DE2543537C3 - Anordnung zur Spannungsregelung eines Solargenerators - Google Patents
Anordnung zur Spannungsregelung eines SolargeneratorsInfo
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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
dieses Generatormoduls wesentlich kleiner als diejenige der übrigen Generatormodule ist
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,... In aufgebaut die zueinander parallel auf
eine gemeinsame Sammelschiene 2 geschaltet sind. Ein weiteres Generatormodul lr ist über einen Serienregler
3 ebenfalls mit der Sammelschiene 2 verbunden. Die einzelnen Generatormodule I1 bis In 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 In 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 lr 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 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
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.
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, — llr 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 lr 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 Hn an
deren Kontrolleingängen ei, es,... Cn. Derartige
Ansteuerungen von Wechselrichtern sind aus der Raumfahrt bereits bekannt und brauchen daher nicht
weiter beschrieben zu werden.
Claims (4)
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 (lr) ausgebildet ist und eine derart
hohe Regelkreisverstärkung aufweist, daß die Quellimpedanz dieses Gener-tormoduls (lr) wesentlich
kleiner als diejenige der übrigen Generatormodule(libisl„)ist
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Quellimpedanz des geregelten Generatormoduls (lr) etwa ein Tausendstel der
Quellimpedanz jeder der übrigen Generatormodule (Ii bis In) 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,... Hn; 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,... In) je nach Leistungsbedarf der
Bordsysteme (L) in Betrieb gesetzt oder abgeschaltet sind.
Priority Applications (6)
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