DE2528512C3 - Stromversorgungseinrichtung für einen Satelliten - Google Patents

Description

den kann.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß bei dem aus drei Generatormodulen bestehenden Solargenerator das erste Generatormodul eine Leerlaufspannung aufweist die etwa der Differenz zwischen der Leerlaufspannung des Solargenerators im Neu-Zustand zu Beginn der Mission des Erdsatelliten und der Spannung im Punkt maximaler Leistung des degradierten Solargenerators am Ende der Mission des Erdsatelliten entspricht daß dieses erste Generatormodul durch einen ersten Shuntregler zur Ausregelung des durch die Degradation des Solargenerators bedingten Spannungsabfalles überbrückt ist daß das zweite Generatormodul durch einen zweiten Shuntregler überbrückt ist der in Verbindung mit dem ersten Shuntregler zum Abbau von auftretenden Spannungsspitzen am Ausgang des Solargenerators, etwa unmittelbar nach Austritt des Erdsatelliten aus der Schattenphase, dient und daß schließlich das dritte leneratormodul ungeregelt und so bemessen ist, daß dessen maximale Leerlaufspannung im Neu-Zustand bei der tiefsten auftretenden Generaturtemperatur etwa gleich der Spannung des degradierten Solargenerators im Punkt maximaler Leistung ist

Bei der Erfindung wird demnach die Erkenntnis ausgenutzt daß bei einer geeigneten Auslegung des gesamten Solargenerators in drei Generatormodule die während des normalen Betriebes auftretende Verlustleistung sehr klein gehalten werden kann und auch Spannungsspitzen des Solargenerators verlustarm abgebaut werden können. Zudem erhöht die betont konservative Auslegung der Einrichtung zur Spannungsregelung die Sicherheit in bezug auf die Spannungsdegradation weit mehr als sie die verfügbare Leistung schmälert Insbesondere greift die Regelung durch die Aufteilung des Solargenerators in drei Generatormodule nicht mehr in den Gesamtgenerator, sondern nur noch jeweils auf einen Generatorteil ein, so daß auch die auftretende Verlustleistung wesentlich niedriger gehalten werden kann.

Als vorteilhaft für einen Solargenerator eines Erdsatelliten in Synchronmission erweist es sich, wenn das erste Generatormodul etwa 25%, das zweite Generatormodul etwa 40% und das dritte Generatormodul etwa 35% der Ausgangsspannung des gesamten Solargenerators abgibt. Mit einer derart optimierten Aufteilung des Solargenerators in drei Generatormodule ergibt sich das Verlustleistungsmaximum im thermischen Gleichgewicht bei Leerlaufspannung am Missionsende und beläuft sich auf etwa 11 % der Nominalleistung, so daß die Regelung eines Solargenerators mit 1,5 kW Leistung auf die Regelung eines Generators mit ca. 120W Nennleistung reduziert ist. Zudem bleibt auch durch die angegebene Regelung der Spannung des Solargenerators der Charakter einer rein statischen linearen Regelung eines konventionellen Shuntreglers voll erhalten; auch in dieser Hinsicht weist eine Regelung gemäß der Erfindung etwa in bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit optimales Verhalten auf.

In einem konventionellen Shuntregler, der den gesamten Solargenerator überbrückt, tritt zu Beginn der Mission des Erdsatelliten im Leerlauf und bei einem im thermischen Gleichgewicht befindlichen Solargenerator eine Verlustleistung von etwa 140% der Nominalleistung auf. Bei einem optimal gemäß der Erfindung ausgelegten Dual-Pariial-Shuntregler ergibt sich das Verlustleistungsmaximum im thermischen

Gleichgewicht bei Leerlauf am Missionsende und beläuft sich auf etwa 11% der Nominalleistung, d.h. insgesamt wird die Problematik der Regelung eines Generators mit 1,5 kW Leistung auf die eines Generators mit 170W Nennleistung am Ende etwa einer siebenjährigen Synchronmission eines Erdsatelliten reduziert Ferner bleibt durch die Dualregelung der Charakter einer rein statischen linearen R.egelung eines konventionellen Shuntreglers voll erhalten. Aus diesem Grund weist eine derartige Regelung auch in bezug auf elektromagnetische Verträglichkeit optimales Verhalten auf.

Die Erfindung ist in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert

Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Stromlaufdiagramm einer einen Solargenerator aufweisenden Stromversorgungseinrichtung für einen Satelliten gemäß der Erfindung, wobei der Solargenerator in drei Generatormodule unterteilt ist von denen zwei jeweils eines Shuntreglers beeinflußt werden können;

F i g. 2 ein Diagramm für die Verluste des ersten, die Degradation des Solargenerators ausregelnden Shuntreglers;

Fig.3 ein Diagramm für die Verluste des die Spannungsspitzen des Solargenerators am Austritt eines Erdsatelliten aus der Schattenphase ausregelnden zweiten Shuntreglers.

Ein Solargenerator G zur Versorgung eines Satelliten ist in drei Generatormodule Gi, Gi und d (vgl. F i g. 1) aufgeteilt, wobei das Generatormodul G\ etwa 25%, das Generatormodul Gi etwa 40% und das Generatormodul Gi etwa 35% der gesamten Ausgangsspannung U abgeben. Dem Generatormodul Gi ist parallel ein Shuntregler SR\ geschaltet der die zu Beginn der Mission des den Solargenerator tragenden Erdsatelliten vorhandene Überschußleistung ausregelt, die im Laufe der Missionsdauer durch die Degradation der Solarzellen des Generators geringer wird. Der Shuntregler SR\ ist ein vierstufiger Parallel-Regler mit vier hintereinander geschalteten Transistoren Ti, Ti, Γ3 und T, mit zugehörigen Widerständen i?i bis Ä5, wobei die Regelspannung über eine Zenerdiode Z eingestellt ist.

Für das zweite Generatormodul Gi ist ein zweiter Shuntregler SRi vorgesehen, der mit den übrigen Transistoren Γι bis Ti des Shuntreglers SR\ so zusammengeschaltet ist, daß dieser Shuntregler SR\ als Überspannungsregler fünfstufig und praktisch als Kleinsignalteil für den Shuntregler SRi arbeitet. Dieser zweite Regler ist daher sehr einfach aufgebaut und besteht aus einem Leistungstransistor Ts, einer Leistungsdiode D und einem Basiswiderstand Rt. Für die beiden Regler ist eine Hilfsspannung Un vorgesehen, die aus einem vom Hauptsolargenerator galvanisch getrennten, hier nicht gezeigten Hilfsgenerator mit Hilfe eines Hilfsspannungsreglers gewonnen wird. Der Shuntregler SRi dient dazu, die kurzzeitigen Spannungsspitzen des Solargenerators beim Austritt des Erdsatelliten aus der Schattenphase auszuregeln.

Durch die angegebene Schaltung der beiden Shuntregler ergibt sich insbesondere für die Ausregelung der Spannungsspitzen ein sehr hoher Regelfaktor und ein niedriger Innenwiderstand der stabilisierten Spannung. Außerdem sind nur wenige Bauteile verwendet, so daß die Sicherheit der Schaltung sehr groß isi.

Im eingeschwungenen Zustand des Solargenerators wird die Ausgangsspannung im allgemeinen nur durch den Shuntregler SR\ ausgeregelt. In der F i g. 2 ist die

Verlustleistung, die in dem Shuntregler SRi in Wärme umgesetzt wird, über die Dauer der Missionszeit des Satelliten in Prozenten der Nominalleistung Pg aufgezeigt; mil BOL (Begin of life) ist der Beginn, mit EOL (End of life) das Ende der Mission bezeichnet. Hierbei zeigt sich, daß in dem Shuntregler SRi, der die Einflüsse der Degradation der Sonnenzellen des Solargenerators kompensiert, am Missionsende bei Leerlauf die Verlustleistung 11% der Nominallast nicht überschreitet. Wird etwa ein Solargenerator von 1,2 kY> ausgeregelt, so muß der Sliuiitregler SRi so ausgeleg werden, daß er etwa 130 W Verlustleistung standhält Wird andererseits die Nominalleistung entnommen, se zeigt sich, daß maximal 4% der Nominalleistung al! Verlustleistung aufgebracht werden müssen, so daß be einem Solargenerator mit 1,2 kW dieses etwa 45 bi> 50 W Wärmeleistung entspricht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Stromversorgungseinrichtung für einen Satelliten, bestehend aus einem regelbaren Generator mit strombegrenzter Kennlinie insbes. einen Solargenerator, der in mehrere hintereinander geschaltete Generatormodule unterteilt ist, wobei die Ausgangsspannung des Solargenerators der Summe der Einzelspannungen an den Generatormodulen entspricht, und bei dem mindestens ein Teil der Generatormodule mit einem Nebenschli'ßverlustregler (Shunt-Regler) zum Konstanthalten der Ausgangsspannung des Solargenerators überbrückt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem aus drei Generatormodulen (G\, Gi, G?) bestehenden Solargeuerator das erste Generatormodui (G\) eine Leerlaufspannung aufweist, die etwa der Differenz zwischen der Leerlaufspannung des Solargenerators im Neu-Zustand zu Beginn der Mission (BOL) des Erdsatelliten und der Spannung im Punkt maximaler Leistung (MPP) des degradierten Solargenerators am Ende der Mission (EOL) des Erdsatelliten entspricht, daß dieses erste Generatormodul (Gi) durch einen ersten Shuntregler (SR\) zur Ausregelung des durch die Degradation des Solargenerators bedingten Spannungsabfalles überbrückt ist, daß das zweite Generatormodul (G2) durch einen zweiten Shuntregler (Sfc) überbrückt ist, der in Verbindung mit dem ersten Shuntregler zum Abbau von auftretenden Spannungsspitzen am Ausgang des Solargenerators, etwa unmittelbar nach Austritt des Erdsatelliten aus der Schattenphase, dient, und daß schließlich das dritte Generatormodul (Gi) ungeregelt und so bemessen ist, daß dessen maximale Leerlaufspannung im Neu-Zustand bei der tiefsten auftretenden Generatortemperatur etwa gleich der Spannung des degradierten Solargenerators im Punkt maximaler Leistung ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Erdsatelliten in Synchronmission das erste Generatormodul (Gi) etwa 25%, das zweite Generatormodul etwa 40% und das dritte Generatormodul etwa 35% der Ausgangsspannung des gesamten Solargenerators abgibt.

3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Shuntregler (SR\) als mehrstufiger Regler ausgebildet ist, dem der zweite Shuntregler (SR2) als Leistungsstufe nachgeschaltet ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungseinrichtung für einen Satelliten, bestehend aus einem regelbaren Generator, mit strombegrenzter Kennlinie insbes. einen Solargenerator, der in mehrere hintereinander geschaltete Generatormodule unterteilt ist, wobei die Ausgangsspannung des Solargenerators der Summe der Einzelspannungen an den Generatormodulen entspricht, und bei dem mindestens ein Teil der Generatormodule mit einem Nebenschlußverlustregler (Shunt-Regler) zum Konstanthalten der Ausgangsspannung des Solargenerators überbrückt ist.

Aus der US-PS 34 87 229, vgl. die F i g. 2 mit entsprechender Beschreibung, ist ein Solargeneratnr

bekannt, der aus drei hintereinander geschalteten Generatormodulen zusammengesetzt ist Jedes der Generatormodule ist mit einem Schalter überbrückt, wobei diese Schalter in Abhängigkeit der Ausgangsspannung des gesamten Solargenerators geöffnet oder geschlossen werden, so daß im ersten Fall die Spannung des jeweiligen Generatormoduls zu der Spannung des gesamten Solargenerators beiträgt, während im zweiten Fall das jeweilige Generatormodui kurzgeschlossen ist Der Solargenerator wird demnach digital geregelt Auch wenn derartige digitale Schaltregler einen hohen, von den Leistungsdaten des Solargenerators nahezu unabhängigen Wirkungsgrad von 90% bis 94% aufweisen, muß bedacht werden, daß eine Nebenschlußverlustregelung bei optimaler Auslegung am Ende der Missionszeit des Erdsatelliten, wo die Solargeneratorleistung durch die bisherige Degradation am geringsten ist, einen Wirkungsgrad von über 99% aufweist, da die Verluste in dem Regelkreis für die Nebenschlußverlustregelung im allgemeinen unter einem Prozent gehalten werden können.

Des weiteren muß bei dem in der genannten Patentschrift beschriebenen digitalen Regler bedacht werden, daß eine derartige Regelung für Solargeneratoren sehr hoher Leistung etwa im Kilowattbereich eine hohe Anzahl derartiger Generatormodule aufweisen muß, wenn eine Ausgangsregelung auf konstante Spannung mit nur geringen Schwankungen erreicht werden soll. Lediglich mit drei Generatormodulen kann ein Solargenerator hoher Leistung nicht mit der gewünschten Konstanz geregelt werden. Werden jedoch mehrere Generatormodule benötigt, so steigt damit auch der Schaltungsaufwand, wodurch durch die erhöhte Anzahl von Schaltelementen ebenso die Zuverlässigkeit der gesamten Stromversorgungseinrichtung sinkt.

Aus der US-PS 36 00 599 ist ferner ein Solargenerator bekannt, der in zwei Generatormodule unterteilt ist, wobei ein Generatormodul mit einem Nebenschlußverlustregier überbrückt und das andere Generatormodul ungeregelt ist. Das geregelte Generatormodul muß dabei so ausgelegt sein, daß sämtliche Spannungsschwankungen in der Stromversorgungseinrichtung während der Mission des Satelliten ausgeregelt werden können. Änderungen in der Ausgangsspannung des Solargenerators rühren einmal von der Degradation der Solarzellen während der Missionsdauer des Satelliten und zum anderen insbesondere von Temperaturschwankungen des Solargenerators her. So treten z. B. starke Spannungsspitzen auf, wenn der Erdsatellit aus dem Erdschatten austritt und daher der Solargenerator noch eine sehr tiefe Temperatur aufweist. Wenn diese Spannungsspitzen ausgeregelt werden sollen, muß das geregelte Generatormodul etwa 60 — 65% des gesamten Solargenerators umfassen. Um jedoch bei einem Solargenerator hoher Leistung einen derartigen Anteil mit einer Nebenschlußverlustregelung auszuregeln, müssen große Verlustleistungen in Wärme umgesetzt werden. Hierbei kann die Verlustwärme insbesondere zu Beginn der Mission des Erdsatelliten so groß werden, daß der Thermalhaushalt des Satelliten sehr stark belastet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung für einen Erdsatelliten anzugeben, mit der auch die Spannung von Solargeneratoren hoher Leistung unter Ausnutzung des im Hinblick auf das Missionsende des Erdsatelliten günstigen Nebenschlußverlustregelungsprinzips ausgeregeh wer-