DE2055692A1 - Einrichtung zum automatischen Betrieb eines Stromversorgungssystems - Google Patents

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-6.m.b.H. Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

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"Einrichtung zum automatischen Betrieb eines Stromversorgungssysteme"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum automatischen Betrieb eines Stromversorgungssysteme, das zwei, über zugeordnete Regeleinrichtungen auf einen gemeinsamen Hauptleiter arbeitende Spannungsquellen aufweist, wobei d|ie Spannung konstant zu halten ist.

Bei solchen Stromversorgungssystemen, bei denen beispielsweise die eine Spannungequelle aus einem Generator und die andere Spannungsquelle aus einer Batterie mit Bntladeregler besteht, versorgt im allgemeinen entweder die eine oder die andere Spannungsquelle die am Hauptleiter liegenden Verbraucher. Dabei weisen die den beiden Spannungsquellen zugeordneten Regeleinrichtungen, die für eine konstante Spannung im Hauptleiter morgmn sollen, unterschiedliche Sollwerte auf. Schwierigkeiten treten nun dann auf, wenn beide Spannungsquellen parallel arbeiten sollen. Sine Notwendigkeit für diesen Betriebsfall liegt beispielsweise dann vor, wenn die von dem Generator erzeugte Leistung kurzfristig oder für längere Zeit zwar nicht mehr ausreicht, um die an dem Hauptleiter liegenden Verbraucher allein zu versorgen, aber doch noch so groß

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let, daß ein Verzicht auf sie von Gesichtspunkt der Leistungebilanz unwirtschaftlich wäre«

Für die weiteren Überlegungen soll beispielsweise ein Stronvereorgungssystem für Satelliten herangezogen werden. Bei diese« ist neben einen Solargenerator, der au« einer Vielzahl von Solarzellen besteht und in der Sonnenphase de· Satelliten Stron er- . zeugt, auch eine Batterie vorgesehen, die in Falle eine· Leistung« Überangebotes des Solargenerator· geladen und Im Falle de· Leistungeunterangebotes, insbesondere in Schattenphaeen des Sat·!· Uten, entladen wird. Un die Spannung de· Hauptleiter· de· Satellit en-Stromversorgungssystens inner In gleicher Höhe sw halten, sind der Batterie ein Bntladeregler und den «1· Stromquelle wirkenden Solargenerator ein sogenannter Shuiit regler angeordnet, der die Spannung an Solargenerator begrenzt. Solar generator und Shunt regler wirken gemeinsam al* Spannung !quell«. Her Stmsttreg~ ler besteht au· dem Shunt wnd der ·β*·η·η*τ|·η S»ont«teuerung *

Da der Solargene*ator auch noch gegen Ind ι der Mi··!·» 41· Ton den Verbrauchern benötigt· Inergie abgebet soll, let «eine Leistung nit Rücksicht auf die in Laufe der fission an« erwartenden Einbußen durch Degradation und Alterung seiner 9e)l«rsell·* auf ein Mehrfache· dsjr Verbraucher-Neaslelatujig besj····*« Da* dadurch gerade bei Beginn der Mission in dejr Sonnenpha·· sei *r*m*~ ' tende Leistungsüb,erangebot des Solargener^tor· wird 1» mehrere« Shunt stufen in Vtirme umgesetzt, dl· von ejjlner etttayrec hemden Regeleinrichtung in der Weise beeinfluat j^erden, daA «la· korn-. : stante Spannung im Hauptleiter gehalten wird.

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Im Hinblick auf fine Optimierung des Energiever«org«ng«sy»tem· 1st es ungünstig_f bei nicht ausreichendemSolargenerater-Leistungsangebot die Versorgung der Lasten allein au· der Batterie vorzunehmen. Eine größere und damit schwerer· Batterie kann

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dadurch vermieden werden, daft auch bei Leistungsunterangebot des Solargenerators die noch i«r Verfügung stehende Leistung den Verbrauchern zugeführt wird und nur dl· verbleibende Leistungedifferens von der Batterie aufgebracht wird. Dies sollte durch den Parallelbetrieb von Solargenerator ait Shuntregler und Batterie Mit Sntladeregler ermöglicht werden.

Üsi nun für den fall des Parallelbetriebes von Solargenerator und Batterie Mit Sicherheit »u vermeiden, daB die Leistung der Batterie in die Shuntstufen abfließt, MUBten die Sollwerte a«r Hauptl ei t er spannung beider Regel einrichtengen genügend unter·* schiedlich sein, so daß auch bei Berücksichtigung ihrer ToI«ran«- feider keine Überlappung auftritt. Je nach Abstiwamng der Referenzen kann nun der Sollwert der HauptleiterSpannung des Ähuntregelkreises (Solargeiterator, Shuntregler und Las«) etwas oberhalb oder unterhalb des Sollwertes* des Entlader«gler-Regelftreise* (Batterie« Kntladeregler und Last) liegen. VShrend lsi ersten folie belst übergang von Leistangsübertfngebot auf Leistungsunterangebot des Solargenerators die Hattptlelterspanmmg von dew Sollwert de« Shuntregelkrelse* auf de« Sollwert des Sntladeregler-Regelkreises absinkt, werde» 1st zweiten falle dl« Slnaktstufen von der über« spannung feststellenden Shunt Steuerung ausgesteuert, so amu trot» Leistungsüberangebot des Sölargentfrators dim Batterie über den' ttni-Iaderegier entladen wird« Äine Pe£tl6g«o|g des Sollwertes U^t H*uptleiterspannung des Shuntregelkreises unterhalb des Sollwertes des Bntladeregler-Regelkreises sniß daher «it Rücksicht auf die Energiebilanz unbedingt vermieden werden« Aber auch dann, wenn der Sollwert der Hauptleiterspannung des Shuntreglerβ oberhalb des Sollwertes des Sntladeregler β liegt, können kritische Momente insbesondere dadurch entstehen, daß nach längerer Mission infolge Alterung Driften der beispielsweise durch Zener-Dioden gebildeten Spannungsrefereneen auftreten, die eine Überlappung der Sollwerttoleransen zur Folge haben könnten. Solche Überlappungen der Sollwerttoleranzen dürfen aber auf keinen Fall auftreten, da sie, wie

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oben schon erwähnt, zu einer Entladung der Batterie in die Shuntstufen führen. Da andererseits die Hauptleiterspannung in einem möglichst engen Toleranzbereich gehalten werden soll (Verbraucher-Anforderungen) , ist es auch nicht möglich, die Sollwerte der Hauptleiterspannung beider Regelkreise zur Vermeidung von Überlappungen allzu weit auseinanderzulegen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird daher darin gesehen, eine Einrichtung zum automatischen Betrieb eines Stromversorgungesystems zu schaffen, das zwei, über zugeordnete Regeleinrichtungen auf einen gemeinsamen Hauptleiter arbeitende Spannungsquellen aufweist, die unter Vermeidung der oben genannten Nachteile einen risikofreien Parallelbetrieb der beiden Spannungsquellen unter Ausnutzung aller zur Verfügung stehender Solargeneratorleistung bei hoher Spannungekonstanz des Hauptleiters ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung dadurch, daß der Sollwert der einen Regeleinrichtung von einer Stellgröße der anderen Regeleinrichtung geführt wird. Die wesentlichen Vorteile der Erfindung bestehen:

1.) in einer Versorgung der Lasten vom Entladeregler bei vollkommener Ausnutzung der angebotenen Solargeneratorleistung, damit erhebliche Massen- und Kostenersparnis;

2.) in einer kontinuierlichen Leistungsübernahme durch den Entladeregler bei konstanter Hauptleiterspannung entsprechend der jeweiligen Differenz von Lastanforderung und Solargeneratorleistungsangebot, damit selbständiger Betrieb ohne Überwachungs- und Umschalteinheiten j

3·) in einer Verbesserung der Spannungekonstanz des Entladereglers in der Schattenphase durch den übergeordneten Shuntregelkreis, damit einer einfacheren Auslegung des Entladereglers i

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k.) einer Beschränkung auf nur eine unabhängige Referenzspannungsquelle als Führungegröße beider Regelkreise, damit Portfall der Driftprobleme, die bei zwei Referenzspannungsquellen auftreten!

5.) in einer Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Hauptleiterspannung aufgrund der Verknüpfung des Shuntregiere mit dem *vtladeregler, d.h. bei Entlastung Abfangen der Spannungsspitzen durch den Shuntregler, sowie bei einer Belastung größer als das Solargenerator-Leistungsangebot Abfangen der Spannungseinbrüche durch den Entladeregler. Damit erübrigen sich weitgehend zusätzliche Regler für spezielle Verbraucher.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird bei einer solchen Einrichtung, insbesondere für ein Stromversorgungssystem von Satelliten, bei denen ein Solargenerator mit einem zugeordneten Shuntregler und eine Batterie mit einem zugeordneten Entladeregler vorgesehen sind, vorgeschlagen, daß die Ausgangsspannung des Entladereglers proportional zum Shuntstrom des Shuntreglers, ausgehend von einem Wert oberhalb des festen Sollwertes der Hauptleiterspannung des Shuntregelkreises in Richtung auf kleinere Werte, verstellt wird. Der Shuntstrom ist im Falle des Parallelbetriebes von Solargenerator mit Shuntregelkreis und Batterie mit Entladeregler bei Solargenerator-Leistungsunterangebot ein Kriterium dafür, daß der Entladeregler eine zu hohe Ausgangsspannung aufweist. Der Shuntstrom, bzw. ein dem Shuntstrom proportionales Signal wird nun gemäß der Erfindung zur Verstellung der Ausgangsspannung des Entladereglers herangezogen. Bei geeigneter Dimensionierung wird dann die auf den Hauptleiter wirkende Ausgangsspannung des Entladereglers auf den Sollwert der Hauptleiterspannung des Shuntregelkreises heruntergeregelt, wobei der Shuntström fast Null ist.

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Be ergeben sich somit zwei gekoppelte Regelkreise, die aus Solargenerator, Shuntregler, Batterie, Entladeregler und Last bestehen. Der Solargenerator kann als Stromquelle dabei sein Leistungeangebot frei in den Hauptleiter einspeisen, so daß jederzeit die gesamte zur Verfügung stehende Solargenerator-Leistung ausgenutzt wird.

Übersteigt das Solargenerator-Angebot die Leistungsanforderungen der Verbraueher, dann bewirkt der Shuntregler wegen des fließenden Shuntstromes eine Verstimmung der Referenz des Entlade« reglere. Diese entspräche einer niedrigeren Ausgangsspannung des Entladeregiere. Da die Hauptleiterspannung vom Shuntregelkreis auf ihrem Sollwert gehalten wird, regelt sioh der Bntladeregler zu, und der aus Solargenerator, Shuntsteuerung, Shuntstufen und Last bestehende Regelkreis übernimmt allein die Einhaltung der Hauptleiterspannung*

Auch in der Schattenphase, d.h. bei Alleinbetrieb der Batterie, ergibt sioh durch die Brfindugg ein wesentlicher Vorteil· Dieser besteht in einer Verbesserung der Regelgenauigkeit, da in der Schattenphase der Shuntregler mit seiner hohen Verstärkung; als zusätzliche Regelschleife im Entladeregler-Regelkreis für eine starke Reduzierung dessen Innenwiderstandes sorgt*

Brfindungsgemäe soll zur Verstellung der Auegang*,spannung Entladereglers ein der als Referenzspannung«quelle dienenden Zener-Diode parallelgeschalteter Steuertransistor vorgesehen sein« dessen Basis mit einer zum Shuntstrom proportionalen Spannung beaufschlagt ist.

Zur Erzielung der Stabilität der gekoppelten Regelkreise ist dem Transistor ein Kondensator parallel gesehaltet. In weiterer Ausbildung der Erfindung soll dem Steuertransistor eist Spannungsteiler und ein zweiter Transistor vorgeschaltet sein* Dabei sind

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zur Temperaturkompensation der Basis-Bmitter-Strecken der Transistoren vorteilhaftervreise Dioden vorgesehen.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausbildung der Erfindung sind anhand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, beschrieben und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Satelliten-Stromversorgungesystems ,

Fig. 2 eine Schaltung zur Beeinflussung des Sollwertes

einer Regeleinrichtung durch die Stellgröße einer anderen Regeleinrichtung.

In Fig. 1 ist alt 1 ein Solargenerator gezeigt, dem für den Fall des Leistungeunterangebotes eine Batterie 2 parallel geschaltet ist. Die Batterie 2 wird bei Leistungsüberangebot des Solargenerators 1 über einen Laderegler 3 geladen und bei Leistungsunterangebot des Solargenerators 1 mittels des Entladereglers k entladen. Zur Einschaltung der Batterieladung ist der Schalter 10 vorgesehen.

Eine dem Solargenerator 1 zugeordnete Regeleinrichtung, die aus einer Shuntsteuerung 6 und einem in Stufen eingeteilten Shunt 7 besteht, halt die Spannung des Hauptleite» 5, an dem verschiedene, unterschiedlich zuschaltbare Verbraucher 8 und 9 hängen, auf konstanter Höhe. Während mit 12 die Verbindungsleitung zwischen der Shuntsteuerung 6 und dem Shunt 7 bezeichnet ist, stellt 11 die Signalleitung zur Beeinflussung des Entladereglers k dar. Mit 13 ist schließlich der Masseleiter bezeichnet.

Gemäß Fig. 2 ist als Referenzspannungsquelle zur Bildung des Sollwertes des Entladereglers eine Zener-Diode 29 mit einem Vorwiderstand 28 und einem parallel liegenden Spannungsteiler, be-

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stehend aus den Widerständen 26 und 27 vorgesehen. Ein zum Widerstand 26 parallel geschalteter Transistor 24 wird über seine Basis so angesteuert, daß beim Fließen von Shuntstrom i . . die Spannung am Ausgang 3I geringer wird, die als Sollwert für den Entladeregler-Regelkreis dient. Damit verringert sich auch die Ausgangsspannung des Entladereglers.

Die Steuerspannung für die Basis des Steuertransistors 24 wird einem aus den Widerständen 20 und 21 bestehenden Spannungsteiler entnommen, der seinerseits von einem zweiten Transistor l8 angesteuert wird.

Die Basis dieses zweiten Transistors 18 wird über die Signalleitung 11 mit einer Steuerspannung beaufschlagt, die dem in der Leitung 14 fließenden Shuntstrom i , direkt proportional ist.

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Die Widerstände 15 und 17 dienen zur Einstellung des Arbeitspunktes des Transistors 18. Eine Diode l6 dient zur Temperaturkompensation der Basis-Emitter-Strecke des Transistors 18, während eine zweite Diode 22 in gleicher Weise die Basis-Emitter-Strecke des Steuertransistors 24 kompensiert. Mit 19 bzw. 25 sind zwei im Emitterzweig der Transistoren 18 bzw.24 liegende Widerstände bezeichnet, während die Widerstände 20, 21 und 23 zur Festlegung des Arbeitspunktes des Steuertransistors 24 dienen. Der Kondensator 30 verhindert eine Selbsterregung der beiden gekoppelten Regelkreise.

Die am Ausgang 3¹ erscheinende, in Abhängigkeit von der Höhe des Shuntströmes i . . veränderbare Referenzspannung wird als Sollwert dem hier nicht mehr dargestellten Soll-Istwert-Vergleich im Entladeregler-Regelkreis zugeführt.

In den Stromversorgungssystemen von Satelliten werden üblicherweise die vorgesehenen Bauteile und Geräte der Zuverlässigkeit wegen in sogenannter redundanter Ausführung verwendet. Es ist daher

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selbstverständlich, daß auch die erfindungsgemäße Schaltung in dieser Weise ausgeführt werden kann, jedoch zeigt die Zeichnung aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit diese Schaltung in einfacher Ausführung.

9 Seiten Beschreibung 6 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung mit 2 Figuren

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Claims (6)

HH 70/49 A V Patentansprüche

1.) Einrichtung zum automatischen Betrieb eines Stromversorgungssysteme, das zwei, über zugeordnete Regeleinrichtungen auf einen gemeinsamen Hauptleiter arbeitende Spannungsquellen aufweist, wobei die Spannung konstant zu halten ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der einen Regeleinrichtung von einer Stellgröße der anderen Regeleinrichtung geführt wird*

2.) Einrichtung nach Anspruch 1, insbesondere für Stromversorgungssysteme von Satelliten, bei denen ein Solargenerator mit einem zugeordneten Shuntregler und eine Batterie mit einem zugeordneten Entladeregler vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, „, daß der Sollwert des Entladeregler-Regelkreises (4) in Abhängigkeit vom Shuntetrom(i . )verstellt wird, wobei der Entladeregler (4) nur die jeweilige Leistungsdifferenz zwischen Lastanforderung und Solargenerator-Leistungsangebot abgibt und bei Solargenerator-Leistungsüberangebot keine Leistung liefert.

3.) Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstellung des durch eine Zener-Diode (29) und des Spannungsteilers, bestehend aus den Widerständen (26) und (27), vorgegebenen Sollwertes des Entladereglers (4) ein parallel geschalteter Steuertraneistor (24) vorgesehen ist, dessen Basis mit einer dem Shuntetrom (i . .) proportionalen Spannung beaufschlagt ist.

4.) Einrichtung naoh Anspruch 3· dadurch gekennzeichnet, daß dem Transistor (24) ein Kondensator (30) parallel geschaltet ist.

5.) Einrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeich-

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net, daß dem Steuertransistor (2k) ein von einem zweiten Transistor (18) angesteuerter Spannungsteiler (20, 21) vorgeschaltet ist.

6.) Einrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß Dioden (16, 22) zur Temperaturkompensation der Basis-Emitter-Strecken der Transistoren (18, 2k) vorgesehen sind.

Licentia
Pat ent-Verwaltungs-GmbH.

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