DE2543537B2

DE2543537B2 - Anordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators

Info

Publication number: DE2543537B2
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: 1978-09-21
Also published as: US4079445A; DE2543537C3; FR2326735A1; BE846491A; IT1073313B; NL7607777A; DE2543537A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators, der aus mehreren auf eine Sammelschiene aufschaltbaren 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.

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 Überschußleistung 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, OEFINI-TION AND PREDEVELOPMENTOFTHE SATELLITE PAYLOAD«, 19. May 1972, S. 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 Generatormodule kurzgeschlossen werden. Schwankungen zwischen den so erhaltenen diskreten Leistungsstufen werden durch einen Parallelregler ausgeglichen, der die Spannung an der Sammelschiene zentral konstant hält.

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 judoch 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 Generatormodui 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 Generatormoduls im Arbeitspunkt wesentlich größer als die künstlich niedrig gehaltene Quellimpedanz des geregelten Gemeratormoduls 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 Maximalleistung 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 Ge.'.eratormodulen 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 Ausgangsspannung 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 Verbraucher angesteuert 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 Serien-eglers für eine Anordnung gemäß der F i g. 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 Generatormodulen 1|, I2,... In aufgebaut, die zueinander parallel auf eine gemeinsame Sammelschiene 2 geschaltet sind. Ein weiteres Generatormodul 1_rist über einen Serienregler 3 ebenfalls mit der Sammelschiene 2 verbunden. Die einzelnen Generatormodule Ii bis I_n sind jeweils mittels eines Schalters 4i, 42,... 4„ an die Sammelschiene gelegt, wobei die Schalter durch eine Logikschaltung S anzusteuern sind. Die Logikschaltung 5 schaltet so viele Generatormodule Ii bis I „ 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 Überschußleistung, die mittels des Serienreglers 3 ausgeregelt wird.

Die einzelnen Generatormodule Ii bis I_n weisen, da der Arbeitspunkt bei der festgehaltenen Spannung im stromprägenden Bereich der Strom-Spannungs-Kennli-

to nie liegend gewählt ist, eine hohe Quellimpedanz auf, die etwa für Generatormodule von 400 W Leistung bei 140 V Ausgangsspannung 50 Ohm beträgt. Durch die Parallelschaltung hochohrniger Generatormodule ist die Stabilität des Gesamtgenerators und gleichmäßige Lastaufteilung unter den Generatormodulen in hohem Maße gesichert.

Zur Spannungsstabilisierung ist der mit dem letzten Generatormodul \_r verkoppelte Serienregler 3 vorgesehen, der durch hohe Regelkreisverstärkung eine niedrige dynamische Quellimpedanz erzeugt, wobei durch entsprechende Auslegung des Serienreglers die Quellimpedanz 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 Überschußenergie 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 Ausgangsspannung 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 Ti und 7} und einem mittels der Zenerdiode ZD vorgespannten Steuertransistor Γ3, dessen Basis an den Mittelpunkt des aus den obengenannten Widerständen 34 und 35 gebildeten Spannungsteilers geschaltet ist. Wie in der F i g. 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 wird, falls die vorhandenen, auf die Sammelschie ie 2 aufgeschalteten Generatormodule diesen Leistungsbedarf nicht mehr decken können, der Spannungsabfall am Serienregler unter Null absinken. In diesem Fall wird an einen Eingang £Ί der Logikschaltung 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, d. h., wenn der Strombeitrag des Serienreglers gegen Null geht, wird an einen Eingang Ej 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

6j geregeltes Wechselspannungssystem beschrieben; vgl. Fig. 3.

Der Solargenerator ist wiederum aus einzelnen Generatormodulen 1|, I2,... l_r zusammengesetzt, wobei

jedem einzelnen Generatormodul 1 ein Zerhacker, d. h. Wechselrichter 1 li, 112,... 1 l_rzugeordnet ist. Ausgangsseitig sind die Wechselrichter 11 über die Sammelschiene auf einen hier nur angedeuteten Doppeldrehtransformator 12 geschaltet, der mit den Bordsystemen 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 Zerhackermodule werden über Steuereingänge / von einem Steueroszillator 13 angesteuert. Auf diese Weise wird aus den von den Generatormodulen 1 ungeregelt bzw. geregelt gelieferten Gleichspannungen eine Wechsel-

spannung erzeugt, die über den Doppeldrehtransformator 12 an die Bordsysteme des Satelliten geliefert wird.

Der Serienregler 3 ist mit einer Logikschaltung U verbunden, die ähnlich wie die Logikschaltung in dei F i g. 1 aufgebaut ist, und zum Zu- bzw. Abschalten dei einzelnen Generatormodule 1 auf die Sammelschiene ί dient. Dieses Zu- und Abschalten erfolgt allerding· nicht, wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel irr Leistungspfad der Generatormodule, sondern durch Ansteuern der einzelnen Wechselrichter Hi bis H_n ar deren Kontrolleingängen C\, Ci,... C_n. Derartige Ansteuerungen von Wechselrichtern sind aus dei Raumfahrt bereits bekannt und brauchen daher nichi weiter beschrieben zu werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators, der aus mehreren auf eine Sammelschiene aufschaltbaren Generatormodulen besteht, mit einer Logikschaltung, die je nach Leistungsbedarf einer zu versorgenden Last eine bestimmte Anzahl ungeregelter Geueratormodule 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 Generatormoduls (l_r) wesentlich kleiner als diejenige der übrigen Generatormodule (11 bis I_n) ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quellimpedanz des geregelten Generatormoduls (l_r) etwa ein Tausendstel der Queliimpedanz jeder der übrigen Generatormodule (11 bis I_n) ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellglied im Serienregler (3) eine Komplementärdarlingtonstufe (T\, T₂) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung in Wechselspannungssystemen jedem der Generatormodule (ti, I₂,... I_n-. Ir) ein Wechselrichter (Hi, H₂,... H_n; H_r) 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\, ei,... C_n) die ungeregelt auf die Sammelschiene (2) aufgeschalteten Generatormodule (li, I2,... I_n) je nach Leistungsbedarf der Bordsysteme (L) in Betrieb gesetzt oder abgeschaltet sind.