Трехфазный усилитель

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в инверторах частоты для управления трехфазными синхронными и асинхронными двигателями. Технический результат заключается в увеличении эффективности - возможность усиления неуравновешенной системы напряжений при питании от однополярного источника постоянного напряжения при сохранении расширенной зоны линейности. Схема трехфазного усилителя содержит трехфазный источник сигналов, первый-третий однофазные усилители, блоки формирования максимального и минимального значений, блок формирования среднего значения, первый-четвертый сумматоры, источник постоянного сигнала, четвертый усилитель. 4 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, например, в инверторах частоты для управления трехфазными синхронными и асинхронными двигателями.

Известен трехфазный усилитель, содержащий три однофазных усилителя, питаемых от сети постоянного напряжения и управляемых от трехфазного источника сигналов, предназначенный для питания трехфазной нагрузки, соединенной в звезду без нейтрального провода (см. Герман-Галкин С.Г. Лебедев В.Д. Марков Б.А. Чичерин Н.И. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. Л. Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986, 248 с.) - [1].

Недостатком данного усилителя является то, что напряжения, снимаемые с однофазных усилителей, при некотором их соотношении по отношению к напряжению питания могут быть ограничены по амплитуде, в результате чего срезанные сигналы, питая трехфазную нагрузку, вызовут нелинейные искажения и как следствие снижение диапазона линейности.

Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности и достигаемому результату является трехфазный усилитель, содержащий три однофазных усилителя, питаемых от сети постоянного напряжения и управляемых от трехфазного источника сигналов, блоки формирования максимального, минимального, среднего между ними значений входных сигналов и три сумматора, причем первый-третий выходы трехфазного источника сигналов подключены к первым входам первого-третьего сумматоров и к первым-третьим входам блоков формирования максимального и минимального значений, выходы которых подключены к первому и второму входам блока формирования среднего значения, выход которого подключен ко вторым инвертирующим входам первого-третьего сумматоров, выходы которых подключены к входам первого-третьего однофазных усилителей, выходы которых подключены к трехфазной нагрузке, соединенной в звезду (патент РФ №2101849 С1, кл. Н03F 3/217, Н02P 6/14, 1998) - [2].

Недостатком прототипа является ограниченная эффективность - во-первых, способность работы лишь при равновесных трехфазных сигналах, что не позволяет получить трехфазные усилители с произвольными формами напряжения, и во-вторых, двухполярность питания однофазных усилителей, что не позволяет построить универсальные трехфазные усилители.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в увеличении эффективности - возможность усиления неуравновешенной системы напряжений при питании от однополярного источника постоянного напряжения при сохранении расширенной зоны линейности.

Технический результат достигается тем, что в трехфазной усилитель, содержащий три однофазных усилителя, питаемых от сети постоянного напряжения и управляемых от трехфазного источника сигналов, блоки формирования максимального, минимального и среднего между ними значений входных сигналов и три сумматора, причем первый-третий выходы трехфазного источника сигналов подключены к первым входам первого-третьего сумматоров и к первым-третьим входам блоков формирования максимального и минимального значений, выходы которых подключены к первому и второму входам блока формирования среднего значения, выходы первого-третьего сумматоров подключены к входам первого-третьего однофазных усилителей, выходы которых подключены к трехфазной нагрузке, соединенной в звезду, введены источник постоянного сигнала, четвертый сумматор и четвертый усилитель, причем выход блока формирования среднего значения подключен к первому инвертирующему входу четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного сигнала, а выход подключен ко вторым входам первого-третьего сумматоров и входу четвертого усилителя, выход которого подключен к нейтральной точке нагрузки.

На фиг.1 изображена функциональная схема трехфазного усилителя; на фиг.2 изображена функциональная схема примера выполнения трехфазного усилителя с ШИМ; на фиг.3 изображены графики сигналов в случае равновесных трехфазных сигналов; на фиг.4 изображены графики сигналов в случае неравновесных трехфазных сигналов.

Схема трехфазного усилителя на фиг.1 содержит: 1 - трехфазный источник сигналов; 2-4 - первый-третий однофазные усилители; 5, 6 - блоки формирования максимального и минимального значений; 7 - блок формирования среднего значения; 8-11 - первый-четвертый сумматоры; 12 - источник постоянного сигнала; 13 - четвертый усилитель.

Выходы трехфазного источника 1 сигналов подключены к первым входам сумматоров 8, 9, 10, к первым-третьим входам блока 5 формирования максимального значения и первым-третьим входам блока 6 формирования минимального значения входных сигналов. Выходы блоков 5, 6 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 7 формирования среднего значения, выход которого подключен к первому инвертирующему входу сумматора 11, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного сигнала 12, а выход подключен к входу усилителя 13, выход которого подключен к нейтральной точке нагрузки, выход сумматора 11 подключен ко вторым входам сумматоров 8, 9, 10, выходы которых подключены к входам однофазных усилителей 2, 3, 4, выходы которых подключены к трехфазной нагрузке Z_A, Z_B, Z_C, соединенной в звезду.

Работу усилителя можно описать следующим образом. На первые-третьи входы блоков 5 и 6 поступают сигналы u_a, u_b, u_с с источника 1 сигналов. На выходах блоков 5 и 6 вырабатываются максимальное u_max и минимальное u_min значения напряжений u_a, u_b, u_c, которые поступают на блок 7. С его выхода сигнал, равный u_cp=(u_max+u_min)/2, поступает на первый вход сумматора 11 и вычитается из постоянного сигнала U₀/2k блока 12. На выходе сумматора 11 образуется сигнал φ_o=U₀/2k-u_ср, который поступает на вторые входы сумматоров 8-10. На их выходах образуются сигналы φ_a=u_a+φ_o; φ_b=u_b+φ_o, φ_с=u_c+φ_o, которые поступают на входы однофазных усилителей 2, 3, 4, с выходов которых потенциалы φ_A=kφ_a, φ_B=kφ_b, φ_C=kφ_с поступают на трехфазную нагрузку. Сигнал φ_o поступает на вход усилителя 13, с выхода которого потенциал, равный φ₀=kφ_o, поступает на нейтральную точку нагрузки, где k - коэффициент усиления однофазных усилителей 2, 3, 4 и усилителя 13.

Схема примера выполнения трехфазного усилителя с ШИМ на фиг.2 содержит прежние блоки 1, 5-12 по фиг.1; формирователи 14-17 сигналов ШИМ; 18 - драйвер; 19 - блок силовых ключей. Блоки 1, 5-12 аналогично схеме на фиг.1 вырабатывают сигналы φ_о, φ_a, φ_b и φ_c, которые поступают на входы формирователей ШИМ 14-17, выходы которых подключены к драйверу 18. На его выходах вырабатываются сигналы управления для блока силовых ключей 19, с выходов которых потенциалы φ_A=kφ_a, φ_B=kφ_b, φ_C=kφ_с поступают на трехфазную нагрузку и потенциал φ₀=kφ_о поступает на нейтральную точку нагрузки.

При условиях U₀=200 В, k=100 и u_a=U_msinωt, u_b=U_msin(ωt-2π/3), u_c=U_msin(ωt-4π/3), U_m=1,15 В входные сигналы u_a, u_b, u_c и сигнал u_cp изображены на фиг.3, а. Потенциалы φ_A, φ_B, φ_c и φ₀ изображены на фиг.3, б, на которой видно, как изменяется потенциал нейтральной точки φ₀ и как в каждый момент времени максимальное и минимальное значения потенциалов φ_A, φ_B, φ_C симметрично расположены относительно уровня U₀/2, и что при U_m=1,15 В они достигнут напряжения питания U₀. На фиг.3, в изображены напряжения на фазах u_A=φ_A-φ₀=ku_a, u_B=φ_B-φ₀=ku_b, u_C=φ_C-φ₀=ku_c, которые представляют трехфазные синусоиды с амплитудой 115 В.

Таким образом, при трехфазных идеальных синусоидах диапазон линейности увеличен как и в прототипе на 15%, но при однополярном питании.

При условиях U₀=200 В, k=100 и при сигналах на выходах трехфазного источника u_a=U_msinωt-0,4sin3ωt, u_b=U_msin(ωt-2π/3)-0,4sin3ωt, u_c=U_msin(ωt-4π/3)-0,4sin3ωt, U_m=1,15 В входные сигналы u_a, u_b, u_c и сигнал u_cp изображены на фиг.3, а. Потенциалы φ_A, φ_B, φ_C и φ₀ изображены на фиг.3, б, на которой видно, как изменяется потенциал нейтральной точки φ₀ и как в каждый момент времени максимальное и минимальное значения потенциалов φ_A, φ_B, φ_C симметрично расположены относительно уровня U₀/2, и что при U_m=1,15 В они достигнут напряжения питания U₀. На фиг.3, в изображены напряжения на фазах

u_a=φ_A-φ₀=ku_a, u_B=φ_B-φ₀=ku_b, u_C=φ_C-φ₀=ku_c,

которые изменяются от -150 В до 150 В.

Таким образом, благодаря введению источника постоянного сигнала, четвертого сумматора и четвертого усилителя трехфазный усилитель способен работать при неуравновешенных законах изменения трехфазных напряжений при питании от однополярного источника постоянного напряжения при сохранении расширенной зоны линейности.

Трехфазный усилитель для питания трехфазной нагрузки, соединенной в звезду, содержащий три однофазных усилителя, питаемых от сети постоянного напряжения и управляемых от трехфазного источника сигналов, блоки формирования максимального, минимального и среднего между ними значений входных сигналов и три сумматора, причем первый-третий выходы трехфазного источника сигналов подключены к первым входам первого-третьего сумматоров и к первым-третьим входам блоков формирования максимального и минимального значений, выходы которых подключены к первому и второму входам блока формирования среднего значения, выходы первого-третьего сумматоров подключены к входам первого-третьего однофазных усилителей, выходы которых подключены к трехфазной нагрузке, соединенной в звезду, отличающийся тем, что в него введены источник постоянного сигнала, четвертый сумматор и четвертый усилитель, причем выход блока формирования среднего значения подключен к первому инвертирующему входу четвертого сумматора, второй вход которого подключен к выходу источника постоянного сигнала, а выход подключен ко вторым входам первого-третьего сумматоров и ко входу четвертого усилителя, выход которого подключен к нейтральной точке нагрузки.