DE3346508C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsverteilungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei bekannten Nachrichtensatelliten dient zum Speisen aller an Bord befindlicher Verbraucher einschließlich der Nachrichtenverstärker und der zur Betriebsüberwachung wie insbesondere Lagesteuerung, Befehlssteuerung, Fern­ meßbetrieb und Temperatursteuerung sowie für die Leistungs- Subsysteme erforderlichen Verbraucher im funktionellen Sinne eine einzige Leistungs-Sammelleitung (Bus). Der Bus wird während der Tageslichtstunden von einer Solar­ zellenanordnung gespeist, die typisch eine Spannung zwi­ schen 23 V und 36 V erzeugt.

Auf einem solchen Satelliten gibt es üblicherweise auf jeder Seite des Satelliten je ein Solarzellenfeld. Da beide Felder an den Bus angeschlossen sind, handelt es sich im funktionellen Sinne um ein einziges Feld.

In dem Leistungsverteilungssystem des typischen Satelliten sind eine Batterie und ein Batterieladegerät in Reihe zwischen den Bus und den Massepol des Raumschiffes ge­ schaltet. Die Batterie wird während des "Tages" geladen, d. h., wenn das Solarzellenfeld Sonnenenergie empfängt, und in der "Nacht", d. h., wenn keine Sonnenenergie empfan­ gen wird, erzeugt sie Leistung zum Speisen der Verbraucher des Raumfahrzeuges. Im Interesse eines höheren Wirkungs­ grades und geringeren Gewichtes benötigen einige der Verbraucher, namentlich Verstärker, eine höhere Spannung als 23 bis 36 V mit relativ kleinen oder engen Toleranzen, beispielsweise 100 V ± 2 V. Zum Erzeugen der höheren Span­ nung mit engerer Toleranz haben die bekannten Systeme üblicherweise Spannungserhöhungseinrichtungen (Booster­ schaltungen) sowie Spannungsregler. Zur Vermeidung eines Ausfalls des Leistungsverteilungssystems bei Versagen einer seiner Komponenten sind die Batterie, das Batterie­ ladegerät, der Spannungsregler und die Spannungserhöhungs­ einrichtung gewöhnlich doppelt vorgesehen. Doppelte Span­ nungserhöhungseinrichtungen, Spannungsregler, Batterien und Batterieladegeräte sind aber unerwünscht aufwendig hinsichtlich Gewicht, Volumen und Kosten. Eine Möglichkeit zur teilweisen Lösung dieses Problems besteht darin, den 35 V-Bus durch eine 100 V-Bus zu ersetzen, wofür aber 100 V- Batterien erforderlich sind, was aus praktischen Gründen unzweckmäßig ist.

Auf der von Nachrichtensatelliten benutzten Umlaufbahn gibt es nur zwei Perioden von jeweils 44 Tagen, in denen der Satellit nicht 24 Stunden lang beleuchtet wird. In­ nerhalb dieser beiden Perioden von je 44 Tagen herrscht für den Satelliten "Nacht" für eine Zeitdauer zwischen zwei Minuten und 72 Minuten. In gewisse Satellitensyste­ men müssen nicht alle Verbraucher während der Nachtperio­ den gespeist werden. Insbesondere müssen die Nachrichten­ verstärker, die von allen Verbrauchern die engsten Span­ nungstoleranzen haben und die höchsten Spannungen sowie am meisten Strom benötigen, während der Nacht nicht ar­ beiten.

Aus "Proc. of the 15th Intersoc. Energy Conv. Eng. Conference" 18.-22. August 1980 ist bereits ein Leistungsverteilungssystem der eingangs genannten Art mit zwei funktionell unterscheid­ baren Bussen zur Leistungsverteilung bekannt. Bei dem bekannten System besteht der elektrische Energiespeicher aus zwei Batterie­ einheiten, von denen die eine an den einen und die andere an den anderen Bus angeschlossen ist. Beide Batterien können auch parallel geschaltet werden. Ferner kann bei Auswahl einer Bat­ terie die andere Batterie beide Busse versorgen. Die Nennspan­ nung ist auf beiden Bussen gleich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungsvertei­ lungssystem der betrachteten Art zu schaffen, das einerseits eine ununterbrochene Energieversorgung mit der für die Betriebs­ steuerung des Satelliten erforderlichen Spannung gewährleistet und andererseits mit möglichst wenig Aufwand für die Energie­ versorgung von Verbrauchern wie z. B. Nachrichtenverstärkern auskommt, die eine - insbesondere höhere - Spannung benötigen, welche nicht ununterbrochen verfügbar sein muß.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Leistungsverteilungssystem gelöst.

An dem in der Zeichnung schematisch dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert.

Das dargestellte Leistungsverteilungssystem weist in den ge­ strichelt dargestellten Blöcken 12 a bzw. 14 a ein erstes Solar­ zellenfeld 12 bzw. ein zweites Solarzellenfeld 14 auf. Die Solarzellenfelder 12 und 14 sind über in einer Reihe zwischen den Pfeilen 16 und 18 angeordnete Schleifringe mit dem rechts von den Pfeilen 16, 18 dargestellten restlichen Teil 20 des Leistungsverteilungssystems verbunden. In einem Satelliten des hier betrachteten Typs, für den die Erfindung bestimmt ist, gibt es in der Praxis typisch acht gesonderte Solarpaneele, vier auf der einen Seite des Satelliten und vier auf der anderen Seite. Zur Erläuterung der Erfindung genügt es aber, auf die beiden beschriebenen Solarzellenfelder Bezug zu nehmen.

Wenn die Sonne zur Verfügung steht, erzeugt das Solarzel­ lenfeld 12 nominell eine Spannung von 100 V, während die von dem Solarzellenfeld 14 erzeugte Nennspannung 35 V beträgt. Jedes Feld besteht aus einer großen Anzahl von Solarzellen, die in einer noch zu beschreibenden Weise angeordnet sind.

Darstellungsgemäß enthält jedes der Solarzellenfelder 12 und 14 eine Anzahl von Blöcken, die ihrerseits jeweils eine Mehrzahl von Solarzellen repräsentieren. Beispiels­ weise stellt jeder der Blöcke 22 und 24 im Solarzellen­ feld 14 siebzehn parallelgeschaltete Spalten von Solar­ zellen dar, von denen jede Spalte 32 in Reihe geschaltete Zellen umfaßt. Bei einem anderen Beispiel stellt jeder der Blöcke 26 und 28 siebzehn parallelgeschaltete Spalten von Solarzellen dar, von denen jede Spalte 57 in Reihe ge­ schaltete Solarzellen umfaßt. Die Solarzellen selbst sind handelsübliche Bauteile, die typisch 0,49 V bei 0,3 A unter 28°C im Vakuum erzeugen können.

Auf einer Seite des Blocks 22 sind die miteinander ver­ bundenen Enden aller Solarzellenspalten des Blockes 22 über eine Diode 30 an den Schleifring 32 angeschlossen. Auf der anderen Seite des Blockes 22 sind die miteinander ver­ bundenen Enden der Solarzellenspalten über einen Leiter 34 in die miteinander verbundenen Enden aller Solarzellen­ spalten auf der einen Seite des Blockes 26 und an den Schleif­ ring 36 angeschlossen. Die anderen miteinander verbundenen Enden aller Solarzellenspalten im Block 26 sind über den Schleifring 38 an den Massebus 40 des Systems angeschlossen. Die durch die Blöcke 24 und 28 repräsentierten Solarzellen­ gruppen sind mit dem Schleifring 44 und untereinander in ähnlicher Weise verbunden wie die Verbindung zwischen dem Schleifring 36 und den Solarzellen der Blöcke 22 und 26. Die parallelgeschalteten Spalten von Solarzellen im Block 22 liegen also in Reihe mit den Solarzellenspalten im Block 26, und die in Reihe geschalteten Blöcke 24 und 28 sind zwi­ schen den Massebus 40 und den Schleifring 32 über die Dio­ de 42 geschaltet, während die Verbindungsstelle der Solar­ zellen in den Blöcken 24 und 28 an den Schleifring 44 ange­ schlossen ist.

Die Verbindungen der Solarzellen im Feld 12 sind allgemein ähnlich denjenigen im Feld 14. Unterschiede bestehen hin­ sichtlich der Einzelheiten jedes Blockes und der Anzahl von Blöcken. Beispielsweise hat das Solarzellenfeld 12 sieben parallele Gruppen von Blöcken im Gegensatz zu zwei Gruppen im Fall des Feldes 14, von denen im Feld 12 vier Gruppen dargestellt sind. Jeder der Blöcke im Feld 12 re­ präsentiert elf Spalten von Solarzellen (im Gegensatz zu siebzehn im Falle der Blöcke im Feld 14). Alle sieben parallelen Gruppen von Solarzellenblöcken sind am einen Ende über jeweilige Dioden 46 an den Schleifring 48 ange­ schlossen. An ihren anderen Enden sind alle sieben Gruppen von Solarzellenblöcken über den Schleifring 50 mit dem Massebus 40 verbunden.

Aus noch zu erläuternden Gründen unterscheiden sich zwei der sieben Gruppen in ihrer körperlichen Anordnung etwas von den anderen fünf Gruppen innerhalb des Solarzellen­ feldes 12. Bei diesen beiden Gruppen handelt es sich um die am weitesten links und am weitesten rechts im Feld 12 befindlichen Gruppen, die mit 52 bzw. 54 bezeichnet sind. Jede dieser beiden Gruppen 52 und 54 besteht aus fünf Blöcken von Solarzellen (im Gegensatz zu den anderen fünf Gruppen, die jeweils aus vier Solarzellenblöcken bestehen). Die in jeden Block im Feld 12 eingetragene Zahl bedeutet beispielsweise die Anzahl von Solarzellen, die in jeder der elf Spalten von Solarzellen des betreffenden Blockes in Reihe geschaltet sind.

Die Verbindungsstelle zwischen den Blöcken 56 und 58 ist über eine Diode 60 an den Schleifring 62 angeschlossen. In ähnlicher Weise ist die Verbindungsstelle zwischen den Blöcken 64 und 66 über eine Diode 68 mit dem Schleifring 70 verbunden. Die Verbindungsstelle zwischen den Blöcken 58 und 72 ist mit dem Schleifring 74 verbunden, diejenige zwischen den Blöcken 66 und 76 mit dem Schleifring 78. Die oberen Blöcke 80 jeder der Solarzellengruppen des Feldes 12 sind mit je einem Schleifring wie z. B. dem Schleifring 82 innerhalb des gestrichelten Blockes 83 ver­ bunden. Jeder der Schleifringe wie 82 ist seinerseits mit einem Mehrfachabschnitt-Shunt 84 verbunden.

Der Schleifring 48 ist an den 100 V-Bus 86 des Satelliten­ systems angeschlossen. Die Schleifringe 74 und 78 sind über Relaiskontakte 88 a und 88 b mit einem Mehrfachabschnitt- Shunt 90 verbunden. Die Shunts 84 und 90 sind an sich übli­ cher Art. Die Schleifringe 62 und 70 sind über Relais­ kontakte 88 a und 88 d mit dem 35 V-Bus 92 des Systems ver­ bunden. Alle Relaiskontakte 88 a, 88 b, 88 c und 88 d werden von einer gemeinsamen Relaisspule 88 gesteuert. Wie noch beschrieben wird, wird die Relaisspule 88 von einer Fern­ steuereinheit 94 entweder erregt oder nicht erregt. Der Schleifring 32 ist an den 35 V-Bus 92 angeschlossen, wäh­ rend die Schleifringe 36 und 44 mit dem Mehrfachabschnitt- Shunt 90 verbunden sind.

Der 100 V-Bus 86 ist seinerseits mit einer Anzahl von Ver­ brauchern verbunden, von denen als typisches Beispiel ein Wanderwellenröhren- oder kurz TWT-Verstärker 100 darge­ stellt ist. Der TWT-Verstärker 100 ist Teil des Nachrich­ tenverstärkersystems. TWT-Verstärker wie der Verstärker 100 werden typisch auch mit Heizstrom vom 35 V-Bus 92 ge­ speist. Im übrigen ist der TWT-Verstärker 100 zwischen den 100 V-Bus 86 und den Massebus 40 geschaltet. Zwischen den 100 V-Bus 86 und den Massebus 40 ist eine Mehrfach- Shuntsteuereinheit 102 an sich bekannter Art geschaltet. Zwischen dieser Einheit 102 und dem Shunt 84 liegt eine Mehrfachleiterverbindung, deren Mehrfachdrähte als solche durch den Schraffurstrich 104 angedeutet sind.

Auch der 35 V-Bus 92 ist an eine Mehrzahl von Verbrauchern angeschlossen. Ein typischer zur Betriebssteuerung dienender Verbraucher ("Housekeeping-Last") ist durch den Block 106 dargestellt. Die Verbraucher, die mit dem 35 V- Bus verbunden sind, müssen ununterbrochen in Betrieb blei­ ben, also auch während der Zeiten, in denen die Solar­ zellenfelder 12 und 14 nicht von der Sonne beleuchtet werden. Der während der Dunkelperioden benötigte Strom wird von einer Batterie 108 geliefert, die während der Beleuchtungsperioden von einem Batterieladegerät 110 im aufgeladenen Zustand gehalten wird. Die Batterie 108 und ihr Ladegerät 110 können an sich bekannter Art sein (US-PS 43 13 078). Zwischen den 35 V-Bus 92 und die Ver­ bindungsstelle zwischen dem Batterieladegerät 110 und der Batterie 108 ist eine Diode 112 geschaltet. Wenn die Sonne nicht zur Verfügung steht, versorgt also die ge­ ladene Batterie 108 den 35 V-Bus mit elektrischer Leistung.

Wie an sich bekannt ist (vgl. das erwähnte Patent), sind in Wirklichkeit mehrere Batterien und mehrere Ladegeräte vorhanden. Eine solche Batterieschaltung ist in der Zeich­ nung funktionell dargestellt. Eine durch eine Mehrfachlei­ terverbindung zwischen den 35 V-Bus 92 und den Mehrfach­ abschnitt-Shunt 90 geschaltete Shuntsteuereinheit 116 steuert dessen Betrieb.

Der Betrieb des Leistungsverteilungssystems hängt davon ab, ob die Solarpaneele voll entfaltet sind oder nicht. Wäh­ rend der Transferbahn des Satelliten sind sie nicht ent­ faltet. Im letztgenannten Fall ist das Solarpaneel oder Solarzellenfeld 12 teilweise vom Solarzellenfeld 14 be­ deckt. Während der Transferbahn sind jedoch die Solarzel­ lenblöcke 58, 72, 66 und 76 von der Sonne beleuchtet. Dies ist aus noch zu erläuternden Gründen wichtig.

Obwohl in chronologischer Reihenfolge die Solarzellenfel­ der zuerst zusammengefaltet sind und sich erst später im entfalteten Zustand befinden, soll zunächst der Betrieb im letztgenannten Zustand erörtert werden. Wenn die Solar­ zellenfelder 12 und 14 entfaltet sind, sind die Relais­ kontakte 88 a, 88 b, 88 c und 88 d in den in der Zeichnung dar­ gestellten Positionen, also offen. Die vom Solarzellen­ feld 14 erzeugte Leistung gelangt über den Schleifring 32 zum 35 V-Bus 92 und über diesen zu den Verbrauchern wie denjenigen für die Betriebssteuerung im Block 106 sowie zu den Heizschaltungen der TWT-Verstärker 100 und zum Batterieladegerät 110. Die vom Solarzellenfeld 12 erzeugte Leistung gelangt dagegen über den Schleifring 48 zum 100 V-Bus 86 und somit zu dessen angeschlossenen Verbrauchern wie dem TWT-Verstärker 100. Bei voll arbeitenden Solarzel­ len und voller Sonne liefern die Solarzellenfelder 12 und 14 in Wirklichkeit mehr als 100 V bzw. 35 V und mehr Strom als notwendig ist. Die Mehrfach-Shuntsteuereinheit 102 hat den Zweck, am 100 V-Bus 86 Abweichungen von der Spannung von 100 V über die zulässigen Grenzen hinaus festzustellen. Wenn eine solche Abweichung festgestellt wird, veranlaßt die Steuereinheit 102 den Shunt 84, durch einen Nebenschluß den Strom in einer oder mehreren Solarzellengruppen im Solarzellenfeld 12 nach Masse abzuleiten, um die Spannung von 100 V auf den Bus 86 unter allen Last- und Paneelbedin­ gungen (bei vorhandener Sonne) aufrechtzuhalten.

In ähnlicher Weise stellt die Shuntsteuereinheit 116 auf dem 35 V-Bus 92 eine Abweichung von der Nennspannung von 35 V fest, die den zulässigen Abweichungsbereich überschrei­ tet. Wenn dies der Fall ist, veranlaßt die Steuereinheit 116 den Mehrfachabschnitt-Shunt 90, Strom von dem einen oder anderen Solarzellenabschnitt oder Block 26, 28 im Solarzellenfeld 14 durch einen Nebenschluß nach Masse ab­ zuleiten.

Während der obenerwähnten, zweimal im Jahr auftretenden Perioden von je 44 "Nächten", in denen das Solarzellenfeld 12 keine Leistung erzeugt, empfangen die Verbraucher wie der TWT-Verstärker 100 vom 100 V-Bus 86 keine Betriebslei­ stung. Die Heizleistung der TWT-Verstärker wird jedoch während der Nachtperioden weiterhin vom Bus 92 aufrecht­ erhalten. Da während der Nachtperioden das Solarzellen­ feld 14 ebenfalls keine Leistung erzeugt, dient während dieser Zeit die Batterie 108 zur Versorgung des 35 V-Busses 92.

Während der Transferbahn, also wenn die Solarpaneele nicht entfaltet sind, ist es nicht möglich, daß beide Solarzellenfelder 12 und 14 Sonnenenergie empfangen. Ob­ wohl während der Transferbahn der Satellit die Spannung von 100 V nicht benötigt (weil die TWT-Verstärker nicht in Betrieb sind), ist das Solarzellenfeld 14 außerdem nicht in der Lage, eine für den Betrieb des Satelliten ausreichen­ de Leistung von 35 V zu erzeugen. Deshalb wird während der Transferbahn, d. h. vor dem Entfalten der Solarpaneele die Relaisspule 88 durch die Fernsteuereinheit 94 mit Hilfe von Erdsignalen erregt, um alle Kontakte 88 a, 88 b, 88 c und 88 d zu schließen. Während die Relaisspule 88 erregt ist, lie­ fern die Solarzellenabschnitte oder Blöcke 58 und 72 so­ wie 66 und 76 über die zugehörigen Schleifringe 62 und 70 und die Relaiskontakte 88 c bzw. 88 d Leistung an den 35 V- Bus 92 zusammen mit der vom Solarzellenfeld 14 geliefer­ ten Leistung. Auch in diesem Fall können die Solarzellen ebenso wie bei voll entfalteten Feldern eine Spannung von mehr als 35 V erzeugen. Deshalb steuert die Shuntsteuer­ einheit 116 den Mehrfachabschnitt-Shunt 90 dahingehend, daß Strom vom Solarzellenabschnitt oder Block 72 und/oder vom Block 76 je nach Bedarf nach Masse abgeleitet und da­ durch die richtige Spannung auf den Bus 92 aufrechterhal­ ten wird.

Im Rahmen der Erfindung können die genannten speziellen Spannungen wie 100 V und 35 V sowie die genannte Anzahl von Solarpaneelen und Solarzellen in jedem Feld und deren An­ ordnung geändert werden.

Es ist möglich, daß während des normalen Betriebes, d. h. wenn beide Solarzellenfelder voll entfaltet sind, im Solarzellenfeld 14 ein Fehler auftreten kann, der aus­ reicht, das Feld 14 zeitweilig oder für immer betriebs­ unfähig zu machen. Auch dann muß aber auf dem 35 V-Bus noch Spannung verfügbar bleiben. In einer solchen Situation wird die Relaisspule 88 so erregt, wie dies oben im Zu­ sammenhang mit dem Betrieb bei nicht entfalteten Feldern 12 und 14 beschrieben wurde. Bei erregter Relaisspule 88 liefert das Solarzellenfeld 12 Leistung an den 35 V-Bus 92, um ihn betriebsfähig zu halten. Unter diesen Umständen steht eine entsprechend verringerte Leistung für den 100 V-Bus 92 zur Verfügung, so daß weniger TWT-Verstärker und andere 100 V-Verbraucher betrieben werden können. Der Satellit ist dann in der Lage, mit geringerer Fernmelde- Leistungsfähigkeit weiterzuarbeiten.

Claims (4)

1. Leistungsverteilungssystem für einen Satelliten mit einem ersten und einem zweiten Solargenerator wie z. B. Solarzellenfelder jeweils zur Umwandlung der empfangenen, nicht ununterbrochen zur Verfügung stehen­ den Sonnenenergie in elektrische Energie, mit zwei oder mehreren mit den beiden Solargeneratoren verbun­ denen Leistungsverteilungseinrichtungen und mit einem elektrischen Energiespeicher, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Energiespeicher (108) nur an eine erste der Leistungsverteilungseinrichtungen (92) angeschlossen ist, nur von dem ersten Solargenerator (14) bei Empfang von Sonnenenergie mit elektrischer Energie gespeist wird und bei fehlender Sonnenenergie seinerseits nur die erste Leistungsverteilungseinrichtung (92) mit Leistung versorgt.

2. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden Solargeneratoren (12, 14) zwei unterschiedliche Werte (35 V bzw. 100 V) elektrischer Energie zur Ver­ sorgung der ersten Leistungsverteilungseinrichtung (92) bzw. einer zweiten Leistungsverteilungseinrich­ tung (86) erzeugen.

3. Leistungsverteilungssystem nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste bzw. die zweite Leistungsverteilungseinrichtung (92, 86) die von dem ersten bzw. von dem zweiten Solar­ generator (14 bzw. 12) erzeugte Energie mit dem niedrige­ ren bzw. diejenige mit dem höheren elektrischen Wert (35 V, 100 V) empfängt.

4. Leistungsverteilungssystem nach einem der vorangehen­ den Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung (94, 88, 88 c, 88 d) zur selektiven Ver­ bindung des zweiten Solargenerators (12) mit der ersten Leistungsverteilungseinrichtung (92).