Verschillen tussen HF- en LF inverters (omvormers)

In dit artikel gaan we in op de verschillen die bestaan tussen omvormers (inverters) die werken op basis van LF (low frequency) of HF (high frequency) en staan we stil bij hun voor- en nadelen.

Introductie

Een inverter, soms ook omvormer genoemd, maakt van een gelijkspanning uit een accu^[1], met een spanning van bijvoorbeeld 12, 24 of 48 Volt een wisselspanning, bijvoorbeeld 230 Volt 50 Hz, hoewel ook modellen beschikbaar zijn voor 110-120 Volt, 240 Volt split-fase en ook 60 Hz.

Voor de conversie van de gelijkspanning, uit bijvoorbeeld een accu, naar wisselspanning van 230 Volt 50 Hz, worden twee basistechnieken gebruikt. Een laagfrequentietechniek (LF) en een hoogfrequentietechniek (HF).

Als eerste kwamen de LF-inverters op de markt. Veel later pas de HF-inverters. Die HF-inverters worden ook wel "transformatorloos" inverters genoemd. Vandaar vaak de afkorting TL in de modelnaam van "transformator less". Ondanks dat HF-inverters "transformatorloos" worden genoemd, hebben ze wel degelijk een transformator, maar die is erg klein en weegt vrijwel niets. Hij heeft dus niet zo'n grote zware transformator die je in de LF-inverter aantreft, vandaar dat ze "tranformatorloos" worden genoemd.

Bij energie opslagsystemen, zoals thuisbatterijen en off-grid installaties, worden beide technieken gebruikt, traditioneel was de LF inverter razend populair (mede door zijn robuustheid), maar de laatste jaren zien we een verschuiving en worden steeds meer HF-inverters gebruikt in een EOS.

Vrijwel alle zonnepaneelomvormers zijn gebaseerd op de HF techniek dat is vooraal kostgedreven, ze zijn goedkoper dan LF inverters. Maar het nadeel van een HF-inverter, dat hij niet goed om kan gaan met aanloopstromen, speelt bij de zonnepaneelinverters niet, de aanloopstromen hoeven niet door de pv-inverter geleverd te worden, dat doet het net wel. Vandaar dat gekozen wordt voor de goedkopere, kleinere en stillere HF-inverter.

Bij een Energie Opslag Systeem (thuisbatterij) zeker als deze ook in noodstroom moet voorzien of dat het EOS off-grid gebruikt wordt, dan wordt vaak gekozen voor LF-inverter vanwege zijn robuustheid en het aankunnen van grote aanloopstromen. Maar ook hier zien we, dat de grootste leverancier van off-grid en EOS systemen, Victron, sinds een aantal jaren naast haar immens populaire LF-inverters (Phoenix, MultiPlus), ook HF-inverters aanbiedt die zij de RS serie noemen. De panelen zijn dus duidelijk aan het schuiven.

De uitleg hieronder is een beknopte en sterk vereenvoudigde introductie van de twee invertertechnieken. We leg dus alleen de basistechniek uit en laten we vele details achterwege omdat deze voor de begripsvorming niet relevant zijn. Dat LF-inverters soms ook HF-techniek gebruiken als tussenstap, laten we dan ook achterwege, want ook bij die ontwerpen is de kenmerkende grote en zware transformator aanwezig en juist dat onderscheid de LF- van de HF-inverter.

LF inverter

Bij een LF inverter wordt op basis van de accuspanning een wisselspanning gemaakt, maar die wisselspanning zal niet hoger zijn dan de accuspanning. Deze lage wisselspanning, wordt door een grote transformator (veelal een ringkerntransformator omdat deze minder verliezen heeft) "omhoog getransformeerd" naar 230 Volt.

Op de uitgang van de transformator staat dus een wisselspanning van 230 Volt 50 Hz, en die kan gebruikt worden voor off-grid gebruik, of nadat de inverter zich gesynchroniseerd heeft op de netfrequentie, kan deze aan aangesloten worden op het elektriciteitsnet, dus on-grid en kan de inverter als thuisbatterij functioneren.

Omdat van de accuspanning direct een 50 Hz wisselspanning wordt gemaakt, en 50 Hz een hele lage frequentie is, en ook de transformator een 50 Hz signaal verwerkt, worden dit soort inverters LF-inverters genoemd.

Het meest in het oog springende van dit ontwerp is de grote en zware transformator, die de wisselspanning met een lage spanning omhoog transformeert naar een hoge netspanning.

Omdat die transformator een 50 Hz signaal moet verwerken met een vermogen dat gelijk is aan het vermogen dat de inverter moet kunnen leveren, moet dit een zeer grote transformator zijn, dat is eenmaal een wetmatigheid (hoe lager de frequentie, hoe groter de transformator, hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de transformator kan zijn).

De basisstappen die genomen worden bij een LF-inverter zijn: DC spanning > 50 Hz wisselspanning (spanning gelijk aan de accuspanning) > LF transformator > 230 Volt (50 HZ). Je ziet, feitelijk een heel simpel ontwerp. Je maakt eerst een wisselende lage spanning van 50 Hz en een transformator transformeert dit omhoog naar 230 Volt.

HF inverter

Een HF inverters werkt fundamenteel anders. Eerst wordt de gelijkspanning omgezet naar een wisselspanning met een hoge frequentie (in het blokschema hieronder staat 30 kHz, maar dat is maar een suggestie, hogere frequenties komen zeker voor). Daarna zal een hf-transformator de lage ingangsspanning omhoog transformeren naar een hoge wisselspanning. Daarna wordt met diodes de wisselspanning weer gelijkgericht in een gelijkspanning maar in dit geval met een hoge spanning. We zijn dus weer bij "af", we begonnen met een gelijkspanning en nu hebben we weer een gelijkspanning. Het verschil is dat deze gelijkspanning zo hoog is dat we alleen nog maar die gelijkspanning om moeten zetten naar een wisselspanning (NB: 230 Volt is een effectieve waarde van de netspanning, de piekwaarde is 325 Volt).

Voor het omzetten van de gelijkspanning naar een wisselspanning wordt er eerst een PWM signaal van gemaakt zowel positief als negatief, we moeten immers wisselspanning maken die fluctueert tussen een positieve als negatieve spanning.

Dat PWM signaal lijkt nog niet op een wisselspanning zoals we die op het elektriciteitsnet aantreffen (een sinus), maar hij bevat wel de energie zoals deze in een wisselspanning zit. Met een laagdoorlaatfilter wordt de pulserende (PWM) spanning omgezet in een mooie wisselspanning in de vorm van een sinus.

Het "HF" gedeelte van een HF inverter betreft dus dat de gelijkspanning van de accu eerst omgezet wordt in een wisselspanning met een hoge frequentie, en door die hoge frequentie kan de transformator lekker klein en licht blijven.

De basisstappen die bij een HF-inverter komen kijken zijn: DC spanning > hoogfrequentie wisselspanning (met spanning gelijk aan de accu) > HF-transformator > hoge spanning wisselspanning (circa netspanning) > gelijkrichter > hoge DC spanning (circa netspanning) > gelijkspannings PWM signaal (hoogte gelijk aan netspanning) met een hoge frequentie maar met een energie-inhoud (duty-cycle) die gelijk is aan de netfrequentie, dus 50 Hz > LF-doorlaatfilter die het PWM signaal omzet in nette sinusspanning. Je ziet dat veel meer stappen noodzakelijk zijn. Maar het grote voordeel is dat de transformator in de tweede stap, doordat het een HF signaal is, enorm klein kan zijn, dus goedkoper en lichter. Na die HF-transformator zit nog flink wat elektronica die rechtstreeks contact heeft met het net / de uitgang.

HF inverters zijn lichter, doorgaans goedkoper, efficiënter, worden dus minder warm en hebben geen of minder ventilatoren voor de koeling. Nadeel is dat ze niet zo goed in staat zijn om kortdurend hele grote aanloopstromen te leveren.

LF inverters zijn zwaar, duurder, iets minder efficiënt en worden dus warmer en moeten sterker gekoeld worden. Ook produceren ze een "brom" die uit de transformator komt. Ze zijn heel goed in staat grote aanloopstromen te leveren, dit komt vooral door de "energie" die in het weekijzer zit in de grote en zware transformator. In de praktijk blijken LF-inverters zeer betrouwbaar, haast niet stuk te krijgen. HF inverters kunnen ook een lange levensduur hebben, maar dan moet niet bezuinigd worden op de componenten. Daarom zie je dat goedkope HF-inverters uit China niet zo lange levensduur hebben.

Voor- en nadelen

De LF-inverter heeft een grote en zware transformator. Daarom is hij flink groot en zwaar en maakt de transformator ook nog een brommend geluid.

Die LF-inverters hebben wel als groot voordeel dat zij, zo blijkt uit de praktijk, veel gemakkelijker grote aanloopstromen kunnen leveren dan HF-inverters. Mede door de gebruikte LF-transformator dankt de LF-inverter zijn robuustheid. De transformator scheidt het net / de 230 Volt uitgang van de elektronica die "achter" de transformator zit. De langdurige ervaring leert dat de LF-inverters (we hebben dan de Victron inverters in gedachte) vrijwel niet stuk te krijgen zijn.

Die transformator is groot en bevat dus veel koper en dat is duur en zwaar. Ter illustratie, de inmens populaire Victron MultiPlus-II 5000, met een vermogen van 5000 VA, weegt 30 kg. Een vergelijkbare HF-inverter van Victron, de Multi RS Solar met een vermogen van 6000 VA, weegt maar 12,3 kg (en dan heeft die laatste ook nog een MPPT van 6000 Watt, die waarschijnlijk nog 2,5 kg weegt, dus dat moet je er nog van af trekken) feitelijk weegt hij dus maar circa 9,8 kg.

De HF-inverter heeft niet die grote en zware transformator, maar een heel kleine versie die met HF-signalen werkt (en daarom kleiner kan zijn). Het rendement van een HF-inverter is iets beter dan de LF-inverter. Veel elektronica hangt rechtstreeks aan de 230 Volt en is daardoor mogelijk wat gevoeliger voor storingen. Het nadeel van een HF-inverter is dat hij minder grote aanloopstromen kan leveren, daarom zal je soms het invertervermogen wat hoger moeten kiezen om die aanloopstromen de baas te kunnen zijn.

LF-inverter

• robuust, haast niet kapot te krijgen
• ondersteund grote aanloopstromen
• zwaar
• groot
• duurder dan HF (doorgaans)
• iets minder efficiënt dan HF inverters, dus meer warmteproductie
• last van brommend geluid

HF-inverter

• goedkoper dan LF (doorgaans)
• relatief licht
• relatief klein
• iets hogere efficiëntie, dus minder warmteproductie
• geen brom van een transformator
• ondersteund aanloopstromen minder goed dan LF-inverters
• minder robuust