ТРЕХФАЗНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
THREE-PHASE AMPLIFIER

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.
A
B
C
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, Z, Z, соединенной в звезду.
a
b
с
max
min
a
b
c
cp
max
min
0
o
0
ср
a
a
o
b
b
o
с
c
o
A
a
B
b
C
с
o
0
o
Работу усилителя можно описать следующим образом. На первые-третьи входы блоков 5 и 6 поступают сигналы u, u, u с источника 1 сигналов. На выходах блоков 5 и 6 вырабатываются максимальное u и минимальное u значения напряжений u, u, u, которые поступают на блок 7. С его выхода сигнал, равный u=(u+u)/2, поступает на первый вход сумматора 11 и вычитается из постоянного сигнала U/2k блока 12. На выходе сумматора 11 образуется сигнал φ=U/2k-u, который поступает на вторые входы сумматоров 8-10. На их выходах образуются сигналы φ=u+φ; φ=u+φ, φ=u+φ, которые поступают на входы однофазных усилителей 2, 3, 4, с выходов которых потенциалы φ=kφ, φ=kφ, φ=kφ поступают на трехфазную нагрузку. Сигнал φ поступает на вход усилителя 13, с выхода которого потенциал, равный φ=kφ, поступает на нейтральную точку нагрузки, где k - коэффициент усиления однофазных усилителей 2, 3, 4 и усилителя 13.
о
a
b
c
A
a
B
b
C
с
0
о
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, φ, φ и φ, 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=kφ, φ=kφ, φ=kφ поступают на трехфазную нагрузку и потенциал φ=kφ поступает на нейтральную точку нагрузки.
0
a
m
b
m
c
m
m
a
b
c
cp
A
B
c
0
0
A
B
C
0
m
0
A
A
0
a
B
B
0
b
C
C
0
c
При условиях U=200 В, k=100 и u=Usinωt, u=Usin(ωt-2π/3), u=Usin(ωt-4π/3), U=1,15 В входные сигналы u, u, u и сигнал u изображены на фиг.3, а. Потенциалы φ, φ, φ и φ изображены на фиг.3, б, на которой видно, как изменяется потенциал нейтральной точки φ и как в каждый момент времени максимальное и минимальное значения потенциалов φ, φ, φ симметрично расположены относительно уровня U/2, и что при U=1,15 В они достигнут напряжения питания U. На фиг.3, в изображены напряжения на фазах u=φ-φ=ku, u=φ-φ=ku, u=φ-φ=ku, 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.
0
a
m
b
m
c
m
m
a
b
c
cp
A
B
C
0
0
A
B
C
0
m
0
При условиях U=200 В, k=100 и при сигналах на выходах трехфазного источника u=Usinωt-0,4sin3ωt, u=Usin(ωt-2π/3)-0,4sin3ωt, u=Usin(ωt-4π/3)-0,4sin3ωt, U=1,15 В входные сигналы u, u, u и сигнал u изображены на фиг.3, а. Потенциалы φ, φ, φ и φ изображены на фиг.3, б, на которой видно, как изменяется потенциал нейтральной точки φ и как в каждый момент времени максимальное и минимальное значения потенциалов φ, φ, φ симметрично расположены относительно уровня U/2, и что при U=1,15 В они достигнут напряжения питания U. На фиг.3, в изображены напряжения на фазах
a
A
0
a
B
B
0
b
C
C
0
c
u=φ-φ=ku, u=φ-φ=ku, u=φ-φ=ku,
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.