DE2055692B2 - Anordnung zur spannungsregelung eines stromversorgungssystems von satelliten - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Spannungsregelung eines Stromversorgungssystems von Satelliten, bei der ein Solargenerator mit einem zugeordneten, aus einem Shunt und einer Shuntsteuerung bestehenden Shuntregler und eine Batterie mit einem nachgeschalteten Entladeregler auf einen gemeinsamen Hauptleiter arbeiten.

Bei Stromversorgungssystemen, bei denen eine Spannungsquelle aus einem Generator und eine andere Spannungsquelle aus einer Batterie mit Entladeregler besteht, versorgt im allgemeinen entweder die eine oder die andere Spannungsquellc die am Hauptleiter liegenden Verbraucher. Dabei weisen die den beiden Spannunasquellcn zugeordneten Regeleinrichtungen, die für eine konstante Spannung im Hauptleiter sorgen sollen, unterschiedliche Sollwerte auf. Schwierigkeiten treten nun dann auf, wenn beide Spaonungsqucllen parallel arbeiten sollen. Eine Notwenciigkei! für diesen Betriebsfall liegt beispielsweise dann vor, ν etui die von dem Generator erzeugte Leistung kurzfristig oder für längere Zeit zwar nicht mehr ausreicht, um die an dem Hauptleiter liegenden Verbraucher allein zu versorgen, aber doch noch so aroß ist. daß ein Verzicht auf sie vom Gesichtspunkt der l.eistungsbilanz unwirtschaftlich wäre.

Bei Stromversorgungssysteme!! für künstliche, im Weltraum operierende Satelliten ist nun neben einuii Solarsenerator. der aus einer Vielzahl von Solarzellen" besteht und in der Sonnenphase des Satelliten Strom er/eugt. auch eine Batterie vorgesehen, die im Falle eines Leistungsüberangebotes des Solaraenerators «eladen und im Frlle des Leisiungsiinteranaeboies, insbesondere in Schattenphasen des Satelliteil, entladen wird. Um die Spannung des Hauptleiters des Satelliten-Stromversorgungssystems immer in gleicher Höhe zu halten, ist der Batterie ein LntUi'Jeregler und dem als Stromquelle wirkenden Solaruenerator ein sogenannter Shuntregler /ι,- »eordnet. der die Spannung am Solargenerator begrenzt. Solargenerator und Shuntregler wirken gemeinsam als Spannungsquelle. Der Shuntregler besteht aus dem Shunt und der sogenannten SIhmüsteiierunsi.

Da der Solargeneraior auch noch gegen Ende der Mission die \on den Verbrauchern benötigte Energie abaebon soll, ist seine Leistung mit Rücksicht auf die im' Laufe der Mission zu ens artenden Einbußen durch Degradation und Alterung seiner Solarzellen auf ein Mehrfaches der Verbraucher-Nennleistung bemessen. Das dadurch gerade bei Beginn der Mission in der Sonnenphase zu erwartende Leistungsüberangebot des Solargenerators kann dann beispielsweise in mehreren Shuntstufen in Wärme un,-aesetzt werden, die von einer entsprechenden Regeleinrichtung in der Weise beeinflußt werden, daß eine konstante Spannung im Hauptleiter gehalten wird.

Im Hinblick auf eine Optimierung des Energieversorgungssystems ist es ungünstig, bei nicht ausreichendem Solargenerator-Leistungsangebot die Versorgung der Lasten allein aus der Batte.ie vorzunehmen. Eine größere und damit schwerere Batterie kann nur draurch vermieden werden, daß auch bei Leistungsunterangebot des Solargenerators die noch zur Verfügung stehende Leistung den Verbrauchern zugeführt wird und nur die verbleibende Leistungsdifterenz von der Batterie aufgebracht wird. Dies sollte durch den Parallelbetrieb von Solargenerator mit Shuntrjgler und Batterie mit Entladeregler ermöglicht werden.

Um nun für den Fall des Parallelbetriebcs son Solargenerator und Batterie mit Sicherheit zu vermeiden, daß die Leistung der Batterie in die Shuntstufen abfließt, müßten die Sollwerte der Hauptleiterspannung beider Regeleinrichtungen genügend unterschiedlich sein, so daß auch bei Berücksichtigung ihrer Toleranzfelder keine Überlappung auftritt. Je nach Abstimmung der Referenzen kann nun der Sollwert der Hauptleiterspannung des Shuntregclkrciscs (Solargenerator, Shuntregler und Last) etwas oberhalb oder unterhalb des Sollsvertcs des Entladcregler-Regelkreises (Batterie, Entladeregler und Last) liegen. Während im ersten Falle beim Übergang von Leistungsüberangebot auf Leistungunterangebot des Solargenerators die Hauptleiterspannung von dem Sollwert des Shuntregelkreiscs auf den Sollwert oes Entladeregler-Regelkrcises absinkt, werden im zweiten Falle die Shuntslufen von der Überspannung feststellenden Shuntsteuerung ausgesteuert, so daß trotz Leistungsüberangebot des Solargenerators die

Batterie über don Entladeregler einladen wird. Line Festlegung des Sollwertes der Hauptleilerspannung des Shuntregelkieises unterhalb des Sollwertes des Fniladeregler-Regelkreises muß daher mit Rücksicht auf die Energiebilanz unbedingt vermieden werden.

Aber aud> dann, wenn der Sollwert der Haupllcitcrspannung des Shuntreglers oberhalb des Sollwertes des Entladereglers liegt, können kritische Moiiiente insbesondere dadurch entstehen, daß nach längerer Mission infolge Alterung Driften der beispielsweise durch Zener-Dioden gebildeten Spannungsreferenzen auftreten, die eine Überlappung der SolKverttoleranzeu zur Folge haben könnten. Solche Überlappungen der Sollwerttoleranzen dürfen aber auf keinen Fall auftreten, da sie. wie oben schon erv,ahnt, /u einer Entladung der Batterie in die Shuntstufen führen. Da andererseits die llauptleiterspamumg in einem möglichst engen ToV-ran/'uereieh gehalten werden soll (Verbraucheranforderungen), ist es auch nicht möglich, die Sollwerte der Hauptleiterspaiuiung beider Regelkreise zur Vermeidung von Überlappungen allzuweit auseinanderzulegen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird «Jäher darin gesehen, eine Anordnung zur Spannungsregelung eines Stromversorgungssystems von Satelliten der eingangs genannten Art zu schallen, die unter Vermeidung der obengenannten Nachteile einen risikofreien Parallelbetrieb der beiden Spannungsquellen unter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Solargeneratorleistung bei hoher Spannungskonstanz des Hauptleiters ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß der Spannungssollwert des Entladereglers dem im Shunt fließenden Shuntstrom in der We^;se nachgeführt ist, daß er um einen mit dem Shuntstrom zunehmenden Betrag unter dem Spannungssollwert des Shuntrcgelkreiscs liegt.

Der Shuntstrom ist im Falle des Parallelbetriebes von Solargenerator mit Shuntregelkreis und Batterie mit Entladeregler bei Solargenerator-LeistungsiinteraiiL'ebot ein Kriterium dafür, daß der Entladeregler eine zu hohe Ausgangsspannung aufweist. Der Shuntstrom bzw. ein dem Shuntstrom proportionales Signal wird nun gemäß der Erfindung zur Verstellung der Ausgangsspannung des Entladereglers herangezogen. Bei geeigneter Dimensionierung wird dann die auf den Hauptleiter wirkende Ausgangsspannung des Entladereglers auf den Sollwert der Hauptleiterspannung des Shuntregclkreises heruntergeregelt, wobei der Shuntstrom fast Null ist.

Es ergeben sich somit zwei gekoppelte Regelkreise, die aus Solargenerator. Shuntreglcr. Batterie, Entladeregler und Last bestehen. Der Solargenerator kann als Stromquelle dabei sein Leistungsangebol frei in den Hatiptleiter einspeisen, so daß jederzeit die gesamte zur Verfugung stehende Solargenerator-Lcistung ausgenutzt wird.

Übersteigt das Solargenerator-Angebot die Leistungsanforderuiijj,en der Verbraucher, dann bewirkt der Shuntreglcr wegen des fließenden Shuntstromes eine Verstimmung der Referenz des Entladereglers. Diese entspräche einer niedrigeren Ausgangsspannung des Entladercglers. D;> die Hauptleiterspannung vom Shuntregelkreis auf ihrem Sollwert gehalten wird, regelt sich der Entladeregler zu, und der aus Solargenerator. Shuntsteuerung, Shuntstufen und Last bestehende Regelkreis übernimmt allein die Einhaltung der Hauptleiterspannung.

Auch in der Schattenphase, il. h. bei Alleinbetrieb der Batterie, ergibt sich durch die Erfindung ein wesentlicher Vorteil. Dieser besteht in einer Verbesserung der Regelgenauigkeit, da in der Sch^ttenphase der Shuniregler mit seiner hohen Verstärkung als zusätzliche Regelschleife im Lntladeregler-Regelkreis für eine starke Reduzierung des Innenwiderstandes sorgt.

Zusammengefaßt bestehen die mit der Erfindung ίο erzielbaren Vorteile

1. in einer Versorgung der Lasten \om Entladeregler bei vollkommener Ausnutzung der angebotenen Solargenerator-Leistuiig, wodurch erliebliche Massen- und Kostenersparnisse erzielt λ erden.

2. in einer kontinuierliche!) l.eistungsübeinahme durch den Entladeregler bei konstanter Hauptleiterspannung entsprechend der jeweiligen Dilferenz von Lastanforderimg und Solargene ra tor-1. ei stun »sangebot. wodurch selbständiger Betrieb ohne Überwachungs- und Umschalteinhciten möglich ist.

3. in einer Verbesserung de; Spannungskonstanz des Entladereglers in der Schattenphase durch den übergeordneten Shuntregelkreis und damit in einer einfacheren Auslegung des Entladereglers.

4. in einer Beschränkung auf nur eine unabhängige Referenzspannungsquelle als Führungsgröße beider Regelkreise, weshalb Driftprobleme, die bei zwei Referenzspannungsquellcn auftreten.

vermieden werden,

5. in einer Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Hauptleiterspannung auf Grund der Verknüpfung des Shuntreglers mit dem Entladeregler, d. h., bei Entlastung werden Spannungsspitzen durch den Shuniregler sowie bei einer Belastung größer als das Solargenerator-Leistungsangebot Spannungseinbruche durch den Entladeregler abgefangen. Damit erübrigen sich weitgehend zusätzliche Regler für spezielle Verbraucher.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist zur Verstellung des am Abgriff eines parallel zu einer Zener-Diode liegenden Spannungsteilers abgenommenen Spannungssollwertes des Entladeregicrs ein zum abgegriffenen Teil des Spannungsteile! s parallelgeschalteter Steuertransistor vorgesehen, dessen Basis mit einer de .1 Shuntstrom proportionalen Spannung beaufschlagt ist.

Zur Erzielung der Stabilität der gekoppelten Regelkreise ist dem Steuertransistor ein Kondensator parallel geschaltet. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll dem Steuertransistor ein von einem zweiten Transistor angesteuerter Spannungsteiler vorgeschaltet sein. Dabei sind zur Temperaturkompensation in den Basis-Emitter-Strecken des Transistors und des Steuertransistors Dioden vorgesehen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Satelliten-Stromversorgun^ssystems.

Fig. 2 eine Schaltung zur Beeinflussung des Soll-

wertes einer Regeleinrichtung durch die Stellgröße einer anderen Regeleinrichtung.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Solargenerator gezeigt, dem für den Fall des Leistungsunterangebotes eine Batterie 2 parallel geschaltet ist. Die Batterie 2 wird bei Leistungsüberangebot des Solargenerators 1 über einen Laderegler 3 geladen und bei Leistungsunterangebot des Solargenerators 1 mittels des Entladereglers 4 entladen. Zur Einschaltung der Batterieladung ist ein Schalter 10 vorgesehen.

Eine dem Solargenerator 1 zugeordnete Regeleinrichtung, die aus einer Shuntsteuerung 6 und einem in Stufen eingeteilten Shunt 7 besteht, hält die Spannung eines Hauptleiters 5, an dem verschiedene, unterschiedlich zuschaltbare Verbraucher 8 und 9 hängen, auf konstanter Höhe. Während mit 12 eine Verbindungsleitung zwischen der Shuntsteuerung 6 und dem Shunt 7 bezeichnet ist, stellt 11 eine Signalleitung zur Beeinflussung des Entladereglers 4 dar. Mit 13 ist ein Masseleiter bezeichnet.

Gemäß F i g. 2 ist als Referenzspannungsquelle zur Bildung des Sollwertes des Entladereglers eine Zener-Diode 29 mit einem Vonviderstand 28 und einem parallelliegenden Spannungsteiler, bestehend aus Widerständen 26 und 27, vorgesehen. Ein zum Widerstand 26 parallelgeschalteter Steuertransistor 24 wird über seine Basis so angesteuert, daß beim Fließen von Shuntstrom ishunt die Spannung am Ausgang 31 geringer wird, die als Sollwert für den Entladcregler-Regelkreis dient. Damit verringert sich auch die Ausgangsspannung des Entladcreglers.

Die Steuerspannung für die Dasis des Steuertransistors 24 wird einem aus Widerständen 20 und 21 bestehenden Spannungsteiler entnommen, der seinerseits von einem zweiten Transistor 18 angesteuert wird.

Die Basis dieses zweiten Transistors 18 wird über die Signalleituig 11 mit einer Steuerspannung beaufschlagt, die dem in einer Leitung 14 fließenden Shuntstrom /»„,,/ direkt proportional ist. Widerstände 15 und 17 dienen zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors 18. Eine Diode 16 dient zur Temperaturkompensation der Basis-Emitter-Strecke des

is Transistors 18, während eine zweite Diode 22 in gleicher Weise die Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors 24 kompensiert. Mit 19 bzw. 25 sind zwei im Emitterzweig des Steuertransistors 24 bzw. des Transistors 18 liegende Widerstände bezeichnet, wäh-

ao rend die Widerstände 20, 21 und ein Widerstand 23 zur Festlegung des Arbeitspunktes des Steuertransisi ;rs 24 dienen. Ein Kondensator 30 verhindert eine Selbsterregung der beiden gekoppelten Regelkreise.

Die am Ausgang 31 erscheinende, in Abhängigkeit von der Höhe des Shuntstromes /«„,, veränderbare Referenzspannung wird als Sollwert dem hier nicht mehr dargestellten Soll-Istwert-Vergleich im Entladeregler-Regelkreis zugeführt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Spannungsregelung eines Stroms ersorgungssystems von Satelliten, bei der ein Solargeneraior mit einem zugeordneten, aus einem Shunt und einer Shuntsteuerung bestehenden Shuntregler und eine Batterie mit einem nachgeschalteten Entladeregler auf einen gemeinsamen Hauptleiter arbeiten, dadurch ge- ίο k e η η ζ e i c h net, daß der Spannimgssolhveri des Entladereglers (4) dem im Shunt (7) fließenden Shunistrom (/.„„.,.) in der Weise nachgeführt ist. daß er um einen mit dem Shuntstrom (/.s/,.,,,ι) zunehmenden Betrag unter dem Spannungssollwert iK ·- Shuntrege"· reises liegt.

2. Anouliiung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung des am Abgriff eines parallel zu einer Zener-Diode (29) liegenden Spannungsteilers (26. 27) abgenommenen SpannungssolKvertjs des üntlad .reglers (4) ein zum abgegriffenen Teil des Spannungsteilers (26, 27) paraUelgeschaheter Steuertransistor (24) vorgesehen ist. dessen Basis mit einer dem Shuntstrom (;'.,/,,.,.-) proportionalen Spannung beaufschlagt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuertrrnsisto; (24) ein Kondensator (30) parallel geschalt"t ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 odet 3. da durch gekennzeichnet, daß dem Steuertransistor (24) ein von einem zweiten Transistor (18) angesteuerter Spannungsteiler (20. 21) vorgeschaltet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Basis-Emitter-Strecken des Transistors (18) und des Steuertransistors (24) Dioden (16, 22) zur Temperaturkompensation vorgesehen sind.

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