen aan een transformator die de schakelpieken zal absorberen. Indien de belasting kortgesloten is, dan vormen de wikkelingen van de transfo een weerstand die de maximale stroom beperkt.

De omvormer is zeer betrouwbaar, kan kortstondig overbelast worden en kan complexe belastingen voeden, zoals motoren die een hoge aanloopstroom hebben. Dit type voeding kan kortstondig een hoger vermogen leveren dan het nominaal vermogen. Deze voedingen worden doorgaans gebruikt in kritieke toepassingen.

Omdat de transformator meestal door een blokspanning gevoed wordt, produceert die een geluid (magnetostrictie) sterker dan bij een transfo die met een sinusvormige spanning gevoed wordt. De transformator moet zwaarder uitgevoerd worden dan eenzelfde transformator die gevoed wordt met een sinusspanning.

De transformator die op 50Hz werkt moet redelijk zwaar uitgevoerd worden, voor een vermogen van 1kVA moet je rekenen op een gewicht van 10kg. Het rendement is middelmatig tot goed.

Dit type omvormer wordt tegenwoordig vervangen door een omvormer van het type "3" (omvormer met twee hoogfrekwente H-bruggen). Hoewel dergelijke omvormers complexer zijn, zijn ze uiteindelijk goedkoper te produceren dan omvormers met een zware 50Hz uitgangstransfo.

In dit type inverter gebruikt men ook een oscillator (H brug), maar die werkt op een veel hogere frekwentie, bijvoorbeeld 40kHz (andere frekwenties zijn mogelijk). Het voordeel is dat men een kleinere transformator kan gebruiken. Voor een vermogen van 1kVA kan men een transfo van minder dan 1kg gebruiken. De transformator levert hier ook een spanning van 240V, maar de frekwentie van de wisselspanning komt niet overeen met de netfrekwentie.

De wisselspanning wordt gelijkgericht en gefilterd en gaat opnieuw door een H brug die er opnieuw wisselspanning van maakt, maar nu met de juiste netfrekwentie.

Het vermogensgedeelte bestaat doorgaans uit een H brug uitgerust met 4 schakeltransistoren. De uitgang is in het midden, tussen de cyan en magenta connector. Op de uitgang van het vermogensgedeelte plaatst men ofwel de transformator (laagspannings H brug) of de belasting (hoogspannings H brug).

Alternerend worden de transistoren S1 en S4 gesloten (cyan positief en magenta negatief) en dan worden S2 en S3 gesloten (magenta positief en cyan negatief). De uitgangsspanning komt overeen met het eerste skoopbeeld. Dit is de meest eenvoudige vermogenstrap.


Bij het schakelen is er een ogenblik waarbij alle transistoren uit geleiding zijn (dode tijd). Dit om te vermijden dat de transistoren defekt zouden gaan door verticale geleiding (S1 naar S2 en S3 naar S4).

In duurdere toestellen voorziet men een langere dode tijd zodat de golfvorm een beetje meer op een sinus gaat lijken (en de schakelpieken die radiostoringen veroorzaken worden verminderd). Het is ook mogelijk de effektieve spanning te veranderen door de dode tijd aan te passen. Zo is het mogelijk de niet-stabiele batterijspanning binnen bepaalde grenzen te compenseren, of kan men de hogere verliezen opvangen als de omvormer sterker belast wordt. De uitgangsspanning komt overeen met het tweede skoopbeeld.

In bepaald etoestellen werkt men met twee spanningsniveaus, bijvoorbeeld +120V en -120V, maar ook +80V en -80V. Men schakelt de uitgang alternerend tussen +120V en -120V (uitgang = +240V), +80V en -80V (uitgang = +160V), dode tijd (0V), -80V en +80V (-160V), -120V en +120V (-240V) enz. De uitgangspanning lijkt een beetje meer op een sinus.

Het is niet mogelijk een echte sinus te genereren met transistoren die geleidelijk in geleiding gaan, want in het beste geval haalt deze schakeling een rendement van 75%. Als er een belasting van 1000W gevoed wordt, dan gaat 250W verloren in de vermogenstrap. Zo'n omvormer wordt daarom niet gebruikt.

In bepaalde schkelingen gaat men echter een H-brug gebruiken op de uitgang, maar men laat die op een hogere frekwentie werken. De belasting wordt niet direct op de uitgang van de H brug aangesloten, maar via een spoel die de stroom gaat afvlakken. De puls-pause verhouding van de hoogfrekwente wisselspanning is niet constant, waardoor men een sinusspanning kan benaderen na filtrage door de spoel. De bekomen wisselspanning wordt aangegeven door de cyan curve. De cyan curve lijkt des te meer op een echte sinus met het verhogen van de schakelfrekwentie (vanaf een frekwentie van meer dan 500Hz heeft men een goede benadering van de sinus).

Met zo'n systeem kan men een bijna-sinusvormige uitgangsspanning bekomen, maar de voedingsspanning van de H-brug moet hoger liggen, bijvoorbeeld 450V voor een uitgangspanning van 240V. De spanningsval van bijna 200V is geen vermogensverlies, want de spoel is geen ohmse weerstand maar een inductie. Een dergelijke schakeling heeft echter een wat lager rendement dan meer eenvoudige omvormers (schakelverliezen en ohmse verliezen in de spoel). Deze verliezen zijn echter zeer beperkt door een goed ontwerp (minder dan 5%).

Laten we nu de drie types omvormers bespreken:

:1: Directe omvormer
Dit zijn de omvormers waarbij de H brug en de transformator op 50Hz werken en direct de hoogspanning leveren.

Een dergelijke omvormer wordt enkel nog in kritieke toepassingen gebruikt. Hoewel de transistoren aan- en uitschakelen is d euitgangsspanning relatief sinusvormig door de invloed van d etransformator. De omvormer wordt doorgaang overgedimensioneerd (toepassing in hospitalen) en kan tegen een stootje. Wanneer een installatie aan vervanging toe is, wordt die doorgaans vervangen door een installatie van het type 3.

:2: Omvormer met 2 H-bruggen
De eerste brug levert een hoge frekwentie, de transformator verhoogt de spanning en de tweede H-brug zet de gelijkspanning om in een 50Hz spanning.

Dit is de typische omvormer voor huishoudelijk gebruik die 240V levert voor de caravane. Bepaalde kleine stroomgroepen hebben eveneens een omvormer zodat ze uitgerust kunnen worden met een kleinere vrijlopende verbrandingsmotor. Zo'n omvormer heeft geen vermogensreserve. Een omvormer van 500W kan geen frigomotor doen aanlopen, want bij het straten trekt de motor meer dan 500W.

:3: Omvormer met twee hoogfrekwente H-bruggen
De tweed ebrug werkt ook hoogfrekwent en wordt gevolgd door een spoel die de spanningspieken gaat uitvlakken.

Dit is tegenwoordig de meest professionele spanningsomvormer. De uitgangsspaning is nagenoeg sinusvormig. De omvormer wordt gebruikt om de spanning van zonnepanelen op het electriciteitsnet te steken, de omvormer kan gebruikt worden als zogenaamde "gridformer" om een lokaal electriciteitsnet te vormen. Frekwentieregelaars voor motoren gebruiken eveneens een dergelijke type omvormer, maar hier is de motor zelf de spoel. De schakelfrekwentie wordt hier beperkt tot 4kHz om radiofrekwente schakelpieken te vermijden (de motorkabels zouden als antenne fungeren).

Als men de frekwentie verhoogt, kan men kleinere transformatoren en spoelen gebruiken. Er is echter een grens waarbij de verliezen beginnen te stijgen (oplopende schakelverliezen en verliezen in de transformatorkernen).

Links:

Omvormers voor zonnepanelen en windmolens

De zonnepanelen en de windmolens met vrijdraaiende generatoren leveren reeds een hoge spanning die niet meer verhoogd moet worden. De eerst etrap van de omvormer kan dus komen te vervallen. Maar de spanning van het panneel is niet echt stabiel, en kan bijvoorbeeld oplopen tot meer dan 350V bij volle zon. Maar om 240V 50Hz op het net te steken (monofasig net) heeft men genoeg aan 336V. Om de spanning te stabiliseren beperkt men de puls-pauze verhouding van het hoogfrekwent signaal. Daardoor kan ook het rendement van de zonnepanelen verbeterd worden, want men laat die werken op het punt waarbij die het hoogst mogelijke rendement hebben (MPPT = Maximum Power Point Tracker).

Men gebruikt eenzelfde systeem voor windmolens, maar met andere instelparameters aangepast aan de generator.

Om de motor van electrische auto's van stroom te voorzien gebruikt men eveneens een omvormer die een variabele spanning ene frekwentie leveren om de motor met een geschikt koppel te laten draaien. De motor kan ook gebruikt worden als rem met terugwinning van de energie (regeneratief remmen).

Het vermogensgedeelte moet niet noodzakelijk gevormd worden door een H brug. Indien een wat lager vermogen voldoende is, dan kan men een andere schakeling gebruiken:

  • Transformator met middenaftakking
    Deze schakeling werd vroeger vaak gebruikt in plaats van een H brug omdat men vroeger de schakelmomenten niet zo nauwkeurig kon bepalen (doorgaans voorziet men een voldoende dode tijd). Het voordeel van deze schakeling is dat de sturing van de vermogenstransistoren eenvoudig kan zijn (beide transistoren hebben hun emitter aan de massa). De schakeling is wat minder doeltreffend omdat slechts 50% van de primaire wikkeling aktief is op een bepaald moment.

    Boosters voor autoradio's werden vaak uitgerust met zo'n inverter om de 12V batterijspanning om te zetten naar tweemaal 50V om de audioversterker te voeden (met een voedingsspanning van 12V en luidsprekers van 4Ω kan men onmogeliijk een vermogen van meer dan 20W leveren). Ook bepaalde noodvoedingen gebruikten een dergelijke schakeling vanwege de eenvoud.

  • Halve H brug
    Ook een schakeling die vroeger veel gebruikt werd, hier omdat zo'n schakeling goedkoper was dan een volwaardige H brug. De bufferelko's die altijd noodzakelijk zijn vormen een nulpunt. De schakeltransistoren worden gestuurd door twee kleine pulstransfo's (secundair tussen basis en emitter). Hier is het belangrijk dat beide transistoren nooit gelijktijdig in geleiding zijn! (zoals bij een volwaardige H-brug).

    De computervoedingen zijn vaak uitgerust met een halve H brug: het benodigd vermogen is relatief laag, zodat een volwaardige H brug niet nodis is.

  • Transformator zonder middenaftakking
    Dit is schakeling 1, maar met slechts één schakeltransistor. Als het vermogen dat geleverd moet worden beperkt is, kan men een enkele schakeltransistor gebruiken, de aansturing wordt daardoor ook eenvoudiger. Men moet een aangepast transformator gebruiken (met luchtspleet) om saturatie van het kernmateriaal tegen te gaan. Deze asymmetrische schakelingen hebben een lager rendement dan de twee symmetrische schakelingen. Bij defekt (kortsluiting van de schakeltransistor is de kern vaak gemagnetiseerd geworden, waardoor de voeding niet meer hersteld kan worden.

    Deze voedingen worden gebruikt bij kleinverbruikers: videorecorder (ah! de tijd van de VHS!), kleine batterijladers, laptopvoedingen en dergelijke. De uitgangsspanning is weliswaar gelijkspanning, maar er wordt een omvormer gebruikt op de netspanning te verlagen (schakelende netvoeding). Een eigenschap van deze omvormers is dat de belasting ook asymmetrisch moet zijn: er mag enkel vermogen afgenomen worden als de transistor uit geleiding is.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-