ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДС/АС

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к преобразователям энергии постоянного тока на входе в энергию переменного многофазного тока на выходе, в частности в двух или трех фазные переменные напряжения, сдвинутые между собой на любые программно заданные углы, далее ДС/АС. Предпочтительнее использование в легкомоторной авиации (ЛА), где на борту имеется только напряжение 12 или 24 В от аккумуляторов, а требуется для питания гироскопа (авиагоризонта) трехфазное переменное напряжение 36 В 400 Гц, фазы которых сдвинуты между собой на 120°.
В настоящее время ЛА получила широкое распространение во всем мире, так в США и Канаде общее количество легких самолетов частного пользования достигает нескольких сот тысяч. В РФ этот вид авиации также начал успешно развиваться. Следует заметить, что даже легкомоторные самолеты очень дороги, дороже престижных автомобилей, поэтому разработчики и изготовители экономят на чем только возможно, в том числе и на приборном оборудовании; в обозримом будущем самолеты ЛА вряд ли станут дешевле. Поэтому в самом легком классе ЛА (на 2-5 человек), а также в спортивных самолетах ставится минимумом пилотажного и другого оборудования, так не ставятся авиагоризонты (АГ), что автоматически предусматривает проведение полетов только в условиях прямой видимости земли. Отсюда и уменьшение электрооборудования ЛА: не ставятся на валу авиадвигателей и генераторы спецтоков: переменного напряжения трехфазных 36 В 400 Гц или 115 В 1000 Гц, без которых невозможна запитка гиромоторов АГ. Такое положение и приемлемо возможно для районов, в которых большое количество солнечных дней в году: Средняя Азия, Северный Кавказ, юг Украины, но для большинства районов РФ: Север, Урал, Сибирь и Дальний Восток неприемлемо, т.к. большее время года самолеты без АГ будут стоять на приколе,
а летать надо. Но проведение и разрешение полетов определяются «Нормами летной годности», в которых регламентируется «минимум погоды», т.е. при каких погодных условиях тот или иной конкретный тип самолета может производить полеты. Конечно для самолетов без АГ полеты в облачности, в ночное время, в тумане категорически запрещены. Поэтому напрашивается применение на таких самолетах АГ с запиткой от сети постоянного тока с преобразованием (получением) в 3-х фазное переменное напряжение 36 В 400 Гц, что незначительно удорожает стоимость самолета, но не требует установки дополнительных дорогостоящих генераторов переменного напряжения, которые к тому же должны ставится на валу двигателя самолета, что требует его доработки, отбирать от него мощность, затем нужно прокладывать дополнительный фидер на приборную доску, далее встает вопрос безопасности полета (планирования) при отказе двигателя и т.д.
Известны преобразователи напряжения постоянного тока +27 В в 3-х фазное переменное 36 В 400 Гц, типа ПТ-250 или ПТ-500, см. «Техническое описание ПТ-250 и ПТ-500», М, Машиностроение, 1972 г.
Недостатками данных преобразователей являются:
- высокие габаритно-массовые характеристики (ГМХ), вес до 10 кг при выходной мощности 250 Вт;
- сложность и ненадежность электрической схемы, т.к. они электромеханического типа.
Поэтому их установка на легких самолетах абсолютно неприемлема.
При современном уровне электроники гораздо проще поставить преобразователь постоянного напряжения в переменное для запитки АГ.
Известен преобразователь, см. ж. Радио, №7, 2000, стр.37-38, в котором 3-х фазное переменное напряжение получают путем последовательного включения в однофазное напряжение емкости и дросселя, к средней точке которых и к их крайним точкам подключают обмотки двигателя, соединенные треугольником.
Данное устройство рассчитано на ~220 В/ 50 Гц, но его легко пересчитать и на 36 В/ 400 Гц.
К недостаткам его относятся: нужно вначале получить первичное переменное однофазное напряжение, что требует определенных затрат, далее стабильность выдерживания сдвига фаз оставляет желать лучшего, особенно при изменении температуры окружающего воздуха от -40 до +60°С, что может привести к выходу из строя гиромотора АГ или как минимум к потере числа оборотов, а следовательно к завалу гироскопа АГ при эволюциях самолета.
Известен генератор-формирователь, по существу преобразователь ДС/АС, преобразующий энергию постоянного тока в энергию переменного тока 36 В 400 Гц, см. ж. Радио, №1, 1999, стр.54-55, в котором формируется трехфазная последовательность импульсов с точной и постоянной фазировкой, которая управляет ключевыми каскадами на транзисторах, а те, в свою очередь, обмотками электродвигателя - ПРОТОТИП.
К недостаткам прототипа относятся:
- большая погрешность выдерживания частоты из-за применения в задающем генераторе RC-цепочки, особенно при изменении окружающей температуры в широких пределах от минус -60°С до +60°С (как в авиации);
- форма переменного напряжения прямоугольная со скважностью=2, а такая форма ведет к низкому КПД и главное к перегреву электродвигателя гиромотора, что в ряде случаев просто недопустимо, т.к. на эти двигатели искажение формы 3-х фазного напряжения не должно превышать 8%, а при прямоугольном напряжении искажение доходит до 30%.
Технической задачей полезной модели является повышение качества преобразования, а именно повышение КПД преобразования и получение квазисинусоидальной формы преобразованного напряжения 36 В 400 Гц.
С этой целью предлагается преобразователь ДС/АС, содержащий источник энергии постоянного тока на входе и три шины источника энергии переменного
трехфазного напряжения на выходе, отличающийся тем, что содержит первый и второй ДС/ДС, ШИМ-контроллер, первый, второй и третий операционные усилители (ОУ), первый, второй и третий усилители мощности со следующими соединениями: источник энергии постоянного тока соединен с входами первого и второго ДС/ДС, выход первого ДС соединен с входом питания ШИМ-контроллера, выход второго ДС/ДС соединен с входами питания первого, второго и третьего ОУ и первого, второго и третьего усилителей мощности; первый, второй и третий выходы ШИМ-контроллера соединены с входами первого, второго и третьего ОУ соответственно, а выход высокой частоты ШИМ-контроллера соединен с входом управления второго ДС/ДС; выходы первого, второго и третьего ОУ соединены с входами первого, второго и третьего усилителей мощности соответственно, выходы которых являются выходами преобразователя; выход напряжения ВЧ с ШИМ-контроллера имеет две шины, напряжения на которых сдвинуты между собой на 180° по фазе; на входе каждого операционного усилителя стоит интегрирующая цепочка; каждый усилитель мощности выполнен на р-п-р и п-р-п транзисторах плюсового и минусового плеча соответственно, причем транзисторы каждого плеча соединены по каскадной схеме, а общая выходная точка усилителя мощности через R-C параллельную цепочку шиной обратной связи соединена с входом своего операционного усилителя; каждый операционный усилитель включен по масштабной инвертирующей схеме.
На фиг.1 изображена структурная схема преобразователя, на фиг.2, 3 и 4 - принципиальные схемы его узлов, на которых изображено: 1 - первый преобразователь постоянного напряжения в постоянное (ДС/ДС), 2 - второй ДС/ДС, 3 - ШИМ-контроллер, 4, 5 и 6 - первый, второй и третий операционные усилители (ОУ) соответственно, 7, 8 и 9 - первый, второй и третий усилители мощности (УМ) соответственно, входная шина +12 В и выходные шины 3-х фазного напряжения 36 В 400 Гц.
Преобразователь имеет следующие соединения.
Источник энергии постоянного тока соединен с входами первого и второго ДС/ДС 1 и 2, выход первого ДС 1 соединен с входом питания ШИМ-контроллера 3, выход второго ДС/ДС 2 соединен с входами питания первого, второго и третьего ОУ 4, 5, 6 и первого, второго и третьего усилителей мощности 7, 8, 9; первый, второй и третий выходы ШИМ-контроллера 3 соединены с входами первого, второго и третьего ОУ 4, 5, 6 соответственно, а выход высокой частоты ШИМ-контроллера 3 соединен с входом управления второго ДС/ДС 2; выходы первого, второго и третьего ОУ 4, 5, 6 соединены с входами первого, второго и третьего усилителей мощности 7, 8, 9 соответственно, выходы которых являются выходами преобразователя.
Преобразователь может быть выполнен на следующих электрорадиоэлементах. Первый ДС/ДС - на ИМС серии 142, см. Справочник. Интегральные микросхемы, М, РадиоСофт, 2001, стр.447-450. Второй ДС/ДС представляет собой миниатюрный импульсный источник питания повышающий - собственной разработки. ШИМ-контроллер - на ИМС MSP 430F14XIPM фирмы Motorola, см. Российский сервер. Сектора полупроводниковых компонентов компании Моторола www.motro.ru. Первый, второй и третий операционные усилители - на ИМС 140УД17, см. Справочник. Интегральные микросхемы, М, РадиоСофт, 2001, стр.43. Первый, второй и третий усилители мощности на транзисторах 2Т825 и 2Т826, см. Справочник. Полупроводниковые приборы, М, Р и С, 1994, стр.214 и 71 соответственно.
Преобразователь ДС/АС работает следующим образом. При включении напряжения +12 В на вход первого и второго ДС/ДС 1 и 2, первый ДС/ДС преобразует напряжение +12 В в +3,3 В на стабилизаторе напряжения DA2 (фиг.2) для питания ШИМ-контроллера 3, который при этом начинает вырабатывать импульсные последовательности f и  частотой 40 кГц, сдвинутые между собой на 180° по фазе. Эти последовательности поступают на второй ДС/ДС 2, где управляют силовыми полевыми транзисторами VD1 и VD2, переключая их с частотой 40 кГц, эти транзисторы совместно с повышающим трансформатором U1,
источником питания +12 В и вторичными обмотками с выпрямительными диодами и фильтрами образуют импульсный источник питания. Полученные на втором ДС/ДС напряжения ±18 В поступают на шины питания первого, второго и третьего операционных усилителей и усилителей мощности. ШИМ-контроллер 3 вырабатывает на своих выходах четырестагерцовые импульсные последовательности 400 Гц А, 400 Гц В и 400 Гц С, которые являются цифро-аналоговыми ШИМ-последовательностями. Каждая последовательность поступает на свой операционный усилитель: 400 Гц А на первый ОУ, 400 Гц В - на второй ОУ, 400 Гц С - на третий ОУ. На входах этих ОУ стоят интегрирующие цепи R1, C1 (фиг.4), на выходах которых имеем чистые синусоидальные напряжения, эти полученные напряжения усиливаются указанными операционными усилителями и раскачивают усилители мощности 7, 8 и 9 соответственно до напряжения 36 В. Отрицательная обратная связь с выхода каждого усилителя мощности на инверсный вход своего ОУ служит для повышения устойчивости работы выходных каскадов.