Practische grenzen converters

Hoi,

Voor school moeten we een 5kW omvormer maken. Deze moet van een ingangsspanning (10-50 Volt) naar 350 volt boosten. Nu moeten we onderzoeken welk type converter (boost/buckboost/flyback/flyforward etc.) toegepast moet worden. Nu hebben we het volgende probleem: er is geen informatie te vinden over de praktische grenzen van elk type. Nu is dus de vraag weten jullie documenten/documentatie/bronnen waar we de praktische grenzen van verschillende converters kunnen vinden?

Alvast bedankt

fatbeard

Honourable Member

Hmmm...http://www.uploadarchief.net/files/download/hmmm.gif

5kW, 10V input (worst-kaas)?
Da's bij een rendement van 100% al 500A. Bij zo'n hoge overzetverhouding (en niet te vergeten brede input range, 1:5 is redelijk uitzonderlijk) is het haalbare rendement eerder 70%, dus ruim 700A.
Gaat niet echt makkelijk worden om daar spoelen voor te vinden.

Misschien is het makkelijker om er eerst 'gewoon' wisselspanning van te maken, dat door een transformator te jassen en dan gelijk te richten.

Mijn €0.02

Maar de praktische grenzen worden voorzover mij bekend alleen door de beschikbare financiën en gewenste eigenschappen (rendement, afmetingen, gewicht, regelgedrag etc.) bepaald.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.
EricP

mét CE

Fatbeard heeft het enige reeele antwoord gegeven.
5kW uit 10V is absurd. Leraar moet maar eens terug naar school ofzo...
5kW uit 24V bestaat (1-fase 230V). Victron heeft zoiets in het assortiment. Hint: intern gaan ze eerst van 24V naar 350VDC en PWM-en vanaf daar een sinus in elkaar. Jij hebt dus het eerste stuk nodig.

Kijk eens of je daar wat info over kunt vinden (ja, ik weet al hoe het werkt, maar het is jouw schoolvraag :) ). Zij doen al jaaaaren ontwikkeling en hebben de afweging tussen in elk geval kosten en rendement reeds gemaakt.

Hoi,

Bedankt voor de snelle reacties. Het gaat in dit geval om het onderzoek. Het probleem is dat we bronnen zoeken die, bijvoorbeeld jullie opmerkingen (bedankt daarvoor), onderbouwen. Dit omdat het een onderbouwt verhaal moet worden.

Daar is toch echt wel een hoop over te vinden met de juiste zoektermen.
Even googlen op power supply topologies...
Bijvoorbeeld.
http://www.smps.us/topologies.html
Bekijk ook de pdf's van st en ti bijvoorbeeld.

AKA fry, Stichting EMM, ElectroMagnetic Magnificence

Bedankt voor de info. De topologies zijn inderdaad te vinden. Maar het gaat om bronnen waarin de maximale mogelijkheden van een topologie worden besproken. De praktische grens van het vermogen wat er door heen kan etc. We hebben hier namelijk een overzicht uit een boek wat tot 2500 watt gaat. Alleen zoeken nu informatie tot 10kW en onderbouwing van het diagram.

[Bericht gewijzigd door BJ2 op woensdag 18 februari 2015 10:34:44 (25%)

EricP

mét CE

Maar het gaat om bronnen waarin de maximale mogelijkheden van een topologie worden besproken.

Je hebt blijkbaar niet gelezen...

Een onderbouwing is niet te geven zonder randvoorwaarden. Dus geeft de randvoorwaarden, dan komt er vast wel een onderbouwing. Heb je echt alleen 10V? Dan is dat een harde voorwaarde en dan zul je in moeten leveren op rendement / kosten. Is dat praktisch? Geen idee. Dat hangt van de andere 'randvoorwaarden' af.
Kan het ook vanuit 200V? Dan kun je meer aan rendement denken, omdat de stromen lager zijn (en veel dingen daardoor eenvoudiger worden). Kortom: binnen welk kader wil je wat?

Beetje eigen initiatief, het is een studie opdracht. Niet een vraag-op-een-forum-en-tik-de-antwoorden-over opdracht!

5kW? Dan denk ik eigenlijk meteen aan een full bridge topology.

Overigens de lage ingangsspanning levert natuurlijk enorme I^2*R verliezen op. De keuze voor zo'n lage ingangsspanning is al een zeer inefficiënt uitgangspunt.

This is the world we know best, the world of madness

Praktische grenzen?

Ik zou zeggen, ontwerp snel zo'n converter en ga aan de slag met het berekenen van de stromen en spanningen in je circuit. Vervolgens ga je daar onderdelen voor zoeken. Zodra die niet bestaan, heb je een praktische grens gevonden.

Een boek met "praktische grenzen" is onzinnig. Een jaar na uitgifte zijn die grenzen verouderd.

Bij grotere vermogens wordt de efficientie steeds belangrijker: Het afvoeren van de verlieswarmte wordt steeds lastiger. Topologien die een laag rendement hebben worden bij grotere vermogens steeds minder aantrekkelijk.

Als voorbeeld kan je een topologie hebben waar de forward-diode-gelijdings-spanning meespeelt voor de efficientie. Bij een boost-converter, staat de converter eigenlijk VOUT+VDROP te maken, terwijl je uiteindelijk maar VOUT kan gebruiken. De efficientie van deze stap wordt dus groter naarmate VOUT groter wordt. Bij een VOUT van 1.1V voor een CPU is dit een onacceptabel verlies. Bij een VOUT van 350V, is het andere koek. Slechts een verlies van 0.2 tot 0.3%. Lijkt me acceptabel.

four NANDS do make a NOR . Kijk ook eens in onze shop: http://www.bitwizard.nl/shop/
rbeckers

Overleden

Grenzen verschuiven en praktisch is rekbaar.
Maar kijk eens bijvoorbeeld naar verschillende UPS modellen. Een UPS gebruikt een accu (of meerdere parallel of serie). Een kleine UPS heeft bijvoorbeeld een 12V/7Ah accu en een iets grotere twee 12V/7Ah in serie. Waarom ?

@ErikP: ik heb recentelijk wat metingen gedaan aan een 4kW omvormer (5kW piek, geloof ik) 24VDC naar 230VAC van Victron, en daar zaten twee hele forse ringkern transformators in (standaard 50Hz transformators dus); dat doet mij dus vermoeden dat ze de sinus bij elkaar PWM'en aan de 24V zijde, en de 230V direct vanaf de secundaire zijde van de transformator pakken.

@TS: een nadeel van een gewone boostconverter is dat de schakelende transistor de hoge stroom aan de ingaande zijde moet kunnen geleiden, en de hoge spanning aan de uitgaande zijde kunnen sperren (of eigenlijk, het verschil in spanning tussen de ingang en uitgang).

Daarbij zou je eens kunnen kijken naar de pulsbreedte verhouding, en wat dat doet met de schakelverliezen.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
Lambiek

Special Member

dat doet mij dus vermoeden dat ze de sinus bij elkaar PWM'en aan de 24V zijde, en de 230V direct vanaf de secundaire zijde van de transformator pakken.

Dat doen ze ook, er zit een hele ris fet's in die dingen en die schakelen inderdaad de 24VDC.

Als je haar maar goed zit, GROETEN LAMBIEK.

Wat ik overigens wel vreemd vond, is dat er geen spoel in serie zat met de primaire (hier dus ~16V) wikkeling; met een ideale transformator zou de PWM blokgolf er aan de secundaire kant weer perfect uit komen. Blijkbaar maken ze dus gebruik van de lekinductie van de transformator, om de stroom aan de primaire zijde sinusvormig te maken.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
Lambiek

Special Member

Heb je het pwm signaal toen ook bekeken, zoja hoe zag dat er uit?

Als je haar maar goed zit, GROETEN LAMBIEK.

Nee, ik heb geen interne metingen gedaan, alleen wat performance testen e.d. (beter gezegd, ik heb wat metingen begeleidt, niet zelf uitgevoerd). Uiteraard kon ik me niet bedwingen, en heb ik het ding "iets" verder open gemaakt dan strikt noodzakelijk was, om de binnenkant een beetje te kunnen bekijken.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
fred101

Golden Member

De grenzen zijn volgens mij vooral financieel. Als je maar genoeg budget hebt kan alles. (anders waren er bv in de jaren 60 ook geen maanlandingen geweest)

www.pa4tim.nl, www.schneiderelectronicsrepair.nl, Reparatie van meet- en calibratie apparatuur, ook maritieme en industriele PCBs

uiteindelijk kan alles wat de natuurwetten toestaan, maar de TS vroeg om de poëtische grenzen. In sommige gevallen is en bepaalde topologie echt niet meer handig; stel je voor dat je van 12V naar 20kV wilt gaan, met een vermogen van 120W. Met een gewone boost converter zou je dan een transistor nodig hebben die 20kV kan sperren, en een stroom van (iets meer dan) 10A kan voeren; succes met zoeken naar zo'n transistor! Voor zo'n situatie is een andere topologie dus veel handiger.

Een manager is iemand die denkt dat negen vrouwen in één maand een kind kunnen maken
fatbeard

Honourable Member

OK, ik gooi er nog een hele euro tegenaan...

van 10V naar 350V is een overzetverhouding van 1:35.
Voor een boostconverter (in continuous mode!) heb je daarvoor een duty-cycle nodig van iets meer dan 97%. Veel meer hierover is hier te lezen.

Dat wil dus zeggen dat het schakel element 97% van de tijd staat te geleiden (die ruim 700A dus) en daarbij voor elke milliΩ weerstand een vermogen staat te dissiperen van een slordige 500 Watt...
Gelukkig zijn er MOSFETS te koop (voor verbazend weinig geld) met een RDS(on) van 1.4mΩ, daar heb je er dan minimaal 14 van nodig. Oops. Die hebben een te lage breakdown, gaat niet werken... Beter zoeken naar IGBTs.

Dan heb ik het nog maar even niet over de spoel, die dus bij 700A niet in verzadiging mag raken èn door de opgewekte warmte (P=I²R, zie hierboven) niet mag smelten...

Anderen hebben het ook reeds gezegd: dit is gekkenwerk.
Voor 24V wordt de zaak met 300A en 'slechts' 90W dissipatie per milliΩ iets gunstiger.

En zoals SparkyGSX al had gezien bij een commercieel produkt: het is slimmer (en eenvoudiger) om eerst van de lage DC spanning een wisselspanning te maken en die dan door een transformator omhoog te brengen, daarna kun je zonodig dat weer gelijkrichten en afvlakken...

Als ik me goed herinner is er zelfs een merk wat precies dat doet (maar dan wel op 150kHz of zo), om er vervolgens via PWM en een filter weer een nette sinus van 50Hz van te maken. Het 5kW model 'liep' alleen wel op 48V input om de warmte enigzins te beperken.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.
EricP

mét CE

Op 18 februari 2015 15:12:24 schreef SparkyGSX:
@ErikP: ik heb recentelijk wat metingen gedaan aan een 4kW omvormer (5kW piek, geloof ik) 24VDC naar 230VAC van Victron, en daar zaten twee hele forse ringkern transformators in (standaard 50Hz transformators dus); dat doet mij dus vermoeden dat ze de sinus bij elkaar PWM'en aan de 24V zijde, en de 230V direct vanaf de secundaire zijde van de transformator pakken.

Bij de 'oudere' modellen (what's in a name...) zou me dat niet verbazen. Maar ik gok erop dat dat apparaat dan ook geen sinus aan de uitgang heeft (maar gewoon een blokgolf, in commerciële termen 'modified sine'

De FETs van Lambiek schakelen inderdaad de 24V (het dikke stuk). De 'hoogspanning' is niet spannend om te schakelen: daar loopt maar een paar A (vergeleken met de 24V kant).

Als je kijkt wat men tegenwoordig als lader / omvormer in een kast weet te frutten... Dan ook nog met de mogelijkheid om uit accu 'bij te leveren' als je het net te zwaar zou gaan belasten (instelbaar)... Dat ga je niet redden met een 50Hz ring kern. Dat wordt fysiek te groot voor de kast waar het in zit.

Zoals fatbeard omschrijft: ik ken zo'n ding van Victron. Het loopt op 24V. En ja, er hangt een serieus accupack achter. Heb het kabelwerk ervoor gelegd en ook daar moet je ff aan rekenen. 'Doe maar een stukkie 90, dat trekt het wel' is niet goed genoeg. Geen idee van de frequentie, maar zo groot is het trafootje niet, dus om de boel niet te verzadigen, moet de frequentie ook 'hoog' liggen.

Shiptronic

Overleden

De ingangsspanning range 10-50V is dit AC of DC ?
De uitgangsspanning a 350 V is dit AC of DC?

Wie de vraag stelt, zal met het antwoord moeten leren leven.
Lambiek

Special Member

Als je haar maar goed zit, GROETEN LAMBIEK.

De ingangsspanning range 10-50V is dit AC of DC ?
De uitgangsspanning a 350 V is dit AC of DC?

Alle bij DC.

Maar bedankt voor de antwoorden, die hebben zeker geholpen.

rbeckers

Overleden

Ik zou het logischer vinden dat bij de grotere UPSsen, vanaf een paar kVA, een accupack van minimaal 48V gebruikt zou worden.
Dat die Victrons van 24V uitgaan voor dergelijke vermogens had ik niet verwacht en ik zou die ook niet snel adviseren.

EricP

mét CE

Bij grotere UPSen is 48V of 96V niet raar - ben ook al boven de 200V tegen gekomen.

Voor de Victron omvormers: 24V is een gebruikelijke spanning voor een (klein) boordnet. Daar is veel voor te koop in de zin van apparatuur, lampen, laders ed. Toen een omvormertje nog 1kW deed, was dat allemaal niet zo'n punt. Inmiddels is het 'erfenis uit het verleden'. 48V spul kom je gewoon niet tegen.
En ja, het heeft nadelen in zowel de halfgeleiders als in kabelwerk (om niet te vergeten: de stromen uit een accupack).

Overigens heb ik bij Mastervolt wel eens een demo-setup gezien van 9 omvormers. Setjes van 3 parallel, en dan je eigen 3-fasen net maken. Ik meen toen iets van 15kW. Gevoed uit 24V. Arme accu...

fatbeard

Honourable Member

Ik zie bij de Victron 5kW modellen ook 12V als ingangsspanning... Chapeau!

Wat mij wel opvalt is de zeer beperkte ingangsspanningsreeks van alle professionele modellen.
De door TS gevraagde 1:5 is uitzonderlijk groot, zeker voor een boost-converter.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.