ES2323180T3 - Unidad de regulacion para ingenios espaciales con capacitancia de bus descentralizada. - Google Patents

Abstract

Una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) que comprende una pluralidad de módulos de conversión de potencia destinados a ser acoplados, a través de medios de interconexión, con un bus de potencia para alimentar un nivel de potencia adaptado a los equipos de un satélite, estando provisto cada uno de dichos módulos de conversión de potencia de un condensador de bus (Cmod) acoplado a dicho bus de potencia, caracterizado porque dicho condensador de bus (C mod) está acoplado, merced a dichos medios de interconexión y a través de dicho módulo de conversión de potencia, con dicho bus de potencia, de tal modo que la SRU está provista de una capacitancia descentralizada.

Description

Unidad de regulación para ingenios espaciales con capacitancia de bus descentralizada.

El presente invento se refiere a una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) que comprende una pluralidad de módulos de conversión de potencia destinados a ser acoplados a través de medios de interconexión con un bus o vía de potencia para alimentar un nivel de potencia adaptado a los equipos de un satélite.

Una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) de esta clase ya es conocida en la técnica, por ejemplo por la unidad de acondicionamiento de potencia "SB4-PCU" del SpaceBus 4000 de Alcatel^{MR}. Una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) es una unidad de acondicionamiento de potencia (PCU) destinada a alimentar a la Plataforma PF con una potencia de entre 13 y 19 kW. La SRU está formada por módulos físicos de conversión de potencia yuxtapuestos, en un número que viene determinado por el nivel de potencia de la unidad. Para cada grupo predeterminado de módulos de conversión de potencia está previsto un módulo o un banco de condensadores de bus de potencia. La SB4-PCU está dimensionada, por tanto (conexiones, carga de batería, condensador de bus y estructura del módulo de regulación de la agrupación solar) para la potencia completa.

Es muy cierto que la capacitancia requerida del bus de potencia, por motivos de control de voltaje del bus es tanto más elevada cuanto mayor sea el nivel de potencia. Efectivamente, a una anchura de banda de conversión de potencia electrónica dada, mayores transitorios de carga del bus requieren una mayor capacitancia del bus para que el transitorio de voltaje del bus sea limitado.

Sin embargo, en su parte baja, la unidad de regulación para ingenios espaciales conocida no está optimizada para casos en los que no están presentes todos los módulos de conversión de potencia de un grupo, es decir, cuando la unidad de regulación está constituida por un número reducido de módulos de conversión de potencia acoplados al banco de condensadores del bus de potencia a través de los medios de interconexión y el bus de potencia.

Un banco de condensadores de bus de potencia también supone una significativa penalización para una SRU de baja potencia ya que la capacitancia del bus está dimensionada, en ese caso, para el nivel de potencia máximo. Ha de hacerse notar que, de cualquier modo, sería posible una apropiación del banco de condensadores del bus de potencia de un nivel de potencia a otro, pero ésta no es una solución realmente industrial y tampoco proporciona un volumen de ejecución práctica optimizado.

El documento US 6144115 describe un método y un sistema de distribución compartida de potencia que tiene una pluralidad de fuentes de alimentación de potencia.

Perol P., en "Otro vistazo al regulador de derivación de conmutación secuencial", en PROCEEDINGS OF THE EUROPEAN SPACE POWER CONFERENCE, SN, SL, vol. 1, del 21 de Septiembre de 1998 (1998-09-21), en sus páginas 79-84, XP009028861, se refiere a un regulador de derivación de conmutación secuencial.

Más que nunca, la industria de los satélites GEO (en órbita terrestre geoestacionaria) de telecomunicaciones se enfrenta a un mercado sumamente competitivo, en el que han de mejorarse constantemente los rendimientos técnicos y económicos.

Un objeto del presente invento es proporcionar una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) del tipo conocido antes mencionado pero que utiliza una tecnología apropiada, capaz de mejorar la competitividad en términos de masas y de costes. La presente SRU ha de ser, también, muy competitiva en el margen de entre 6 y 13 kW, manteniendo a la vez la posibilidad de cubrir el margen inferior a partir de 3 kW.

De acuerdo con el invento, este objeto se consigue debido al hecho de que cada una de dichos módulos de conversión de potencia está provisto de un condensador de bus acoplado a través de dichos medios de interconexión con dicho bus de potencia.

De este modo, se consigue una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) o una unidad de condicionamiento de potencia (PCU) con capacitancia descentralizada. Por capacitancia descentralizada debe entenderse que el banco de condensadores del bus de potencia está distribuido entre los diferentes módulos de conversión, es decir, deja de estar incorporado en un único módulo dedicado. Esto permite ahorrar un módulo específico de condensadores de bus de potencia y permite que la capacitancia del bus crezca al aumentar el número de módulos de conversión de potencia dispuestos en paralelo, proporcionando por tanto una impedancia del bus tanto más baja cuanto más elevado sea el nivel de potencia, tal como viene siendo exigido, generalmente, por las restricciones de control.

La distribución de la capacitancia del bus en los módulos de conversión de potencia constituye una solución elegante ya que la SRU modular está constituida por un número de módulos tanto más grande cuanto mayor sea el nivel
de potencia. La unidad contendría, por tanto, una capacitancia del bus que crecería al aumentar el nivel de potencia.

Junto con las ventajas relacionadas con la masa y el volumen, la capacitancia descentralizada del bus permite reducir el coste del desarrollo y de la fabricación recurrente de la unidad. Por supuesto, ya no resulta necesario considerar ningún módulo de capacitancia del bus dedicado.

Una ventaja adicional la constituye la característica de EMC mejorada que puede ofrecer una unidad modular cuando está constituida con una capacitancia de bus descentralizada. Desde luego, en ese caso, cada módulo de conversión de potencia tiene, en su proximidad inmediata, un nivel de capacitancia conveniente que permite el alisamiento de las formas de onda de corriente antes de cualquier circulación de la energía eléctrica. Esto es aplicable, en particular, para el convertidor regulador en derivación de conmutación secuencial S3R, cuando debe trabajarse con grandes escalones de intensidad al nivel del bus de potencia.

Sin embargo, hay que hacer notar que, con la capacitancia descentralizada, en algunas aplicaciones puede aparecer una resonancia parásita entre la capacitancia del módulo y la inductancia emergente de interconexión.

Para impedir esto, otra realización característica del presente invento es que dicho condensador de bus está acoplado, además, a un bus de voltaje situado en paralelo a dicho bus de potencia.

De este modo, la resonancia entre la capacitancia del bus distribuida y la inductancia parásita, es amortiguada por la creación de un bus de voltaje que corre paralelo al bus de potencia.

En una realización preferida, el presente invento se caracteriza, además, porque dicho bus de potencia es un bus de potencia de alto nivel y porque dicho bus de voltaje es un bus de voltaje de bajo nivel.

De esta forma, se consigue la antes mencionada amortiguación de la resonancia entre la capacitancia del bus distribuida y la inductancia parásita.

También otra realización característica del presente invento consiste en que dicho condensador del bus y dicho bus de voltaje están acoplados a través de una resistencia y que dicho condensador del bus y dicho bus de potencia están acoplados a través de una inductancia.

La capacitancia del bus descentralizada, antes mencionada, se considera ahora con una provisión de diseño conveniente desde el punto de vista de la resonancia con inductancia parásita, cuando los condensadores están incorporados en la práctica dentro de los módulos de conversión de potencia. De esta manera, se resuelve el problema de la resonancia entre la capacitancia del bus descentralizada, es decir, distribuida, y la inductancia de interconexión, dentro de una unidad modular de acondicionamiento de potencia. Añadiendo una inductancia conveniente, por ejemplo de 100 nH, y una resistencia de, por ejemplo, 10 mOhmios, se garantiza la amortiguación del bus de voltaje y del bus de potencia.

Asimismo, en una realización preferida, el presente invento se caracteriza, además, porque dicho bus de voltaje está situado en una placa madre destinada a interconectar dichos módulos de conversión de potencia.

La unidad de regulación para ingenios espaciales del presente invento se caracteriza también, además, porque dichos módulos de conversión de potencia están incorporados en diferentes placas hija situadas perpendicularmente a dicho bus de voltaje y a dicho bus de potencia.

De preferencia, dicho bus de potencia y dicho bus de voltaje tienen, en esencia, el mismo nivel de voltaje, mientras que la intensidad que circula por dicho bus de potencia es, relativamente, mucho más alta que la que circula por dicho bus de voltaje.

Ha de observarse que la expresión "que comprende", utilizada en las reivindicaciones, no debe interpretarse como restringida a los medios que se enumeran en lo que sigue. Así, el alcance de la expresión "un dispositivo que comprende medios A y B" no debe limitarse a dispositivos que, solamente, consistan en los componentes A y B. Quiere decir que, en lo que respecta al presente invento, los únicos componentes relevantes del dispositivo son A y B.

Similarmente, ha de observarse que el término "acoplado", también utilizado en las reivindicaciones, no debe interpretarse como restringido a, solamente, conexiones directas. Así, el alcance de la expresión "un dispositivo A acoplado a un dispositivo B", no debe limitarse a dispositivos o sistemas en los que una salida del dispositivo A esté conectada directamente a una entrada del dispositivo B. Quiere decir que existe una vía entre una salida de A y una entrada de B, que puede ser una que incluya otros dispositivos o medios.

Los anteriores y otros objetos y características del invento resultarán más evidentes y el invento en sí mismo se comprenderá mejor haciendo referencia a la siguiente descripción de una realización tomada en conjunto con los dibujos adjuntos, en los que:

la fig. 1 representa simbólicamente barras de potencia y módulos de conversión de potencia con condensadores de bus (C_{mod}) incorporados en la práctica en una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) de acuerdo con el invento;

la fig. 2 es un modelo monopolar de los elementos de la fig. 1; y

la fig. 3 es un modelo monopolar de las barras de potencia y los módulos de conversión de potencia con provisión de compensación de resonancia mediante condensadores (R'_{placa}, L'_{mod}).

La línea de base para alimentar los equipos de un satélite es un bus de potencia con regulación total a 100 V que utiliza fuentes de alimentación de agrupaciones solares durante los períodos de luz y dos baterías de iones de litio durante los períodos de oscuridad. Sin embargo, con potencias más bajas, podría utilizarse una sola batería. Este equipo se subdivide en diferentes módulos mecánicos, lo que permite construir una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) o una unidad de acondicionamiento de potencia (PCU) teniendo en cuenta la demanda de
potencia.

En la fig. 1 se representa un modelo bipolar de una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) o una unidad de acondicionamiento de potencia (PCU) destinada a alimentar una plataforma PF con una potencia comprendida entre 13 kW y 19 kW. La SRU está formada por módulos físicos de conversión de potencia yuxtapuestos, en número determinado por el nivel de potencia de la unidad. Cada uno de los módulos de conversión de potencia está incorporado en una "placa hija" diferente y está acoplado, a través de medios de interconexión, con un bus de potencia de alto nivel constituido por barras de potencia para alimentar con energía el equipo del satélite. Las placas hija en paralelo están situadas en perpendicular al bus de potencia, así como a una placa madre utilizada, también, para interconectar los módulos de conversión de potencia.

Cada módulo de conversión de potencia está provisto de un condensador C_{mod} de bus acoplado, a través de los medios de interconexión, a las barras de potencia de alto nivel del bus de potencia.

Como está distribuida dentro de varios módulos físicos yuxtapuestos, diferentes, de conversión de potencia, las capacitancias del bus constituyen una red eléctrica. La SRU se define como de capacitancia descentralizada. Esto quiere decir que el banco de condensadores del bus de potencia, por ejemplo como el utilizado en la técnica anterior antes mencionada, está distribuido ahora entre los diferentes módulos de conversión de potencia, es decir, ya no está incorporado en un único módulo dedicado.

Por ello, surge la cuestión de la resonancia parásita entre la capacitancia del módulo y la inductancia emergente de interconexión.

Se determinan, por tanto, cuidadosamente las impedancias asociadas basándose en una ejecución práctica detallada de las barras de potencia por medio de los parámetros de una placa hija o placa de circuito impreso (PCB), cables, barras de cobre o de aluminio, etc.

El modelo resultante se ilustra en la fig. 1. Corresponde a módulos con un valor de 150 \muF de capacitancia del bus o condensador C_{mod} del bus que cada módulo de conversión de potencia conecta con barras de potencia de retorno y de positivo que forman el bus de potencia. El condensador C_{mod} del bus está incorporado en la PCB. Las interconexiones se garantizan por medio de cobre, por ejemplo, cables de cobre. En consecuencia, el modelo contiene la resistencia de las pistas de la PCB, de los cables y de las barras (tanto de la vía de positivo como de la de retorno), así como la inductancia asociada.

Con mayor detalle, el condensador C_{mod} del bus está acoplado a las barras de potencia de retorno y de positivo, es decir, al bus de potencia, mediante la conexión en serie de una primera inductancia L_{mod}/2 en serie con una primera resistencia R_{mod}/2, que representan un módulo de conversión de potencia, y de una segunda inductancia L_{con}/2 en serie con una segunda resistencia R_{con}/2, que representan unos medios de interconexión. Estas conexiones en serie están conectadas en paralelo mediante el condensador C_{mod} del bus ya que, en este caso, se considera un modelo
bipolar.

Entre las conexiones de los módulos de conversión de potencia con las barras de potencia puede considerarse, en cada una de las barras de potencia, la conexión en serie de una tercera inductancia L_{barra}/2 y una tercera resistencia R_{barra}/2,

Antes de cualquier otro análisis, el modelo bipolar descrito en lo que antecede se simplifica, primero, para llegar a un modelo monopolar equivalente como el representado en la fig. 2.

Esto facilitará significativamente la presentación del subsiguiente razonamiento sin consecuencias para la ejecución práctica final de la provisión de compensación.

Como ilustración directa, se considerará en este documento el caso de (sólo) 2 módulos de conversión de potencia. Cada módulo se representa mediante el condensador C_{mod} del bus acolado al bus de potencia mediante la conexión en serie de una inductancia, de valor L_{con} + L_{mod} y una resistencia que tiene el valor de R_{con} + R_{mod}. Entre las conexiones de los dos módulos con el bus de potencia aparece la conexión en serie de una inductancia L_{barra} y una resistencia
R_{barra}.

La red equivalente consiste en un circuito RLC resonante en serie con las siguientes cifras de impedancia, dándose los valores de los elementos como ejemplo práctico de ejecución;

1

Esto lleva a la siguiente frecuencia de resonancia e impedancia característica:

2

Evidentemente, sin medidas específicas, la resonancia no será amortiguada por la resistencia de la línea. Lo más crítico es que la frecuencia de conmutación de conversión de potencia estándar de 100 kHz pueda coincidir con la frecuencia de resonancia, con el resultado de transitorios de voltaje inaceptables.

En los párrafos anteriores, se ha elaborado el modelo de condensadores de módulo conectados al bus de potencia y se ha identificado con precisión el comportamiento resonante.

El problema de la resonancia entre una capacitancia de bus descentralizada (es decir, distribuida) y una inductancia de interconexión, dentro de una unidad modular de acondicionamiento de potencia, se resolverá como se explica en lo que sigue.

En los párrafos que siguen, se describirá la previsión de la compensación de la resonancia.

La idea básica para amortiguar la resonancia entre la capacitancia del bus distribuida y la inductancia parásita, consiste en crear un bus de voltaje de bajo nivel paralelo al bus de potencia y creado, de preferencia, al nivel de la placa madre, con una inductancia L'_{mod} (100 nH) y una resistencia R'_{placa} (10 mOhmios) convenientes que garanticen la amortiguación tanto del bus de potencia como del bus de voltaje en la placa madre, denominado en lo que sigue bus de placa madre.

La previsión de la compensación de la resonancia consiste, por tanto, en incorporar en la práctica un segundo bus de voltaje, paralelo al primero. El primer bus está constituido por las barras de potencia (positiva y de retorno). El segundo bus estará constituido por planos de cobre (positivo y de retorno) dentro de la placa madre.

La placa madre está situada perpendicular a las placas hija que incluyen los módulos de conversión de potencia, con el propósito de proporcionar un medio de conexión de potencia media o baja entre estos módulos de conversión de potencia diferentes. La placa madre es paralela a las barras de potencia, que están destinadas a proporcionar una potencia elevada entre los distintos módulos. Si bien se encuentran sustancialmente al mismo voltaje, una corriente de alta potencia, principalmente una corriente continua, circula a través de las barras de potencia, mientras que una corriente mucho menor, generada principalmente por cambios de voltaje transitorios, circula por el bus de voltaje o bus de placa madre.

Para impedir que circule corriente de potencia dentro de la placa madre, se añade una impedancia en serie al nivel del módulo hacia los planos de cobre de la placa madre. El correspondiente modelo (monopolar) se representa en la fig. 3.

La resistencia en serie R_{placa} a nivel del módulo hacia el bus de placa madre aparece claramente en serie con la inductancia parásita L_{placa}. Este último componente está motivado (y dimensionado), fundamentalmente, por el enchufe de los conectadores que conectan cada módulo a la placa madre.

Con mayor detalle, se introduce una resistencia, de preferencia en la placa madre, para formar una resistencia resultante R'_{placa} entre el condensador C_{mod} del bus y el bus de voltaje o bus de placa madre, mientras que se introduce una inductancia para formar una inductancia resultante L'_{mod} entre el condensador C_{mod} del bus y el bus de potencia.

Con respecto al modelo monopolar de bus de potencia y condensadores de módulo ilustrado en la fig. 2 se han despreciado varias impedancias. Esto se justifica como sigue:

- se desprecian las resistencias en serie R_{mod} y R_{con} ya que serán significativamente más bajas que la resistencia R'_{placa} resultante;

- se desprecia la inductancia L_{con} con respecto a la inductancia resultante L'_{mod} ya que esta última inductancia se incrementará deliberadamente hasta un valor significativamente más alto que el de la primara; y

- por razones similares, son despreciables la resistencia en serie y la inductancia del bus de potencia y del bus de placa madre.

Ha de observarse que se llevaron a cabo un análisis de estabilización de la red constituida y simulaciones con características de impedancia detallada para probar que las anteriores aproximaciones son pertinentes.

También ha de observarse que la condición de estabilización de la red constituida con el propósito de compensación de la resonancia es independiente del número de módulos en paralelo.

Una observación final es que las realizaciones del presente invento se describen en lo que antecede en términos de bloques funcionales. A partir de la descripción funcional de estos bloques, dada en lo que antecede, será evidente para una persona experta en la técnica del diseño de dispositivos electrónicos, la forma en que las realizaciones de estos bloques pueden fabricarse con componentes electrónicos bien conocidos. Por ello, no se ofrece la arquitectura detallada del contenido de los bloques funcionales.

Si bien los principios del invento se han descrito en lo que antecede en conexión con un aparato específico, ha de comprenderse claramente que esta descripción solamente se facilita a modo de ejemplo y no como limitación del alcance del invento, como queda definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (7)

1. Una unidad de regulación para ingenios espaciales (SRU) que comprende una pluralidad de módulos de conversión de potencia destinados a ser acoplados, a través de medios de interconexión, con un bus de potencia para alimentar un nivel de potencia adaptado a los equipos de un satélite, estando provisto cada uno de dichos módulos de conversión de potencia de un condensador de bus (C_{mod}) acoplado a dicho bus de potencia, caracterizado porque dicho condensador de bus (C_{mod}) está acoplado, merced a dichos medios de interconexión y a través de dicho módulo de conversión de potencia, con dicho bus de potencia, de tal modo que la SRU está provista de una capacitancia descentralizada.

2. La unidad de regulación para ingenios espaciales de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque dicho condensador de bus (C_{mod}) está acoplado, además, a un bus de voltaje situado en paralelo con dicho bus de potencia.

3. La unidad de regulación para ingenios espaciales de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque dicho bus de potencia es un bus de potencia de alto nivel, y porque dicho bus de voltaje es un bus de voltaje de bajo nivel.

4. La unidad de regulación para ingenios espaciales de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque dicho condensador de bus (C_{mod}) y dicho bus de voltaje están acoplados a través de una resistencia (R'_{placa}), y porque dicho condensador de bus (C_{mod}) y dicho bus de potencia están acoplados a través de una inductancia (L'_{mod}).

5. La unidad de regulación para ingenios espaciales de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque dicho bus de voltaje está situado en una placa madre destinada a interconectar dichos módulos de conversión de potencia.

6. La unidad de regulación para ingenios espaciales de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque dichos módulos de conversión de potencia están construidos en distintas placas hija situadas perpendicularmente a dicho bus de voltaje y a dicho bus de potencia.

7. La unidad de regulación para ingenios espaciales de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque dicho bus de potencia y dicho bus de voltaje tienen, en esencia, el mismo nivel de voltaje, y porque la corriente que circula a través de dicho bus de potencia es, relativamente, mucho mayor que la corriente que circula a través de dicho bus de voltaje.