ТРЕХФАЗНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2010 года по МПК H03F3/217 H02P6/14 

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.

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.

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.