- Omvormers: continu uitgangsvermogen als functie van temperatuur
In onze datasheets worden omvormers en de omvormerfunctie van Multis en Quattros beoordeeld bij 25 ºC (75 ºF). Gemiddeld geldt bij hogere temperaturen de volgende vermogensvermindering (zie paragraaf 4 voor de theoretische achtergrond).
2. Acculaders: continu uitgangsvermogen als functie van de temperatuur
In onze datasheets worden acculaders beoordeeld bij 40 ºC (104 ºF). De acculaderfunctie van onze Multis en Quattros wordt beoordeeld bij 25 ºC (77 ºF). Zoals uitgelegd in paragraaf 4, is de vermogensvermindering bij hogere temperaturen ongeveer als volgt:
3. Vermogensverlies en efficiëntie als functie van de belasting
Laten we als voorbeeld eens kijken naar de Phoenix Inverter 24/3000 of MultiPlus 24/3000/70 (beide producten hebben dezelfde omvormer). Deze producten maken gebruik van hoogfrequente schakeling om een sinusgolf te genereren, die vervolgens door twee ringkerntransformatoren wordt omgezet in de vereiste uitgangsspanning. Ringkerntransformatoren hebben een hoger rendement en minder verliezen bij nullast dan de meer gangbare E-kerntransformatoren. De gemeten efficiëntiecurve wordt hieronder weergegeven:
Onlangs is er een nieuw product geïntroduceerd: de MultiPlus-II 48/3000/35-32 (dit is precies hetzelfde product als de MultiGrid-II 48/3000/35-32).
De MultiPlus-II heeft slechts één ringkerntransformator en verschillende andere verbeteringen om het stroomverbruik bij nullast te verminderen.
Zoals te zien is in de onderstaande tabel en grafiek, is dit product efficiënter, vooral bij een lage belasting.
4. De theorie achter de grafieken van paragraaf 1 – 3
4.1. Bedrijfstemperatuurbereik
Het bedrijfstemperatuurbereik kan per product verschillen. De bovengrens wordt bepaald door de maximale bedrijfstemperatuur van bepaalde componenten (bijv. halfgeleiders, elektrolytische condensatoren, relais). De ondergrens wordt voornamelijk bepaald door de minimale bedrijfstemperatuur van halfgeleiders en elektrolytische condensatoren. Zoals in paragraaf 1 en 2 is aangetoond, betekent dit niet dat het volledige uitgangsvermogen over het gehele temperatuurbereik beschikbaar is. Bij hoge omgevingstemperaturen is een vermogensvermindering nodig om oververhitting van onder andere vermogenshalfgeleiders en transformatoren te voorkomen. Over het algemeen kan het uitgangsvermogen bij lage temperaturen niet worden verhoogd vanwege de maximale stroomsterkte van bepaalde componenten (aansluitklemmen, kernverzadiging van filter smoorspoelen).
4.2. Vermogensverlies en rendement
Elektrische stroom genereert warmte in de geleider waardoor deze stroomt. De basisformule voor het berekenen van de warmteontwikkeling, of vermogensdissipatie, is:
P = R x I² (1)
Waarbij P staat voor vermogen (gemeten in watt), R (ohm) de weerstand van de geleider is en I (ampère of amp) de stroomsterkte. Het interessante aan deze formule is dat deze laat zien dat het vermogensverlies toeneemt met het kwadraat van de stroom. Een weerstand van bijvoorbeeld 2 Ohm en een stroom van 10 Ampère resulteren in een vermogensverlies van 2 x 10 x 10 = 200 W. Twee keer die stroom levert vier keer meer warmte op: 2 x 20 x 20 = 800 W!
In vermogenselektronische schakelingen is de situatie veel gecompliceerder: men heeft te maken met gelijkstroomverliezen en schakelverliezen, verliezen in halfgeleiders en in hoogfrequente transformatoren, enz. Vaak blijkt formule (1) echter een redelijk goede benadering te zijn van de totale verliezen in de schakeling. Het vermogensverlies P van de schakeling kan dan worden berekend door R te definiëren als de totale weerstand tussen de ingang en de uitgang van de schakeling en I als de uitgangsstroom. Een nog betere benadering wordt verkregen als aan (1) een factor wordt toegevoegd om rekening te houden met het stroomverbruik zonder belasting of het vermogensverlies zonder belasting. Het stroomverbruik zonder belasting is het vermogen dat door het circuit wordt verbruikt wanneer het wordt ingeschakeld zonder dat er een belasting is aangesloten. Dit is een belangrijke specificatie, vooral voor omvormers, omdat dit op de lange termijn een batterij kan leegtrekken. Als rekening wordt gehouden met het stroomverbruik zonder belasting, resulteert dit in de volgende formule:
Ploss = Po + R x I²out (2)
Ploss is het totale vermogensverlies in het product; Po is het vermogensverlies bij nullast (en per definitie ook het stroomverbruik bij nullast); R is de ‘weerstand’ tussen ingang en uitgang; en Iout is de uitgangsstroom. Met formule (2) kan het rendement, een belangrijke specificatie van omvormers, worden berekend:
η = 100 x Pout / (Pout + Ploss) (3)
waarbij η het rendement in % is en Pout het uitgangsvermogen (Pout = Vout x Iout).
Bij onbelaste omstandigheden is de uitgangsstroom Iout = 0 en het uitgangsvermogen Pout = 0, zodat:
Ploss = Po (4)
en η = 0 / (0 + Po) = 0 % (5)
Met andere woorden: de efficiëntie is 0 bij nullast. Als er geen vermogensdissipatie in het circuit zou zijn (Ploss = 0), dan:
η = 100 x Pout / (Pout + 0) = 100 % (6)
Met andere woorden: als er een ideaal circuit zonder verliezen zou kunnen worden gemaakt, zou het rendement 100 % zijn.
Formule (2) laat zien dat bij toenemende belasting de verliezen aanvankelijk niet erg snel toenemen, omdat Po nog steeds veel groter is dan R x I²out zolang Iout klein is. Het rendement begint bij 0 en neemt toe naarmate de belasting toeneemt.
Maar naarmate de belasting verder toeneemt, zal R x I²out nog sneller stijgen en groter worden dan Po, zodat Ploss ongeveer evenredig met het kwadraat van de belasting of uitgangsstroom zal gaan toenemen. Na het bereiken van een maximum zal het rendement daarom gaan afnemen naarmate de belasting verder toeneemt.
4.3. Hoge temperatuur en vermogensvermindering
Alle stroomomzettingsproducten van Victron Energy worden beschermd tegen schade door oververhitting door temperatuursensoren die op transformatoren en op het koellichaam van de warmste halfgeleiders zijn geplaatst. Omvormers: Wanneer de vermogenshalfgeleiders en/of transformatoren een vooraf ingestelde temperatuur bereiken, geven omvormers eerst een temperatuurwaarschuwing en als de temperatuur verder stijgt, schakelt de omvormer uit. Na afkoeling zal hij opnieuw opstarten. Acculaders: Wanneer de vermogenshalfgeleiders en/of transformatoren een vooraf ingestelde temperatuur bereiken, wordt de uitgangsstroom automatisch verlaagd om een verdere stijging van de temperatuur te voorkomen. De vermogenshalfgeleiders zijn het meest kritiek, met een vooraf ingestelde maximale koellichaamtemperatuur van ongeveer 80 ºC (167 ºF). Hoogfrequente magneten zijn over het algemeen beperkt tot 100 ºC en ringkerntransformatoren tot 110 ºC. De deratingcurve als gevolg van de maximale koellichaamtemperatuur zal daarom een steilere neerwaartse helling vertonen dan de deratingcurve als gevolg van hoogfrequente magneten of een ringkerntransformator. Over het algemeen is de ringkerntransformator de beperkende factor in onze omvormers en omvormers/laders, terwijl halfgeleiders de beperkende factor zijn in onze acculaders. Dit verklaart het verschil tussen de curven in paragraaf 1 en paragraaf en paraaf 2.
Wetende dat, in geval van geforceerde koeling, het koelvermogen van een koellichaam of transformator evenredig is aan het temperatuurverschil tussen het koellichaam/de transformator en de koelluchtstroom, kan formule (2) als volgt worden geherformuleerd:
Iout = K x √(Tmax – ΔTo – Tamb) (7)
waarbij Iout de uitgangsstroom is; K een constante is; Tmax de maximale temperatuur van het koellichaam of de transformator is; ΔTo de temperatuurstijging van het koellichaam of de transformator als gevolg van het vermogensverlies bij nullast is; en Tamb de temperatuur van de koelluchtstroom is. Formule (7) laat zien dat wanneer ΔTo + Tamb = Tmax, Iout = 0. Met andere woorden: wanneer de omgevingstemperatuur zo hoog is dat alleen al het vermogensverlies bij nullast ervoor zorgt dat het koellichaam of de transformator de maximale temperatuurgrens bereikt, is de uitgangsstroom van het circuit 0. Elke uitgangsstroom zou de temperatuur boven het maximum doen stijgen en leiden tot uitschakeling van het circuit als gevolg van oververhitting. De deratingformule (7) is van toepassing wanneer de omgevingstemperatuur stijgt tot boven de temperatuur waarbij het volledige uitgangsvermogen is gespecificeerd, in het algemeen 25 ºC (77 ºF) voor omvormers en 40 ºC (104 ºF) voor acculaders. Waarom 25 °C (77 °F) voor omvormers? Omvormers worden vaak gebruikt met intermitterende belastingen. Kortstondig vermogen en piekvermogen zijn daarom belangrijker dan het continue nominale vermogen. Acculaders daarentegen werken regelmatig gedurende enkele uren op maximale uitgangsstroom en zijn daarom geschikt voor continu gebruik bij 40 °C (104 °F).
Het originele document vind je Hier.