DE3403895C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-OS 31 42 304 bekannt. Der Solargenerator wird hierbei als Spannungsquelle mit konstanter Spannung verwendet, d. h. mit einem Arbeitspunkt, der auf dem spannungsprägenden Teil einer Solargeneratorkennlinie bzw. auf einem, diesen spannungsprägenden Teil verlängernden Ast liegt, der nicht der charakteristischen Kennlinie eines Solargenerators folgt. Die charakteristische Strom/Spannungskennlinie eines Solargenerators weist einen Kennlinienteil mit Stromprägung und einen Kennlinienteil mit Spannungsprägung aus, die in einem relativ engen Bereich ineinander übergehen, in dem der Punkt maximaler Leistung liegt. Bei der bekannten Schaltungsanordnung wird die Spannung des Solargenerators geschaltet über einen Transformator geleitet und anschließend gefiltert und geglättet. Die Schaltfrequenz ist hierbei einstellbar, jedoch für den Betrieb des Solargenerators vorgegeben. Diese bekannte Schaltungsanordnung kann mit relativ niedrigen Schaltfrequenzen betrieben werden und stellt dann eine Gleichspannungsquelle mit geringem Innenwiderstand für eine anzuschließende Last dar.

Bei dieser bekannten Schaltungsanordnung wird der Solargenerator durch zwei Schalter abwechselnd mit unterschiedlicher Polarität mit jeweils einer Primärwicklung des Transformators verbunden. Zwischen den einzelnen Schaltvorgängen der beiden Schalter wird eine Lücke freigelassen, deren Dauer so gewählt ist, daß während dieser Zeit das gesamte System von selbst mit der ihm eigenen Resonanzfrequenz auf die jeweils entgegengesetzte Polarität umschwingt. Während dieser Lückzeit sind beide Schalter geöffnet, so daß auch der Solargenerator nicht an den Transformator angeschlossen ist.

Eine ähnliche Schaltungsanordnung ist aus der Siemens-Zeitschrift, 1971, Heft 10, S. 688, Fig. 6, bekannt. Auch bei dieser Schaltungsanordnung wird der Solargenerator, hier eine kleine Solarbatterie für den Betrieb von Kofferradios o. dgl., ebenfalls als Spannungsquelle mit konstanter Spannung verwendet. Hierzu ist der Solarbatterie parallel ein Kondensator mit hohem Kapazitätswert nachgeschaltet. Die Schaltfrequenz des einzigen Schalters wird durch ein RC-Glied bestimmt. Diese Schaltungsanordnung ist als Transistorzerhacker für geringe Leistungen geeignet, kann jedoch in dieser Form für Solargeneratoren nicht verwendet werden, mit denen z. B. Wanderfeldröhren-Verstärker von geostationären Nachrichtensatelliten versorgt werden können, die z. B. für Fernsehübertragungen o. dgl. bereitgestellt werden.

Aus dem Buch von H. K. Köthe "Praxis solar- und windelektrischer Energieversorgung", VDI-Verlag, 1982, S. 218-220, ist ein Anpassungswandler für Solargeneratoren bekannt, mit dem erreicht wird, daß der Solargenerator sich auf einem Arbeitspunkt seiner Kennlinie befindet, der dem Punkt maximaler Leistung entspricht. Das Verfahren besteht darin, daß eine Suchschwingung den Regler zwischen zwei Punkten gleicher Leistung arbeiten läßt, die symmetrisch zum Punkt der maximalen Leistung des Solargenerators liegen. Die Eingangsimpedanz der Schaltungsanordnung kann hierbei durch das Tastverhältnis zwischen Ein- und Ausschaltzeit eingestellt werden. Um aus dem Ausgangssignal dieser Schaltungsanordnung eine Gleichspannung konstanten Niveaus zu erreichen, muß ein zusätzlicher Regler eingesetzt werden. Der Schaltungsaufwand wird dadurch hoch.

Aus der Zeitschrift ELEKTRONIK, 1969, Heft 3, S. 73, ist für kleine Solarbatterien, z. B. zur Stromversorgung von Transistorradios, ein nach dem Resonanzprinzip arbeitender Gegentaktwandler mit einem Transformator bekannt, der auf der Sekundärseite eine sinusförmige Wechselspannung liefert, die dann mit Hilfe eines Elektrolytkondensators geglättet wird. Auch diese Schaltungsanordnung ist für hohe Leistungen nicht geeignet, da der Aufwand für die Gleichrichtung und Glättung der sinusförmigen Wechselspannung erheblich wäre.

Um mit Solargeneratoren von geostationären Satelliten auch hohe Gleichspannungen mit niedrigem Quellwiderstand bereitstellen zu können, so z. B. für die erwähnte Fernseh- bzw. Nachrichtenübertragung, wird üblicherweise aus dem Solargenerator zunächst über sog. Shunt-Regler eine Quelle besserer Spannungskonstanz mit niedrigem Quellwiderstand gemacht. Anschließend wird die abgegebene Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umgeformt und auf das gewünschte Spannungsniveau transformiert. Da der Spannungsregler und der Umformer einigen räumlichen Abstand voneinander haben, ist eine verlustreiche und aufwendige Nachregelung unvermeidlich. Außerdem wird durch diese Trennung von Regler und Umformer das Gewicht der gesamten Schaltungsanordnung recht hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die auch bei Solargeneratoren mit hohen Leistungen mit nur geringen Verlusten eingesetzt werden kann, die außerdem kleinbauend ist und somit ein für eine Weltraumanwendung vorteilhaftes geringes Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß wird der Quellwiderstand des Solargenerators innerhalb des Zweipunktreglers als Ohmsches Längselement verwendet und der Solargenerator in einem Arbeitspunkt innerhalb des stromprägenden Bereiches seiner Kennlinie betrieben. Durch die Bemessung des Kapazitätswertes des kapazitiven Speichers und eines nur schmalen Spannungsbereiches für das Umschaltkriterium, wodurch sich eine hohe Schaltfrequenz des Zweipunktreglers ergibt, wird eine Schaltungsanordnung mit niedrigem Quellwiderstand zur Verfügung gestellt.

Bei Solargeneratoren wird eine solche im Prinzip einfache Zweipunktregelung nicht angewandt, da der sich ändernde Quellwiderstand als Nachteil angesehen wird, der in die geregelte Ausgangsspannung eingeht und dort mit Aufwand beseitigt werden müßte.

Für die Hochtransformierung der Ausgangsspannung ist aber gerade eine derartige Zweipunktregelung von Vorteil, da die Zweipunktregelung alternierende Vorgänge, d. h. das Schalten zwischen einer Minimum-Spannungsschwelle und einer Maximum-Spannungsschwelle auslöst. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, den Solargenerator mit dem Schalter des Serien-Zweipunktreglers einerseits und den kapazitiven Speicher mit der parallelgeschalteten Last andererseits transformatorisch zu entkoppeln. Das Über­ tragungsverhältnis des Transformators ist dabei so gewählt, daß die gewünschte hohe Ausgangsspannung erreicht wird. Die Kapazität auf der Sekundärseite des Transformators transformiert sich mit dem Übertragungsverhältnis auf die Primärseite und tritt dort in Wechselwirkung mit dem Solargenerator.

An sich ergibt eine solche Schaltungsanordnung noch nicht den gewünschten niedrigen Quellwiderstand. Der dynamische Innenwiderstand R _i der gesamten Anordnung ist gegeben durch das Differential von Strom und Spannung dU/dI, wobei die Phasen hierbei vernachlässigt sind. Da im Schaltzyklus die zugeführte Ladung gleich der abgeführten Ladung sein muß, kann der Innenwiderstand R _i angenähert werden durch das Verhältnis der Entladezeit Δ t zu der Kapazität C, d. h. R _i ≈ Δ t/C. Durch Wahl einer kürzeren Entladezeit, d. h. durch Wahl einer hohen Schaltfrequenz des Serien-Zweipunktreglers, und einen hinreichend großen Kapazitätswert des kapazitiven Speichers kann der Innenwiderstand der Anordnung, und damit der Quellwiderstand der zur Verfügung gestellten Stromquelle klein gemacht werden.

Der Transformator zur Hochtransformierung der Spannung wird bevorzugt als Gegentakt-Wandler ausgebildet. Ausgangs­ seitig wird die parallelgeschaltete Kapazität über eine Gleichrichterschaltung, z. B. eine Vierweg- Diodenschaltung angeschlossen.

Bei einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist die Spannungsregelung und die Hochtransformierung der Spannung quasi verlustlos und die Regelung erfolgt im stromprägenden Bereich der Kennlinien. Wird vom Solar­ generator eine Überschußleistung über die benötigte Leistung angeboten, so bleibt diese Überschußleistung als Fehlanpassungsverlust im Solargenerator. Durch die ohmisch kapazitive Natur der Transformierung bzw. Umsetzung der Spannung hat die Regelstrecke optimale Dynamik und keinerlei Kommutierungsprobleme. Durch die Verbindung von Regelung, Umsetzung und Solargenerator können die Ausmaße und das Gewicht der Gesamtschaltungs­ anordnung gegenüber herkömmlichen Geräten stark, bis etwa auf die Hälfte vermindert werden. Durch die Herein­ nahme des Generators in das Regelungs-/Umsetzprinzip ist diese Schaltungsanordnung allerdings nur an einer Spannungs­ quelle mit entsprechenden Kennlinieneigenschaften betreibbar.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellt dar

Fig. 1 ein Kennliniendiagramm für Strom und Spannung einer Solarzelle eines Solargenerators;

Fig. 2 schematisch ein Schaltungsdiagramm für eine Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators mit Spannungstransformierung gemäß der Erfindung in einem ersten Ausführungs­ beispiel;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Kennlinienfeld von zwölf Kennlinien bis einer Solarzelle eines Solargenerators dargestellt. Auf der Ordinate ist der Strom I in Ampere, auf der Abszisse die Spannung U in Volt aufgetragen. Das Kennlinienfeld des Solargenerators insgesamt entspricht dem dargestellten Kennlinienfeld mit höheren Strom- und Spannungswerten. Ausgehend von der Kurzschlußspannung bei Null Volt verläuft die Kennlinie in Stromprägung, knickt dann langsam um, wobei in diesem Übergangsbereich der jeweils mit einem Kreuz gekennzeichnete Punkt maximaler Leistung liegt, und verläuft dann in Richtung auf die Leerlaufspannung mit allerdings nicht so starker Spannungsprägung.

In Fig. 2 ist mit 1 schematisch ein Solargenerator dargestellt, der aus einer Vielzahl von zusammengeschalteten Einzelzellen besteht. Zur Spannungsregelung der vom Solargenerator 1 gemäß der obigen Kennlinie abgegebenen Gleichspannung wird ein Serien-Zweipunktregler mit kapazitivem Speicher verwendet. Von dem Serien-Zweipunktregler ist lediglich ein Schalter 2 sowie ein Kondensator 3 als kapazitiver Speicher dargestellt. Der Solar­ generator 1 mit dem Schalter 2 in dem Längsweg ist durch eine Primärwicklung 4 eines Transformators 5 abgeschlossen. Die Sekundärwicklung 6 liegt parallel zu dem Kondensator 3; zwischen Sekundärwicklung und Kondensator ist eine Diode 7 geschaltet. Parallel zu dem Kondensator 3 liegt am Ausgang der beschriebenen Schaltungsanordnung eine Last 8, z. B. ein Wanderfeldröhren-Verstärker in einer Fernsehübertragungsschaltung eines Nachrichten­ satelliten. Dieser Wanderfeldröhren-Verstärker wird mit einer hohen konstanten Gleichspannung von z. B. 8 KV mit entsprechender Leistung betrieben.

Bei dieser Schaltungsanordnung sind Solargenerator und Schalter einerseits und kapazitiver Speicher sowie Last andererseits durch den Transformator entkoppelt. Das Übertragungsverhältnis des Transformators 5 und die Auslegung des Solargenerators 1 sind so abgestimmt, daß der Zweipunktregelung eine Nominalspannung von 0,4 V einer Einzelzelle entsprechend Fig. 1 ergibt. Die Solar­ generatorleistung wird entsprechend der Leistung P₀ gemäß Fig. 1 zur Verfügung gestellt. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß der Solargenerator in den Kennlinien­ zuständen bis diese Nominalleistung P₀ zur Verfügung stellen kann.

Der Schalter 2 des Serien-Zweipunktreglers wird geschlossen bzw. geöffnet, wenn die Spannung auf einen Minimalwert abfällt bzw. einen Maximalwert erreicht. Dieser Schaltbereich ist in Fig. 1 mit einem Doppelpfeil Δ U bezeichnet. Der Schaltbereich Δ U ist klein gewählt, so daß sich eine hohe Schaltfrequenz des Serien- Zweipunktreglers ergibt. Die Kapazität C des Kondensators 3 wird hinreichend groß gewählt, so daß der dynamische Innenwiderstand der angegebenen Schaltungsanordnung, d. h. insgesamt der Quellwiderstand der geregelten Gleich­ spannungsquelle klein gemacht wird.

Die Funktion des Serien-Zweipunktreglers aus Schalter 2 mit entsprechender Ansteuerung und Kondensator 3 ist bekannt und braucht daher hier nicht näher beschrieben zu werden.

Wesentlich ist, daß der Transformator 5 zur Hochtransformierung bzw. Umwandlung der Spannung in den Serien-Zweipunktregler integriert ist.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung eines Solar­ generators und zur Hochtransformierung der abgegebenen Gleichspannung dargestellt. Für gleiche bzw. gleich wirkende Elemente sind hier die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet, denen jedoch ein Strich (′) hinzugefügt ist.

Die Endanschlüsse eines Solargenerators 1′ sind einmal über einen Schalter 2 _1′ mit einem Endanschluß einer Primärwicklung 4′ eines Transformators 5′ und zum anderen mit einer mittleren Anzapfung der Primärwicklung 4′ verbunden. Parallel zu dem Schalter 2 _1′ ist ein Schalter 2 _2′ vorgesehen, der mit dem anderen Endanschluß der Primär­ wicklung 4′ verbunden ist. Die Endanschlüsse der Sekundär­ wicklung 6′ sind mit gegenüberliegenden Anschlußpunkten einer Vierweg-Diodenschaltung 7′ verbunden; die beiden anderen gegenüberliegenden Punkte dieser Vierweg- Gleichrichterschaltung 7′ sind mit einem als kapazitiven Speicher dienenden Kondensator 3′ verbunden. Parallel zu dem Kondensator liegt wiederum die Last 8′.

Die beiden Schalter 2 _1′ und 2 _2′ sowie der Kondensator 3′ bilden den Zweipunktregler, der ähnlich zu dem ersten Ausführungsbeispiel jedoch mit Spannungsverdoppelung arbeitet.

Auch bei dieser Schaltungsanordnung sind das Über­ tragungsverhältnis des Transformators 5′ und die Auslegung des Solargenerators 1′ so aufeinander abgestimmt, daß die in Fig. 1 gezeigte senkrechte Gerade bei 0,4 V Einzelzellenspannung der Spannungsregelung entspricht. Der Schaltbereich für die Spannung ist wiederum so eng gewählt, daß sich eine hohe Schaltfrequenz ergibt. Gemeinsam mit einer ausreichend groß gewählten Kapazität des Kondensators 3′ ergibt sich wiederum ein niedriger Quellenwiderstand bzw. eine niedrige Quellimpedanz der für die Last 8′ derart zur Verfügung gestellten Spannungsquelle.

Befindet sich der Solargenerator in einem Zustand entsprechend der Kennlinie der Einzelzelle gemäß Fig. 1, so liegt der Punkt der Nominalleistung P₀ direkt auf dieser Kennlinie. Am Kondensator 3′ stellt sich dann ein symmetrischer Rechteckstrom aus direkt aneinander anschließenden Rechtecken ein. Wegen der hohen Kapazität C des Kondensators sind die Flanken steil, die Rechteck­ oberseiten sind kaum abgeschrägt. Befindet sich der Solargenerator 1′ in einem Zustand gemäß den Kennlinien bis und liefert daher eine Überschußleistung, so wird der Strompulsbreiten moduliert. Die Überschußleistung bleibt als Fehlanpassungsverlust im Solargenerator.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators zur Abgabe einer auf ein gewünschtes Niveau hochtransformierten Spannung an eine Last mit Hilfe eines Serien-Zweipunktreglers mit einem Schalter im Längsweg und einem kapazitiven Speicher im Querweg zwischen Solargenerator und Last sowie einem den Schalter und den kapazitiven Speicher des Zweipunktreglers entkoppelnden Transformator, der die Spannung des Solar­ generators auf das gewünschte Niveau transformiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (1) den Längswiderstand des Serien- Zweipunktreglers (2, 3, 7) bildet, sein Arbeitspunkt (P₀) im stromprägenden Bereich seiner Kennlinie ( bis ) derart gewählt ist, daß er als Stromquelle dient, und daß die Kapazität (C) des kapazitiven Speichers (3) und die Schaltfrequenz des Zweipunktreglers derart gewählt sind, daß sich ein niedriger Quellwiderstand ergibt.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Transformator (5′) und Serien-Zweipunktregler (2′, 3′, 7′) als Gegentakt- Spannungsregler/-wandler ausgebildet sind, bei dem die Anschlüsse des Generators (1′) über einen Schalter (2 _1′) mit einem Endanschluß der Primärwicklung (4′) und mit einem Mittenanschluß der Primärwicklung (4′) des Transformators (5′) verbunden sind und bei dem ein zweiter Schalter (2 _2′) des Zweipunktreglers parallel zu dem ersten Schalter (2 _1′) geschaltet ist und mit dem zweiten Endanschluß der Primärwicklung (4′) des Transformators (5′) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Sekundärwicklung (6, 6′) und dem kapazitiven Speicher (3, 3′) eine Gleichrichterschaltung (7, 7′) vorgesehen ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endanschlüsse der Sekundärwicklung (6′) des Transformators (5′) mit zwei gegenüberliegenden Schaltungspunkten einer Vierweg- Gleichrichterschaltung (7′) verbunden sind, und daß der kapazitive Speicher (3′) mit den zwei anderen gegenüber­ liegenden Schaltungspunkten der Vierweg-Gleichrichterschaltung verbunden ist.