Omvormer kiezen: 1-fase of 3-fase omvormer?

Auteur: Ir. T.S. Doorn

Kies je voor een 1 fase of 3 fase omvormer?

Je wilt zonnepanelen installeren. Je weet al hoeveel zonnepanelen je nodig hebt. Maar hoe kies je nu de juiste omvormer? Er zijn zoveel keuzes. Een belangrijke keuze is of je een 1-fase of 3-fasen omvormer gebruikt. Maar waarom kies je eigenlijk voor een 3-fasen omvormer? Of waarom zou je een 1-fase omvormer gebruiken? ZonnepanelenSuper zet het voor je op een rijtje. Omvormer kiezen: 1-fase of 3-fasen? ZonnepanelenSuper legt uit!

Het verschil tussen 1-fase en 3-fasen elektriciteit

Elektriciteit wordt in energiecentrales opgewekt met grote generatoren. Dit zijn in feite gigantische dynamo’s die worden aangedreven door stoom. Door de generator rond te draaien, wordt met behulp van een magneetveld een wisselspanning opgewekt in een spoel (een gewikkelde draad die een magneetveld kan oppikken). Hoe ziet dat eruit? Het plaatje hieronder laat dat zien.

De magneet heeft een noord (N, north) en een zuid (S, south) pool. Afhankelijk van welke pool langs de spoel draait, wordt een positieve of negatieve spanning in de spoel opgewekt. Daar komt de term wisselspanning vandaan, de spanning wisselt tussen positief en negatief.

Nu werkt het opwekken van elektriciteit beter als de generator 3 spoelen heeft, zoals afgebeeld in onderstaande figuur. Elke spoel wordt nu een fase genoemd en is fysiek 120° verderop geplaatst, zodat de spoelen precies over een cirkel zijn verdeeld. De opgewekte spanning van elke fase is nu ook 120° verschoven ten opzichte van de andere fasen. De magneet draait immers net op een later moment langs elke spoel.

Het voordeel van deze manier van opwekken is dat het heel efficient is. In de praktijk wordt van elke spoel één kant met de andere spoelen verbonden. Deze gezamenlijke aansluiting wordt de nul-leiding genoemd, Neutral in het Engels. De spanningen van de verschillende fasen worden L1, L2 en L3 genoemd, van Line in het Engels. Dit is weergegeven in onderstaande figuur.

Als de generator op alle fasen even veel belast wordt, wordt een constant vermogen afgenomen als je het vermogen van alle fasen bij elkaar optelt. Er loopt nu geen stroom door de nulleiding, maar alleen door de faseleidingen. Erg efficiënt dus!

Om deze reden zal de netbeheerder altijd de voorkeur hebben voor het gebruik van een 3-fasen omvormer om de energie van je zonnepanelen terug te leveren. Dat beperkt de transportverliezen van de elektriciteit.

Reden 1 voor een 3-fasen omvormer: Lagere kabelverliezen

Zoals zojuist uitgelegd heeft een 3-fasen systeem geen verliezen in de nulleiding als alle fasen gelijk worden belast. Om ervoor te zorgen dat alle fasen gelijk worden belast, worden woningen met een 1-fase hoofdaansluiting om en om steeds op een andere fase aangesloten. Alle fasen worden op deze manier gemiddeld gezien ongeveer even zwaar belast en de netbeheerder kan op de meest efficiënte manier elektriciteit leveren. Dat verlaagt de kosten voor iedereen, want verliezen worden uiteindelijk door de eindgebruiker betaald.

In een 1-fase systeem loopt er evenveel stroom door de faseleiding als door de nulleiding. De kabelverliezen zijn hierdoor dus 2x zo hoog. De stroom moet immers heen en terug, in plaats van alleen maar heen in een 3-fasen systeem. De kabel is in een 3-fasen systeem dus effectief maar half zo lang!

Daarnaast loopt er in een 3-fasen systeem 3x minder stroom per fase dan in een 1-fase systeem voor een gegeven hoeveelheid vermogen. Stel ik wil 3kW terugleveren met mijn omvormer, dan zou de 1-fase omvormer 3000W/230V = 13,0A moeten leveren. Een 3-fasen omvormer levert per fase 1kW terug, wat resulteert in een stroom van 1000W/230V = 4,3A.

Het verlies in een kabel is kwadratisch afhankelijk van de stroom. Een 3x zo lage stroom levert daarom 9x zo weinig verlies op. Omdat een 3-fasen systeem gebruik maakt van 3 leidingen, is het uiteindelijke verlies 3x zo laag door de lagere stroom. Er is hierbij van uitgegaan dat leidingen van gelijke dikte en lengte zijn gebruikt voor het 1-fase en 3-fasen systeem.

In totaal zijn de kabelverliezen in een gebalanceerd 3-fasen systeem 6x zo laag als voor een 1-fase systeem. Je wint een factor 2 doordat er geen stroom loopt door de nulleiding en je wint een factor 3 doordat de stroom in de leidingen een stuk lager is.

Voor het aansluiten van omvormers wordt in de NEN1010 een maximaal spanningsverlies van 1% aangeraden voor de AC kabel. Als je dus een lange AC kabel nodig hebt om je omvormer aan te sluiten op de meterkast, dan kan het de moeite waard zijn om een 3-fasen omvormer toe te passen. Afhankelijk van het vermogen van de omvormer en de afstand die overbrugd moet worden heb je anders een erg dure kabel nodig om onder 1% spanningsverlies te blijven.

Reden 2 voor een 3-fasen omvormer: Een vermogen van 6kW of meer

Omdat de netbeheerders hun elektriciteit efficiënt willen distribueren (dus alle fasen in balans en geen stroom door de nulleiding) is er een limiet van 5kW aan het vermogen dat je per apparaat mag aansluiten op 1 fase. In de netcode artikel 2.33 lid 5 staat deze limiet beschreven. Als je een omvormer van 6kW of meer wilt gebruiken, heb je dus een 3-fasen omvormer nodig.

Reden 3 voor een 3-fasen omvormer: Lange strings

Het maximum aantal zonnepanelen dat je in 1 string kunt aansluiten op een omvormer wordt bepaald door de maximale spanning die de MPP tracker aankan. Voor 1-fase omvormer is deze spanning meestal 550V-600V. Voor 3-fasen omvormers ligt deze spanning op 1000V-1100V.

De maximale spanning die de zonnepanelen opwekken is de open-klemspanning Voc (open clamp in het Engels). Deze spanning staat vermeld in het gegevensblad. Hou er rekening mee dat Voc is gespecificeerd bij 25°C en dat Voc hoger wordt bij lagere temperaturen. Moderne zonnepanelen hebben meestal een temperatuurcoëfficient van 0,2-0,25 %/°C. Voor oudere zonnepanelen kan dat oplopen tot 0,3-0,35 %/°C.

Bij een temperatuur van -20°C loopt Voc dus 9-16% op. Als je rekening houdt met een stijging van 15% zit je normaal gesproken veilig. Dus ( 1,15 x Voc x aantal zonnepanelen ) moet lager zijn dan de maximale spanning van de MPP tracker van de omvormer.

Reden 1 voor een 1-fase omvormer: een 1-fasen hoofdaansluiting

1-Fase omvormers kun je ook gebruiken als je een 3-fasen hoofdaansluiting hebt. Een 3-fasen omvormer heeft echter altijd een 3-fasen hoofdaansluiting nodig om te kunnen werken. Heb je dus een 1-fase hoofdaansluiting, dan heb je geen keus dan een 1-fase omvormer te gebruiken.

Aan de hoofdschakelaar in je groepenkast kun je meestal zien of je een 1-fase of 3-fasen hoofdaansluiting hebt. Een 1-fase groepenkast heeft een 2-polige hoofdschakelaar en een 3-fasen groepenkast heeft een 4-polige hoofdschakelaar. Onderstaande figuur geeft weer hoe dat eruit ziet. Het onderdeel met de rode schakelaar is de hoofdschakelaar.

Een hoofdschakelaar is in elke groepenkast verplicht, zodat de brandweer in geval van nood in 1 handeling de elektrische installatie kan uitschakelen. Als je geen hoofdschakelaar hebt, laat een erkend elektricien met zegelrecht dan de groepenkast vervangen. Vervang de groepenkast niet zelf, tenzij de hoofdzekeringen zijn uitgevoerd met zekeringautomaten en je de spanning veilig kunt afschakelen zonder de zegels te verbreken.

Wil je weten hoe je een omvormer op de juiste manier aansluit op de de meterkast? Lees dan het artikel Sluit je omvormer veilig aan op de groepenkast.

Een andere manier om erachter te komen of je een 1-fase of 3-fasen hoofdaansluiting hebt, is door de vermelding op de jaaropgave van je energieleverancier op te zoeken. Omdat aan verschillende hoofdaansluitingen verschillende prijskaartjes hangen, is dit iets wat de energieleverancier moet registreren.

Soms zijn de hoofdzekeringen ook gewoon zichtbaar omdat een doorzichtige zekeringkast is gebruikt. Sommige panden zijn uitgerust met zekeringautomaten met C-karakteristiek. Deze zijn bedienbaar en dus zichtbaar.

Reden 2 voor een 1-fase omvormer: Lagere kosten

Een 1-fase omvormer is een minder ingewikkeld apparaat dan een 3-fasen omvormer. Ze hebben daarom een lagere prijs. Niks ingewikkelds aan toch? Het prijsverschil tussen een 1 fase en 3 fasen omvormer is doorgaans een paar honderd euro.

Reden 3 voor een 1-fase omvormer: Kortere strings

Een 1-fase omvormer heeft in het algemeen een lagere opstartspanning dan een 3-fasen omvormer. Dit geeft de mogelijkheid om kortere strings toe te passen. De stringspanning moet boven de opstartspanning van de omvormer uitkomen, anders kan de omvormer zijn werk niet doen.

Onderstaande tabel laat zien dat de kleinste Growatt 1-fase omvormers met 1 Maximum Power Point Tracker (MPPT) al opstarten vanaf 50V. Een zonnepaneel heeft doorgaans een open-klemspanning Voc (open clamp voltage) van minimaal Voc=35V. Dat betekent dat je een string kunt maken van 2 zonnepanelen met deze omvormers. Voor de wat grotere 1-fase omvormers kun je een string van minimaal 3 zonnepanelen gebruiken.

Voor de nieuwe 3-fasen hybride Growatt MOD-XH serie omvormers is de opstartspanning minimaal 160V, wat overeenkomt met minimaal 5 zonnepanelen. De oudere generatie MOD-X serie omvormer startte pas op bij 200V, oftewel minimaal 6 benodigde zonnepanelen per string.

De open-klemspanning Voc van de gebruikte zonnepanelen is de spanning die de zonnepanelen opwekken als ze onbelast in de zon liggen. Deze open-klemspanning wordt bepaald door het aantal zonnecellen die in serie staan in een zonnepaneel.

Veel moderne (half-cut) zonnepanelen bestaan uit 108 zonnecellen. In feite zijn deze zonnepanelen weer opgebouwd uit twee kleine zonnepaneeltjes, elk met 54 zonnecellen in serie. Elke zonnecel produceert een open-klemspanning van ongeveer 0,7V. Met 54 zonnecellen in serie kom je uit op Voc=37,8V. Deze waarde hangt enigszins af van de temperatuur.

Er zijn echter ook zonnepanelen die bestaan uit 120 zonnecellen (60 cellen in serie), 132 zonnecellen (66 cellen in serie), 144 zonnecellen (72 cellen in serie), of zelfs 150 zonnecellen (75 cellen in serie). Deze zonnepanelen hebben een hogere open-klemspanning. Je kunt daarom met deze zonnepanelen met kortere strings al boven de opstartspanning van de omvormer uitkomen.

Voorbeelden van 120-cels zonnepanelen:
– Full Black Denim 480Wp glas-glas 30 jaar garantie
– Full Black Meyer Burger 390Wp 25 jaar garantie
– Black Frame Risen 410Wp

Voorbeelden van 132-cels zonnepanelen:
– Black Frame Longi 525Wp

Voorbeelden van 144-cels zonnepanelen:
– Full Black Trina Solar glas-glas bifacial 430Wp 25 jaar garantie
– Full Black Trina Solar 415Wp

Voorbeelden van 150-cels zonnepanelen:
– Black Frame Trina Solar 510Wp

Voor meer informatie over de opbouw van zonnepanelen verwijzen we je naar het artikel Maximaliseer de opbrengst van je zonnepanelen in de schaduw.

Reden 4 voor een 1-fase omvormer (met 3-fasen hoofdaansluiting)

Voor de consument kan het gunstig uitpakken om ook bij de beschikbaarheid van een 3-fasen hoofdaansluiting een 1-fase omvormer te gebruiken. Door onbalans op het net kan het namelijk zo zijn dat de spanning op één van de fasen wat hoger is dan de spanning op de andere fasen. Dit deed zich bijvoorbeeld voor in onderstaande meting van de netspanning van een woning.

Als de netspanning hoger wordt dan 253V, moeten omvormers zichzelf loskoppelen van het net. Omdat een 3-fasen omvormer verbonden is met alle 3 de beschikbare fasen, koppelt hij af als de spanning op één van de fasen hoger is dan 253V. Bovenstaande grafiek is gemeten door een omvormer die zichzelf afkoppelde van het net door een te hoge spanning op één fase.

Als je een 1-fase omvormer gebruikt, kun je zelf kiezen op welke fase de omvormer wordt aangesloten. In bovenstaande grafiek lijkt fase 2 structureel een iets hogere spanning te hebben. Als je dus de omvormer aansluit op fase 1 of fase 3, dan kun je langer energie terugleveren zonder dat je netspanning te hoog wordt.

Zie voor meer details over dit onderwerp het artikel Help! Mijn omvormer gaat uit bij mooi weer!

Reden 5 voor een 1-fase omvormer: Hogere efficiëntie?

Sommige 1-fase omvormers hebben een hogere efficiëntie dan een 3-fasen omvormer van hetzelfde vermogen. Om dit te kunnen beoordelen, kijken we naar de Europese efficiëntie van de omvormer. Dit is een gewogen gemiddelde van de efficiëntie bij verschillende belastingen. In onderstaande tabel vind je de Europese efficiëntie van een aantal veelgebruikte omvormers.

Voor Huawei is de efficiëntie van de 1-fasen omvormer 0.3% hoger. Je kunt dus 0,3% meer opbrengst verwachten bij gebruik van een 1-fase omvormer. Dat verschil is dermate klein dat dat moeilijk na te meten is. Andere oorzaken van verschillen tussen installaties zitten al snel in dezelfde ordegrootte. Zo hebben zonnepanelen standaard een tolerantie van 5Wp. Dat is meestal al meer dan 1% van de opbrengst.

De Growatt 1-fase en 3-fasen omvormers hebben dezelfde Europese efficiëntie en voor dit merk maakt het voor de opbrengst niet uit welke omvormer je gebruikt.

Bij SolarEdge is voor de nieuwe omvormers wel een groot verschil in Europese efficiëntie. Met name de 1-fase omvormer is erg efficiënt. Bedenk dat bij een SolarEdge systeem de verplichte optimizers ook energie gebruiken. De optimizers hebben een gewogen efficiëntie van 98,6%.

Salderen met 1-fase omvormer op een 3-fasen hoofdaansluiting

Zoals aangegeven wil de netbeheerder graag dat het elektriciteitsnet efficiënt gebruikt wordt. Dat betekent dat het vermogen dat het elektriciteitsnet op elk moment transporteert op alle fasen gelijk moet zijn. 3-Fasen omvormers leveren op alle 3 de fasen altijd evenveel energie terug. Zoals eerder gezegd is het daarom voor het elektriciteitsnet goed om zoveel mogelijk 3-fasen omvormers toe te passen.

Zolang de salderingsregeling van kracht is, is het financieel gezien niet zo belangrijk om zoveel mogelijk van je opgewekte energie zelf te gebruiken. De salderingsregeling zal echter ooit worden afgebouwd. Bovendien zijn er inmiddels zoveel zonnepanelen in Nederland geïnstalleerd dat energieleveranciers geld moeten toeleggen op klanten met zonnepanelen. Daarom brengen energieleveranciers steeds vaker terugleverkosten in rekening. Het zal financieel steeds interessanter worden om opgewekte zonne-energie zelf te gebruiken. Maakt het dan uit of je een 1-fase of 3-fasen omvormer gebruikt als je een 3-fasen hoofdaansluiting hebt? Gek genoeg niet.

Elk pand dat is aangesloten op het elektriciteitsnet heeft een energiemeter die afgenomen en teruggeleverde energie bijhoudt. Er zijn nog aardig wat Ferraris meters met een draaischijf in omloop, maar deze zullen op termijn allemaal worden vervangen door slimme digitale energiemeters. Alhoewel deze slimme energiemeters de energie van elke fase afzonderlijk meten, wordt deze informatie niet gedeeld met de energieleveranciers. De meters tellen het vermogen van alle fasen bij elkaar op en bepalen uit die informatie hoeveel energie er netto wordt gebruikt of geleverd door dat huishouden. Dat getal gebruikt de energieleverancier om je energierekening op te stellen.

Het gevolg hiervan is dat het voor je energierekening niet uitmaakt dat je zonne-energie levert op fase 1, terwijl je met de oven op fase 2 een taart bakt. Je energiemeter telt de energie van alle fasen bij elkaar op en komt uit op nul kWh. Voor het energienetwerk is dit natuurlijk ongunstig. Door energie te leveren op fase 1 en energie af te nemen op fase 2 creëer je immers een onbalans tussen de fasen.

Doe met deze informatie wat je wilt, maar voor je portemonnee maakt het niet uit of je een 1-fase of 3-fasen omvormer gebruikt.

Dus omvormer kiezen: 1-fase of 3-fasen?

Samenvattend kun je de volgende conclusies trekken:

• Voor het elektriciteitsnet is het beter om een 3-fasen omvormer te gebruiken. De geleverde energie is dan op alle fasen gelijk, wat de transportverliezen in het elektriciteitsnet minimaliseert.
  
• Als de omvormer ver van de meterkast geplaatst wordt, kun je beter een 3-fasen omvormer gebruiken. Deze heeft 6x minder AC kabelverliezen dan een 1-fase omvormer
  
• Voor vermogens van 6kW en hoger zijn er alleen 3-fasen omvormers beschikbaar. Dit komt omdat in de netcode staat omschreven dat apparaten die op 1 fase worden aangesloten een maximum vermogen van 5kW mogen hebben.
  
• Als je lange strings wilt gebruiken van meer dan 11-12 zonnepanelen, gebruik dan ook een 3-fasen omvormer. 1-Fase omvormers hebben doorgaans een maximale spanning van 550-600V en 3-fasen omvormers van 1000-1100V.
  
• Als je een 1-fase hoofdaansluiting hebt, kun je alleen een 1-fase omvormer plaatsen. 3-Fasen omvormers hebben altijd een 3-fasen hoofdaansluiting nodig.
  
• Als je korte string wilt gebruiken van 2, 3, of 4 zonnepanelen, kies dan voor een 1-fase omvormer. 3-Fasen omvormers hebben een hogere opstartspanning waardoor zeer korte strings niet werken.
  
• Een 1-fase omvormer is goedkoper dan een 3-fasen omvormer. Voor installaties t/m 5 kW is het daarom altijd voordeliger om een 1-fase omvormer te gebruiken. Voor de registratie van de zelfconsumptie van opgewekte energie maakt het niet uit wat voor omvormer je hebt.
  
• Een 1-fase omvormer kan een hogere efficiëntie hebben dan een 3-fasen omvormer. Bij sommige merken omvormers kun je met een 1-fase omvormer dus een iets hogere opbrengst behalen.

Je kunt nu zelf aan de gang!

Nu je weet wat voor omvormer je nodig hebt, stel dan snel je eigen zonnepanelen set samen! Heb je meer informatie nodig? Kijk dan op de informatiepagina over Zonnepanelen zelf plaatsen.

Wil je je omvormer aansluiten op de meterkast? Lees dan het uitgebreide artikel “Veilig een omvormer aansluiten op de meterkast“.