DE2543537C3

DE2543537C3 - Anordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators

Info

Publication number: DE2543537C3
Application number: DE2543537A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl.-Ing. 8019 Abersdorf Hufnagel
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1975-09-30
Filing date: 1975-09-30
Publication date: 1979-05-17
Also published as: IT1073313B; NL7607777A; BE846491A; DE2543537B2; DE2543537A1; US4079445A; FR2326735A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators, der aus mehreren auf eine Sammelschiene aufschaltbaren Generatormockilen besteht, mit einer Logikschaltung, die je nach Leistungsbedarf einer zu versorgenden Last eine bestimmte Anzahl ungeregelter Generatormodule mit der Sammelschiene verbindet, und ferner mit einem Regler zum Ausregeln der Spannung innerhalb der einzelnen, durch die Anzahl der mit der Sammelschiene verbundenen Generatormodule bestimmten Leistungsstufen.

Bei Solargeneratoren oder Generatoren aus Brennstoffzellen, die in einem Satelliten eingesetzt sind und eine hohe Leistung abgeben, ist es nicht mehr möglich, diese Leistung zentral aufzubereiten. Die zu Beginn der Mission des Satelliten vorhandene Oberschußleistung im Vergleich zu der am Ende der Mission vorhandenen Leistung muß in Wärme umgesetzt und abgestrahlt werden. Zentrale Regler hierfür müßten jedoch Verlustleistungen in der Größe von einem Kilowatt aufbringen, die aber sehr schwer und daher für die Mission nicht geeignet sind. Für ein Projekt ist vorgeschlagen worden, den Solargenerator in mehrere Generatormodule zu zerlegen (Druckschrift der Fa Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, »Phase I Report, AERONAUTICAL SATELLITE SYSTEM, DEFINI-TION AND PREDEVELOPMENT OF THE SATELLITE PAYLOAD«, 19. May 1972, a 2-91 bis 2-97}. Auf eine Sammelschiene werden nur so viele Generatormodule geschaltet, um den momentanen Leistungsbedarf der Bordsysteme der Satelliten decken zu können, während die anderen Genetatormodule kurzgeschlossen werden. Schwankungen zwischen den so erhaltenen diskreten Leistungsstufen werden durch einen Parallelregler ausgeglichen, der die Spannung an der Sammelschiene zentral konstant hält

•5 Das erwähnte Konzept ist vorteilhaft dann anzuwenden, wenn die in den Bordsystemen übertragene Leistung und die Spannung an der Sammelschiene nicht sehr hoch ist Reichen jedoch die Spannungswerte über 1000 Volt hinaus, so muß zum einen in den einzelnen Generatormodulen der bei dem Kurzschluß verursachte Wärmeüberschuß abtransportiert werden, zum anderen muß wegen der Kennlinie der Solargeneratoren in dem Parallelregler wesentlich mehr Wärme umgesetzt werden als z. B. in einem Serienregler.

Außerdem sind bei der erwähnten Konzeption keine Angaben vorhanden, wie die Schwierigkeiten bei Anwendung von Wechselspannungssystemen hoher Leistung überwunden werden können, da auch die Wechselspannung kaum zentral aufbereitet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine neue Anordnung zur Spannungsregelung und Leistungsübertragung in Stromversorgungseinheiten in Satelliten anzugeben, bei der die Verluste klein gehalten sind und die eine einfache und zuverlässige Schaltungsanordnung gewährleisten.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Regler als Serienregler für ein einziges ständig mit der Sammelschiene verbundenes Generatormodul ausgebildet ist und eine derart hohe

Regelkreisverstärkung aufweist, daß die Quellimpedanz

dieses Generatormoduls wesentlich kleiner als diejenige der übrigen Generatormodule ist

Die Erfindung geht demnach von der Überlegung aus,

daß einerseits nur stromprägende aktive Zweipole, in diesem Fall die einzelnen Generatormodule, rückwirkungsfrei parallel geschaltet werden können; dies ist andererseits jedoch nicht mit der bei der Energieaufbereitung bestehenden Forderung nach Spannungskonstanz vereinbar. Erst durch die vorgeschlagene seriell entkoppelte Spannungsregelung eines Generatormoduls, dessen Quellimpedanz durch entsprechend hohe Auslegung der Regelkreisverstärkung sehr niedrig gewählt ist, und direkte, d. h. ungeregelte Einspeisung der weiteren Generatormodule auf diesen geregelten Ausgang nach Maßgabe des Leistungsbedarfes der Bordsysteme des Satelliten erzwingt die notwendige Spannungskonstanz und rückwirkungsfreie Zusammenschaltung der einzelnen Generatormodule.

Die Einspeisung der ungeregelten Generatormodule erfolgt im stromprägenden Bereich der Kennlinie, so daß die Quellimpedanz jedes ungeregelten zugeschalteten Generatormoduis im Arbeitspunkt wesentlich größer als die künstlich niedrig gehaltene Quellimpedanz des geregelten Generatormoduls ist; im allgemeinen wird das Verhältnis so gewählt, daß die Quellimpedanz des stabilisierten Moduls durch den Regelinnenwiderstand eines Regelverstärkers zu 50 Milliohm

gewählt wird, während ein typischer Wert für die Quellimpedanz von Generatormodulen mit 400 Watt Ausgangsleistung 50 Ohm ist

Der Wirkungsgrad einer Spannungsregelung gemäß der Erfindung ist sehr hoch, da durch die insgesamt nur geringe Fehlanpassung der von dem Generator lieferbare Strombetrag bei der festgehaltenen Ausgangsspannung eine Leistung ergibt, die auch bei einem direkt eingespeisten Generatormodul im nicht degradierten Zustand nur wenige Prozent unter der Maximaileistung liegt Trotz Verlustregelung ist auf diese Weise ein hoher Gesamtwirkungsgrad zu erreichen, der mit zunehmender Anzahl der Generatormodule den Fehlanpassungswirkungsgrad eines direkt einzuspeisenden Generatormoduls von etwa 97% erreicht

Der Gesamtaufwand für eine Energieaufbereitung gemäß der Erfindung bei festgehaltener konstanter Spannung ist sehr gering, so daß z. B. für die Regelung von einem Solargenerator, der aus 16 Generatormodulen besteht, die im nichtdegradierten Zustand jeweils 400 Watt abgeben, nur ein Serienregler für 400 Watt für eines der Generatormodule und eine lastabhängig arbeitende Automatik notwendig ist Die Lastautomatik arbeitet dabei so, daß bei steigendem Leistungsbedarf ein weiteres Generatormodul auf die Sammelschiene zugeschaltet und bei sinkendem Leistungsbedarf ein Generatormodul von der Sammelschiene abgeschaltet wird. Die Automatik wird hierbei von dem Regler angesteuert und zwar derart, daß ein weiteres Generatormodul zugeschaltet wird, wenn die ungeregelte Eingangsspannung gleich der geregelten Äusgangsspannung wird, und daß ein Generatormodul abgeschaltet wird, wenn der Strombeitrag des Serienreglers gegen Null geht

Falls für die Bordsysteme Wechselspannungen benötigt werden, wird jedem der Generatormodule ein Zerhacker zugeordnet, die von einer lastabhängigen Automatik taktgesteuert werden. Hierbei werden nicht die einzelnen Generatormodule im Leistungszweig anoder abgeschaltet, sondern die jeweils benötigten Zerhacker werden simultan mit dem Zu- bzw. Abschalten vom Verbraucht ι «^gesteuert bzw. durch Wegnahme des Steuertaktes außer Betrieb gesetzt Die Übertragung der so aufbereiteten Leistung bei konstanter Spannung an die Bordsysteme der Systeme geschieht vorzugsweise über Drehtransformatoren.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind an Hand der Zeichnung näher erläutert Im einzelnen stellen dar

F i g. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Gleichspannungsregelung eines Solargenerators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 2 ein Stromlaufdiagramm eines Serienreglers für eine Anordnung gemäß der Fig. 1;

Fig.3 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles der Erfindung für ein Wechselspannungssystem.

Ein Solargenerator zur Versorgung von Bordsystemen L eines Satelliten ist aus mehreren Generatonnodulen li, I2,... I_n aufgebaut die zueinander parallel auf eine gemeinsame Sammelschiene 2 geschaltet sind. Ein weiteres Generatormodul l_r ist über einen Serienregler 3 ebenfalls mit der Sammelschiene 2 verbunden. Die einzelnen Generatormodule I₁ bis I_n sind jeweils mittels eines Schalters 4|, 42,... 4„ an die Sammelschiene gelegt, wobei die Schalter durch eine Logikschaltung 5 anzusteuern sind. Die Logikschaltung 5 schaltet so viele Generatormodule I₁ bis I_n auf die Sammelschiene 2 auf, daß der Leistungsbedarf der Bordsysteme L des Satelliten gedeckt ist Da diese Aufschaltung durch die endliche Anzahl der Generatormodule nur in Stufen möglich ist verbleibt im allgemeinen eine Oberschußleistung, die mittels des Serienreglers 3 ausgeregelt wird.

Die einzelnen Generatorrnodule Ii bis I₀ weisen, da der Arbeitspunkt bei der festgehaltenen Spannung im stromprägenden Bereich der Strom-Spannungs-Kennlinie liegend gewählt ist eine hohe QueUimpedanz auf, die etwa für Generatormodule von 400W Leistung bei 140 V Ausgangsspannung 50 Ohm beträgt Durch die Parallelschaltung hochohmiger Generatormodule ist die Stabilität des Gesamtgenerators und gleichmäßige Lastaufteilung unter den Generatormodulen in hohem Maße gesichert

Zur Spannungsstabilisierung ist der mit dem letzten Generatormodul l_r verkoppelte Serienregler 3 vorgesehen, der durch hohe Regelkreisverstärkung eine niedrige dynamische QueUimpedanz erzeugt, wobei durch entsprechende Auslegung des Serienreglers die QueUimpedanz zu etwa einem Tausendstel derjenigen jeder der übrigen Generatormodule gewählt wird Auf diese Weise ist es möglich, daß alle Generatormodule im eingeschwungenen Zustand direkt ohne weitere Verlustregler auf den geregelten Ausgang stromprägend arbeiten Als Oberschußenergie tritt maximal die in einem Generatormodul anfallende Leistung auf.
Der Serienregler besteht aus einem Längsstellglied 31, einem Regelverstärker 32 und einer Differenzschaltung mit einem vorgespannten Differenzverstärker 33, dem mittels eines Spannungsteilers aus Widerständen 34 und 35 ein Teil der Ausgangsspanpung an seinen einen Eingang zugeführt ist während an den weiteren Eingang mittels einer Zenerdiode ZD eine Referenzspannung angelegt ist

Der Serienregler besteht im einzelnen aus einer Komplementärdarlingtonstufe als Längsstellglied 31 mit komplementären, in Kaskade geschalteten Transistören Γι und 7*2 und einem mittels der Zenerdiode ZD vorgespannten Steuertransistor T₃, dessen Basis an den Mittelpunkt des aus den obengenannten Widerständen 34 und 35 gebildeten Spannungsteilers geschattet ist Wie in der Fig.2 angedeutet sind die übrigen Generatormodule direkt auf die Sammelschiene 2 geschaltet In dem aus der komplementären Darlingtonstufe gebildeten Längsstellglied 31 wird die jeweils überschüssige Leistung in bekannter Weise vernichtet
Falls der Leistungsbedarf der Bordsysteme L steigt

so so wird, falls die vorhandenen, auf die Sammelschiene 2 aufgeschalteten Generatormodule diesen Leistungsbedarf nicht mehr decken können, der Spannungsabfall am Serienregler unter Null absinken. In diesem Fall wird an einen Eingang E\ der Logikschal lung ein Signal gegeben, wodurch ein weiteres Generatormodul auf die Sammelschiene aufgeschaltet wird. Sobald der Leistungsbedarf der Bordsysteme unter die von dem Serienregler auszuregelnde Leistungsstufe sinkt, dh, wenn der Strombeitrag des Serienreglers gegen Null geht wird an einen Eingang E₂ der Logikschaltung ein Signal gegeben, so daß diese ein bisher mit der Sammelschiene 2 verbundenes Generatormodul von dieser trennt.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein digital

b'j geregeltes Wechselspannungssysiem beschrieben; vgl. Fig. 3.

Der Solargenerator ist wiederum aus einzelnen Generatormodulen li, I2,... !,-zusammengesetzt, wobei

jedem einzelnen Generatormodul 1 ein Zerhacker, d. h. Wechselrichter H₁, H₂, — ll_r zugeordnet ist. Ausgangsseitig sind die Wechselrichter 11 über die Sammelschiene auf einen hier nur angedeuteten Doppeldrehtransformator 12 geschaltet, der mit den Bordsystemen s verbunden ist.

Von den einzelnen Generatormodulen sind wieder alle bis auf das Generatormodul l_r ungeregelt, wohingegen letzteres mit dem bereits beschriebenen Serienregler 3 verbunden ist Die einzelnen Zerhacker- to module werden über Steuereingänge i von einem Steueroszillator 13 angesteuert Auf diese Weise wird aus den von den Generatormodulen 1 ungeregelt bzw. geregelt gelieferten Gleichspannungen eine Wechselspannung erzeugt, die über den Doppeidrehtransformator 12 an die Bordsysteme des Satelliten geliefert wird.

Der Serienregler 3 ist mit einer Logikschaltung 14 verbunden, die ähnlich wie die Logikschaltung in der F i g. 1 aufgebaut ist, und zum Zu- bzw. Abschalten der einzelnen Generatormodule 1 auf die Sammelschiene 2 dient. Dieses Zu- und Abschalten erfolgt allerdings nicht, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel im Leistungspfad der Generatormodule, sondern durch Ansteuern der einzelnen Wechselrichter lli bis H_n an deren Kontrolleingängen ei, es,... C_n. Derartige Ansteuerungen von Wechselrichtern sind aus der Raumfahrt bereits bekannt und brauchen daher nicht weiter beschrieben zu werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators, der aus mehreren auf eine Sammelschiene aufsichaltbaren Generatormodulen besteht, mit einer Logikschaltung, die je nach Leistungsbedarf einer zu versorgenden Last eine bestimmte Anzahl ungeregelter Generatormodule mit der Sammelschiene verbindet, und ferner mit einem Regler zum Ausregeln der Spannung innerhalb der einzelnen, durch die Anzahl der mit der Sammelschiene verbundenen Generatormodule bestimmten Leistungsstufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler als Serienregler (3) für ein einziges ständig mit der Sammelschiene (2) verbundenes Generatormodul (l_r) ausgebildet ist und eine derart hohe Regelkreisverstärkung aufweist, daß die Quellimpedanz dieses Gener-tormoduls (l_r) wesentlich kleiner als diejenige der übrigen Generatormodule(libisl„)ist

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellimpedanz des geregelten Generatormoduls (l_r) etwa ein Tausendstel der Quellimpedanz jeder der übrigen Generatormodule (Ii bis I_n) ist

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied im Serienregler (3) eine Komplementärdarlingtonstufe (Tu Ti) vorgesehen ist

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung in Wechselspannungssystemen jedem der Generatormodule (li, I₂,... In·. Ir) ein Wechselrichter (11,, H₂,... H_n; Ur) nachgeschaltet ist, daß diese über einen Steueroszillator (13) mit der gewünschten Periode der Wechselspannung ansteuerbar sind, und daß ferner durch die Logikschaltung (14) über Kontrolleingänge (c\, es,... c„) die ungeregelt auf die Sammelschiene (2) aufgeschalteten Generatormodule (li, I₂,... I_n) je nach Leistungsbedarf der Bordsysteme (L) in Betrieb gesetzt oder abgeschaltet sind.