電壓轉換器是許多技術系統(tǒng)的支柱。根據(jù)應用的不同，所需的電源單元由變壓器、整流器 AC/DC 轉換器實現(xiàn)。當高性能開關電源尚未上市時，幾乎只使用 50 Hz 變壓器解決方案。

電源注意事項

電能幾乎完全以三相電流的形式提供，系統(tǒng)電壓為 10 ...30 kV~在供電設備中，在38 kV~的電壓下長距離傳輸。5 V、12 V、24 V等電子直流電壓通過變壓器從高傳輸電壓通過變壓器轉換為220 V~/230 V~電壓，經過整流、平滑和穩(wěn)定。選擇電源的特點是價格、可靠性、可用性、使用標準組件還是特殊解決方案、所需功率、無需寬范圍輸入是/否 110 V~ ...230 V~ 帶/不帶功率因數(shù)、工作溫度、EMC、效率、MTBF、尺寸、重量、插頭和安裝類型等外形尺寸。

在 1970 年代，解決方案通常由 50 Hz 變壓器、橋式整流器和平滑組件組成，可能還具有下游 U 穩(wěn)定。問題是，購置成本在多大程度上應該成為購買決策的決定因素？運營、維護和更換成本可能是一個不容忽視的因素。在運行僅 24 - 36 個月后，使用更節(jié)能的解決方案是值得的。對于工業(yè)品，通常采用十年的折舊期。然而，這些機器的運行時間通常是原來的兩倍?，F(xiàn)在有必要考慮使用節(jié)能解決方案是否以及在多大程度上可以降低能源供應公司的操作系統(tǒng)成本。

許多電子設備需要穩(wěn)定的直流電壓。能量通過交流電壓電廠的電源和網(wǎng)絡傳輸。這意味著必須首先在使用點從交流電壓產生直流電壓。電壓產生方法既影響運行安全，又影響運行成本。

在引入高頻電源解決方案之前，隨著快速開關、低阻抗半導體的出現(xiàn)，高頻電源解決方案現(xiàn)已占據(jù)主導地位，50 Hz 變壓器、橋式整流器和平滑電容器的解決方案主要用于將 220 V~/230 V~ 市電電壓轉換為 24 V 和其他經常需要的直流電壓。變壓器解決方案可在初級電路 （230 V~） 和次級電路（例如 12 V、24 V）之間實現(xiàn)電流隔離。

圖 1.經典的 50 Hz 變壓器 – 整流器解決方案，導致高能源成本。

由于用橋式整流器和平滑電解電容器加載變壓器的特殊方式，脈沖電流產生230V~初級電路。

電表以有效值進行校準。脈沖電流會導致電流產生不同的 RMS 值，盡管電荷載流子流量相同，但仍會計算該值。

i = C * dU / dt （1）

i = dq / dt （2）

由等式（1）進行轉換：

i * dt = C * dU （1a）

在直流側，需要一定的功率或能量來執(zhí)行工作。

dW = u * i * dt （3）

將公式（1a）中的表達式代入公式（3）可得到

dW = u * C * dU （3a）

如果兩邊都一體化，結果是

W（工作、勞動力、能源）= ∫dw = C * ∫U*dU = 1/2 * C*U? W = 1/2 * C*U? （4）

從公式中電壓的平方，您可以直接看到能量或功不隨電壓線性變化。波峰因數(shù) ξr = ? / Ieff 越高，電費越高。

精力充沛，工作

W = P * t （5）

電容器、蓄電池現(xiàn)在可以通過各種方式填充，即用電荷載流子 （q） “填充”。在這種情況下，特別令人感興趣的是交流側所需的能量。

示例：在直流側，需要 P = 50W 的電功率和電壓 U = 24V。存儲單元（電池）中的能量應足以滿足 t = 24h 的運行時間。

E = 50W * 24h = 1'200Wh （6）

電流 I 的計算公式如下：

I = P/U = 50VA / 24V = 2.08A （7）

電池的存儲容量為 C = 2.1A * 24h / 24V （8）

電池電量：Q = I * t = 2.08A * 24h = 50 Ah （9）

該電荷必須由交流電壓源提供。此外，交流電壓源必須提供所涉及的電路元件的損耗。為清楚起見，這些損失將被省略。

圖2.紅線表示整流器輸入電壓，綠線表示高諧波和功率因數(shù)差的脈沖電流。

使用直流或交流正弦電流（整流值）和脈沖電流（紅色）充電時，提供的電量必須相同，否則電池、蓄電池和電容器將以不同的速率充電。電荷的表面積必須相同。

Q = I * t 直流電

Q = 2 * ? / π 橋后整流器正弦

Q = iRE * tp tp = T/12 具有典型值。電流流角 Φ = 30°，適用于帶平滑電解電容器的橋式整流器。

P 負載50 Hz 變壓器 + 光滑帽。每年的費用PFC解決方案每年的差異

千瓦時€千瓦時€

25 瓦55.55W * 365 *24h = 486.697,3228W*365*24=245.449.08

50 瓦111.1W * 365 *24h = 973.2194,6756W*365*24h=490.898.16

100 瓦222.2W * 365 *24h = 1'946.6389,33112W*365*24h=981.6196.42

但是，要將相同數(shù)量的電荷傳輸?shù)街绷麟妷簜?24 V，必須向交流電壓側施加不同量的功（能量）。

為了僅比較波形的影響，必須將充電時間（t）設置為相同的值。

1 次完全充電的能量

a） 直流電 E = 24 V * 2.08 A * 24 h = 1,200 Wh

b） 交流正弦波形

P = U埃夫*我埃夫= 50 W（變壓器、整流器無損耗）

以下內容適用于輔助側：

Q = 50 Wh = 50 Ah/24h = 2.083 A * π / 2 = 3.25 A

這導致 I艾夫= / √2 = 2.31 安培

UE，eff= 230 V~ 埃夫= 50 伏/230 伏伊芙= 0.217 安培

c） 如果能量以脈沖形式傳輸?shù)酱渭壷绷麟妷簜?，則會產生以下比率：

所需電荷 Q = 50 Ah

我RE，puls =I = 1/T ∫ iRE，普爾斯* DT

我RE，普爾斯= 6 * I，因為電荷載流子傳輸發(fā)生在 T/12 中每個正弦半波，即每個完整的正弦輸入振蕩 2 倍。因此，電流必須大 6 倍，以便將相同數(shù)量的電荷傳遞到周期持續(xù)時間為 T 的 T/6 中的次級側。

輸入電流的有效值（也計費）計算如下：

T埃夫= 1/噸 ∫（6*I）dt = 1/噸 * 36 * 噸/6

這導致 I得夫，普爾世= √6 = 2.45 倍。

因此，波峰因子為：ξr= / 我伊芙= 6 * I / √& * I = √6 = 2.45

在 10 W 至 75 W 功率范圍內的許多電源應用中，當在輸入中使用非線性元件的消費類設備（例如橋式整流器電路）連接到 230 V~ 電源時，通常會不被注意地出現(xiàn)高能耗。此類電器的所謂功率因數(shù) λ 通常僅在 0.3 到 0.6 之間。由于能源供應公司的電能表是以有效值校準的，因此確保消費電器的高效能源消耗非常重要。否則，它將很昂貴。只要電能成本為5-6美分，這種考慮就沒有發(fā)揮如此重要的作用。但是，以今天20美分/千瓦時的成本，這是浪費錢。

由于積分發(fā)生在底部和頂部邊界內（示例中的電流發(fā)生在 60° 和 90° 之間，對應于 T/12 相對于 2 個正弦半波），這意味著在一個完整周期 T 內發(fā)生兩次。

因此，我RE，普爾斯將比 I 高 6 倍，用于向次級路徑轉移的 eual 電荷。

假設能源成本：20美分/千瓦時

根據(jù)以下假設計算：

ξr = 2,22 o. 功率因數(shù) PF = 0.45 和 365 * 24h 工作時間

η = 0.92

ξr o. PF = 功率因數(shù);λ = 有功功率/視在功率

η = 效率

開關電源的差異

具有正弦電流消耗的開關模式電源可以在這方面提供幫助。但是，它們的工作方式存在差異。經典解決方案是升壓轉換器，由存儲扼流圈、MOSFET trs組成。整流二極管、平滑電容器和帶有各種附加組件的 IC 電路，初產生約 380 V 的中間電路電壓......400 V DC 來自整流電源電壓。下游DC/DC轉換器，同樣在50 kHz≥的高頻工作頻率下，產生所需的5 V、12 V 24 V的次級電壓，與電源側電氣隔離，短路和開路保護。

然而，Grau Elektronik 電源裝置使用 PFC 變壓器解決方案，該解決方案遵循正弦輸入電流曲線，因此具有低波峰因數(shù)和高功率因數(shù) λ，并限度地減少了電路元件。通過使用瞬態(tài)抗元件，電源瞬態(tài)為 1.6 ...2.3 * UE，nenn對于 T <= 0.1 毫秒，也可以處理。