Nederlands
Menu

Converter versus inverter: gelijkrichtschakeling, DC-DC-omvormer en inverter vergeleken

In de vermogenselektronica worden schakelingen die de vorm van elektrisch vermogen veranderen, benoemd naar de richting van de omzetting. Een gelijkrichtschakeling (AC-DC-converter) zet wisselstroom om in gelijkstroom, een DC-DC-omvormer (chopper) zet gelijkspanning om in gelijkspanning van een andere waarde, en een inverter zet gelijkstroom om in wisselstroom. In ruime zin worden ze allemaal weleens vermogensomzetters genoemd. Airconditioners en industriële motoraandrijvingen combineren vaak beide uiteinden: een gelijkrichtschakeling maakt eerst gelijkstroom van de wisselstroom, en een inverter maakt daar weer wisselstroom van met een instelbare frequentie en spanning.

KenmerkGelijkrichtschakeling (AC naar DC)DC-DC-omvormer (DC naar DC)Inverter (DC naar AC)
Richting van de omzettingAC → DCDC → DC met een andere spanningDC → AC met instelbare frequentie en spanning
Belangrijkste schakelaarsDiodes; thyristors als de uitgang geregeld moet wordenEen schakelaar zoals een MOSFET plus een diode (bij synchrone gelijkrichting vervangt een MOSFET de diode)IGBT's of MOSFET's, elk met een antiparallelle diode
BasisschakelingenEnkelfasige brug van 4 diodes, driefasige brug van 6; gevolgd door een afvlakcondensatorBuck-, boost- en buck-boostchoppers, opgebouwd uit een schakelaar, spoel, diode en condensator; topologieën met transformator (zoals flyback) als isolatie nodig isHalve brug (2 schakelaars), volle brug (4), driefasige brug (6)
Wat de uitgang bepaaltDe ingangswisselspanning (met thyristors bijgesteld via de ontsteekhoek α)De duty cycle D van de schakelaarDe PWM-modulatie-index m (spanning) en de frequentie van de modulerende golf (uitgangsfrequentie)
Ideale uitgangsformulesHet gemiddelde bij enkelfasige dubbelzijdige gelijkrichting is ongeveer 0,9 × effectieve waarde (ongeveer 90 V bij 100 V); met een afvlakcondensator nadert het de piekwaarde van ongeveer 141 VIn continue geleidingsmodus buck Vout = D·Vin en boost Vout = Vin/(1 − D)Met sinusoïdale PWM is de amplitude van de grondgolf van de uitgang van één brugtak m·E/2 (E is de gelijkspanning); de effectieve waarde van de driefasige lijnspanning is ongeveer 0,61·m·E
Wat er op de uitgang overblijftRimpel met tweemaal de netfrequentie (dubbelzijdig), verkleind door de afvlakcondensatorRimpel met de schakelfrequentie, verkleind door spoel en condensatorHarmonischen rond de draaggolffrequentie, verkleind door de inductantie van de motorwikkelingen of een LC-filter
Aandachtspunten aan de ingangszijdeDe laadstroom van de condensator concentreert zich rond de spanningspieken, en de stroom vol harmonischen verlaagt de arbeidsfactor; arbeidsfactorcorrectie (PFC) verbetert dieBij een buckconverter is de ingangsstroom pulsvormig, dus de ingangscondensator is belangrijkAan de DC-zijde loopt een grote rimpelstroom; snel afremmen van een motor levert vermogen terug dat de gelijkspanning doet stijgen
Typische toepassingenDe ingangstrap van netadapters en voedingen van huishoudelijke apparaten, het voorste deel van motoraandrijvingenKernvoedingen van CPU's en SoC's, spanningsrails afgeleid van batterijen of 12 V, LED-driversToerentalregeling van motoren (inverter-airconditioners, treinen, elektrische voertuigen), omvormers voor zonnepanelen, ononderbreekbare voedingen (UPS)

De getalswaarden zijn typische ordegroottes en variëren per procesgeneratie en product.

Wanneer welke variant?

Gelijkrichtschakeling (AC naar DC)
Om uit de netwisselspanning de gelijkspanning te maken die elektronica en batterijen nodig hebben. In apparatuur boven een bepaald vermogen volgt vaak een trap voor arbeidsfactorcorrectie, die de ingangsstroom dichter bij een sinus brengt.
DC-DC-omvormer (DC naar DC)
Wanneer een gelijkspanning efficiënt naar een andere spanning moet worden omgezet. Het typische voorbeeld is de lage spanningen maken die IC's nodig hebben uit een batterij of uit een voeding van 12 V of 48 V.
Inverter (DC naar AC)
Om uit gelijkstroom wisselstroom te maken, vooral om het toerental van een motor te regelen door de frequentie te veranderen, of om vermogen uit zonnecellen of batterijen op het wisselstroomnet aan te sluiten.

Veelgestelde vragen

Hoe worden de namen converter en inverter gebruikt?

In enge zin heet een apparaat dat wisselstroom omzet in gelijkstroom een converter, en een apparaat dat gelijkstroom omzet in wisselstroom een inverter; het converter- en het inverterdeel van een motoraandrijving gebruiken de namen op die manier. Anderzijds worden schakelingen die de vorm van vermogen veranderen ook vaak als groep converters (vermogensomzetters) genoemd, zoals in DC-DC-converter, dus de betekenis moet uit de context blijken.

Waarom kan een inverter het toerental van een motor veranderen?

Omdat wisselstroommotoren zoals inductiemotoren draaien met een toerental dat wordt bepaald door de frequentie van de aangelegde wisselspanning. Het synchrone toerental van een vierpolige inductiemotor is 1500 min⁻¹ bij 50 Hz en 1800 min⁻¹ bij 60 Hz (120f/aantal polen), dus de frequentie met een inverter verlagen vertraagt de motor en verhogen versnelt hem. Bij het veranderen van de frequentie wordt de verhouding tussen spanning en frequentie (V/f) ongeveer constant gehouden, zodat de magnetische flux in de motor constant blijft.

Waarom is de uitgang van een gelijkrichtschakeling op zichzelf moeilijk als gelijkspanning te gebruiken?

De uitgang van een diodebrug die alleen de richting gelijkzet, pulseert met tweemaal de netfrequentie tussen 0 en de piekwaarde. Een afvlakcondensator vult de dalen op en brengt de uitgang dicht bij gelijkspanning. De rimpel is ruwweg laststroom ÷ (rimpelfrequentie × capaciteit): bij dubbelzijdige gelijkrichting op 50 Hz, 2 A en 10.000 µF is dat 2 ÷ (100 × 0,01) = 2 V.

Is de uitgang van een inverter een sinus?

De uitgangsspanning zelf is een reeks pulsen die ontstaat door de gelijkspanning aan en uit te schakelen. Sinusoïdale PWM vergelijkt een sinusvormige referentie met een driehoekige draaggolf om de pulsbreedtes te variëren, zodat de grondgolf die je krijgt door de pulsen te middelen een sinus is. In een motor vlakt de inductantie van de wikkelingen de stroom af; waar een sinusvormige spanning vereist is, wordt een LC-filter toegevoegd.

Test uw begrip

Een sinusvormige wisselspanning met een effectieve waarde van 100 V wordt met een ideale diodebrug gelijkgericht (dubbelzijdige gelijkrichting). Welke waarde ligt het dichtst bij de gemiddelde uitgangsspanning zonder afvlakcondensator?

  1. AOngeveer 90 V
  2. B100 V
  3. COngeveer 141 V
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. Ongeveer 90 V

De piekwaarde van de sinus is Vm = √2 × 100 ≈ 141 V. De gemiddelde waarde van de dubbelzijdig gelijkgerichte golfvorm is (2/π) × Vm = (2√2/π) × V ≈ 0,90 × 100 ≈ 90 V. 100 V is de effectieve waarde van de dubbelzijdig gelijkgerichte golfvorm, dezelfde als die van de ingang. Bij enkelzijdige gelijkrichting ontbreken de negatieve halve perioden, dus is de gemiddelde waarde de helft daarvan, ongeveer 45 V.

Schat de rimpel in onder de aanname dat de condensator gedurende één volledige rimpelperiode de hele belastingsstroom levert. Een wisselspanning van 50 Hz wordt met dubbelzijdige gelijkrichting gelijkgericht en met een afvlakcondensator van 10.000 µF afgevlakt, en er vloeit een constante stroom van 2 A naar de belasting. Wat is ongeveer de rimpel van de uitgangsspanning (top-tot-top)?

  1. AOngeveer 1 V
  2. BOngeveer 2 V
  3. COngeveer 4 V
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: B. Ongeveer 2 V

Bij dubbelzijdige gelijkrichting is de rimpelperiode een halve netperiode, 1/(2 × 50 Hz) = 10 ms. Levert de condensator in die tijd 2 A, dan staat hij een lading af van 2 A × 10 ms = 20 mC, en daalt de spanning met ΔV ≈ I/(2fC) = 20 mC ÷ 10.000 µF = 2 V. In werkelijkheid begint het volgende opladen al iets voor de piek, dus de rimpel is iets kleiner dan deze schatting. Bij enkelzijdige gelijkrichting is de rimpelperiode 20 ms, wat onder dezelfde omstandigheden ongeveer 4 V oplevert.

Wat is de juiste grondslag voor het afleiden van de ideale uitgangsspanning Vout = D × Vin van een buckconverter?

  1. AIn stationaire toestand keert de spoelstroom elke periode terug naar zijn beginwaarde, dus is de spanning over de spoel over een periode gemiddeld 0
  2. BIn stationaire toestand is de stroom door de uitgangscondensator altijd 0, dus blijft de condensatorspanning constant, of de schakelaar nu aan of uit staat
  3. CZolang de schakelaar aan staat, staat er geen spanning over de spoel, dus is de uitgangsspanning gelijk aan de ingangsspanning
Antwoord en toelichting tonen

Antwoord: A. In stationaire toestand keert de spoelstroom elke periode terug naar zijn beginwaarde, dus is de spanning over de spoel over een periode gemiddeld 0

De verandering van de spoelstroom wordt bepaald door de tijdsintegraal van de spanning over de spoel (V = L di/dt). In stationaire toestand keert de stroom elke periode terug naar dezelfde waarde, dus is de spanning over de spoel over een periode gemiddeld 0 (volt-secondebalans). In een buckconverter staat er (Vin − Vout) over de spoel zolang de schakelaar aan staat en −Vout zolang hij uit staat, dus (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) geeft Vout = D × Vin. De omzetverhoudingen van de boostconverter en de buck-boostconverter volgen op dezelfde manier.

  1. Welke beschrijving van hoe bij sinusoïdale PWM voor een omvormer de schakelaars aan- en uitgeschakeld worden, is juist?
  2. Een been van een omvormer aan een gelijkspanning van 600 V wordt met sinusoïdale PWM aangestuurd bij een modulatie-index van 0,8. Wat is de amplitude (piekwaarde) van de grondgolf van de uitgangsspanning van het been ten opzichte van het middelpunt van de gelijkspanningsbron?
  3. Wat is het synchrone toerental van een vierpolige inductiemotor die op driefasige wisselspanning van 50 Hz werkt?

Oefenvragen over Vermogenselektronische schakelingen

Belangrijke termen uitgelegd

Gelijkrichtschakeling
Schakeling die wisselstroom omzet in stroom die in één richting vloeit (gelijkstroom). Er zijn onder meer de enkelzijdige gelijkrichter, die met een diode de negatieve halve perioden wegneemt, de dubbelzijdige gelijkrichter, die met een brug van vier diodes beide halve perioden dezelfde kant op richt, en de driefasige bruggelijkrichter, die driefasige wisselspanning met zes diodes gelijkricht. De uitgang bevat rimpel, dus brengt een afvlakcondensator of een spoel haar dichter bij gelijkspanning. Met thyristors in plaats van diodes kan de uitgangsspanning met de ontsteekhoek worden geregeld.
DC-DC-omvormer
Schakeling die een gelijkspanning omzet in een gelijkspanning van een andere grootte. Met schakelaar, spoel en condensator; er zijn step-down-omvormers (buck) die de spanning verlagen en step-up-omvormers (boost) die de spanning verhogen.
Omvormer (inverter)
Apparaat dat gelijkstroomvermogen omzet in wisselstroomvermogen van elke gewenste frequentie en grootte. Vermogensschakelaars (IGBT's of MOSFET's) worden in een brug geschakeld en met PWM aan- en uitgeschakeld om een wisselspanning te maken. Hij wordt gebruikt voor toerentalregeling van motoren, de aandrijving van elektrische voertuigen, omvormers voor zonnestroom en ononderbreekbare voedingen (UPS). Hij is iets anders dan de inverter (NOT-poort) van logische schakelingen, die 0 en 1 omkeert.
Afvlakcondensator
Condensator die parallel aan de uitgang van bijvoorbeeld een gelijkrichter wordt geschakeld om de spanningsrimpel te verkleinen en de uitgang dichter bij gelijkspanning te brengen. Hij laadt op zolang de spanning hoog is en levert stroom aan de belasting zolang ze laag is. In gelijkrichters voor netfrequentie worden grote aluminium-elektrolytische condensatoren gebruikt, aan de uitgangen van schakelende voedingen onder meer keramische condensatoren. Bij dubbelzijdige gelijkrichting is de rimpel (top-tot-top) te schatten als belastingsstroom ÷ (2 × netfrequentie × capaciteit).
Sinusoïdale PWM
PWM-methode om met een omvormer een bijna sinusvormige wisselspanning te maken. Een sinus met de gewenste uitgangsfrequentie (het referentiesignaal) wordt vergeleken met een driehoeksgolf met een veel hogere frequentie (de draaggolf); de bovenste schakelaar staat aan zolang het referentiesignaal groter is, en de onderste zolang het kleiner is. De verhouding tussen de amplitude van het referentiesignaal en die van de draaggolf is de modulatie-index, en zolang die 1 of kleiner is, is de grondgolf van de uitgangsspanning er evenredig mee. Overmodulatie boven 1 doet de laagfrequente harmonischen toenemen.
Step-downchopper (buckconverter)
DC-DC-omvormer die met een schakelaar, een diode (of een tweede schakelaar), een spoel en een condensator een gelijkspanning maakt die lager is dan zijn ingang. De uitgang wordt geregeld met het deel van de tijd dat de schakelaar aan staat (de duty cycle D); de ideale uitgangsspanning in continue geleidingsmodus is D × de ingangsspanning. Het is de meest gebruikte niet-geïsoleerde converter, die de cores van CPU's en SoC's voedt en uit 12 V of 5 V allerlei voedingsspanningen maakt.
Arbeidsfactorcorrectie
Schakeling in een apparaat dat uit een wisselspanningsnet wordt gevoed, die de ingangsstroom vormt tot een sinus met dezelfde vorm en fase als de spanning, zodat de arbeidsfactor dicht bij 1 komt (een PFC-schakeling). De gangbare aanpak plaatst een boostconverter achter de gelijkrichter en stuurt de schakelaar zo dat de ingangsstroom evenredig is met de gelijkgerichte spanning; de uitgang is een gelijkspanning van ongeveer 380 tot 400 V, hoger dan de piekwaarde van de ingangsspanning. Ze vermindert de harmonische stromen van een gelijkrichter met alleen een afvlakcondensator, en een geïsoleerde DC-DC-omvormer daarna maakt uit deze gelijkspanning de benodigde spanningen.
Inductiemotor (asynchrone motor)
Wisselstroommotor waarin driefasige statorwikkelingen een draaiveld opwekken en de rotor draait door de kracht tussen dat veld en de stromen die in de rotorgeleiders worden geïnduceerd. De rotor draait iets langzamer dan het veld (het synchrone toerental), en de relatieve achterstand heet de slip. Eenvoudig en robuust als hij is, wordt hij veel gebruikt in pompen, ventilatoren, werktuigmachines en spoorwegvoertuigen. Door de frequentie met een omvormer te veranderen, wordt zijn toerental over een groot bereik geregeld.

Verwante vergelijkingen