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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Satelliten befördern typischerweise Solarzellenanlagen,
die die für
den Betrieb der Satelliten-Bordsysteme
benötigte
Energie liefern. Während der
sonnenabgewandten Perioden jedoch entnimmt der Satellit die Energie
zur Versorgung der Bordsysteme seinen Batterien. Nach den sonnenabgewandten
Perioden, wenn die Solarzellenanlage wieder dem Sonnenlicht ausgesetzt
ist, werden die Batterien durch die von der Solarzellenanlage gelieferte
Energie wieder aufgeladen. Auf diese Weise hatten in der Vergangenheit
Satelliten sowohl Solarzellenanlagen als auch Batterien zur Energieversorgung
der Bordsysteme zu befördern.
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Die Solarzellenanlage und die Batterien
liefern auch Energie an eine Vorrichtung, die die Steuerung und
Ausrichtung des Satelliten bereitstellt. In der Vergangenheit haben
in Bezug auf drei senkrechte Achsen kritisch ausgerichtete Reaktionsräder die Steuerungs-
und Ausrichtaufgaben erfüllt.
Rotierende Reaktionsräder
erzeugen Drehmomente, die teilweise von der Geschwindigkeit und
der Drehrichtung des Reaktionsrads abhängig sind. Gemäß den Befehlen
z. B. eines Mikroprozessors, der von der Solarzellenanlage und den
Batterien mit Energie versorgt wird, werden nach bekannten Steuerungsgesetren
die Geschwindigkeiten der Reaktionsräder eingestellt.
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Batterien benötigen auch zur Verlängerung ihrer
Lebensdauer und damit zur Erfüllung
der Satelliten-Einsatranforderungen eine genaue Regelung über ihre
Ladekurve. Die von einer Solarzellenanlage erzeugte Energie ist
aber vom Beginn der Lebensdauer (beginning of life – BOL) der
Solarzellenanlage bis zum Ende der Lebensdauer (end of life – EOL) der
Solarzellenanlage starken Schwankungen ausgesetzt. Da die Batterien
mit einer festen Ladekurve geladen werden, muss jeder Satellit zur
Gewährleistung,
dass die von der Solarzellenanlage erzeugte Energie mit der Ladespannung
kompatibel ist, eine Leistungsregelschaltung enthalten. Beispielsweise sind
Nebenschlussregler oder Hauptstromregler kennzeichnende Erfordernisse
zur Regelung des Stromflusses von der Solarzellenanlage und zur
Sicherstellung der ordnungsgemäßen Ladekurve.
Bei der Regelung des Stromflusses von der Solarzellenanlage führen Nebenschlussregler Überstrom
typischerweise über
einen Widerstand einfach an Masse ab. Daher wird, obwohl eine Regelung
erreicht wird, anderweitig nutzbringende Energie vergeudet. Andererseits
verringern Hauptstromregler wegen innerer Verluste in ihrer Schaltung
für Raumfahrzeuglasten verfügbare Energie.
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Ferner beanspruchen Reaktionsräder, Batterien
und die Batterieladeregelschaltung einen beträchtlichen Teil des zugeteilten
Satellitengewichts. Insbesondere sind Satellitenbatterien äußerst schwer.
Daher kann ein Satellit nicht so viel wissenschaftliche, Fernmelde-
oder andere Ausrüstung
aufnehmen, wie er dazu sonst in der Lage wäre. Außerdem werden durch ein erhöhtes Satellitengewicht auch
die Startkosten erhöht.
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Daher besteht ein Bedarf nach einem
verbesserten Solarzellenanlagen-Regel- und Satellitenausrichtsystem,
das die oben erwähnten
und in der Vergangenheit festgestellten Nachteile vermeidet.
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Die US-4,723,735 offenbart ein Energiespeichersteuersystem
bestehend aus zwei Schwungrädern,
die in der Weise gesteuert werden, dass ihre Winkelmomente auf ein
Null-Nettowinkelmoment ausgeglichen werden. Um eine derartige Steuerung der
Schwungräder
zu ermöglichen,
werden ihre Steuereinrichtungen so angeordnet, dass ihre Steuerung
in gegenseitiger Abhängigkeit
durchgeführt wird.
Genauer gesagt sind die Steuereinrichtungen der zwei Schwungräder nicht
direkt an einen Leistungsbus gekoppelt, sondern sie erhalten beide
ein Signal auf der Grundlage einer festgelegten Bezugsspannung und
dem Leistungsbus. Dieses Signal und weitere einen Lastzustand kennzeichnende
Signale werden so kombiniert, dass jede der Steuereinrichtungen
ein jeweiliges Steuersignal erhält,
um die gewünschte
Abhängigkeit
für den
Betrieb der zwei Schwungräder
zu erhalten.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, die Regelung einer Solarzellenanlage und die Ausrichtung
eines Satelliten bereitzustellen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
die Regelung einer Solarzellenanlage und die Ausrichtung eines Satelliten
bereitzustellen, bei der die von einer Solarzellenanlage gelieferte
Energie wirksam verwendet wird.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
unter Verwendung von Schwungrädern Energie
für einen
Satelliten zu speichern, diesen zu steuern und auszurichten.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
die Batterien in einem Satelliten im Wesentlichen zu entfernen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Endung,
Größe, Gewicht
und Kosten eines Satelliten zusammen mit den damit verbundenen Startkosten zu
verringern.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
Größe, Gewicht
und Kosten des Energiespeichersystems und des Ausrichtsystems eines
Satelliten zu verringern.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
den Umfang der wissenschaftlichen, Kommunikations- und anderer Ausrüstung, die
ein Satellit befördern
kann, zu erhöhen.
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In Anbetracht der obigen Ausführungen
stellt die vorliegende Erfindung ein Satelliten-Energieregelungs- und Ausrichtsystem
nach Anspruch 1 bereit.
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Das Satelliten-Energieregelungs-
und Ausrichtsystem der vorliegenden Erfindung enthält eine mit
einem Leistungsbus verbundene Solarzellenanlage, mindestens ein
erstes und ein zweites Schwungrad und mit dem ersten und dem zweiten
Schwungrad verbundene eigene Schwungradregler. Der Leistungsbus
leitet die von der Solarzellenanlage erzeugte Solarzellenspannung
weiter. Das erste und das zweite Schwungrad können zur Erhöhung oder
zur Verringerung der Größe der in
den Schwungrädern gespeicherten
Rotationsenergie mit verschiedenen Geschwindigkeiten rotieren. Zusätzlich enthalten
die Schwungradregler einen Leistungssteuerschaltkreis, der den Zeitpunkt
zur Speicherung oder zur Entnahme der Leistung in oder aus den Schwungrädern bestimmt.
Ein mit jedem Schwungrad verbundener Schwungradmotor/-generator
speichert in der rotierenden Scheibe Leistung in einem Vorgang,
bei dem die Rotationsenergie der rotierenden Scheibe erhöht wird,
und entnimmt der rotierenden Scheibe Leistung in einem Vorgang,
der eine Verringerung der Rotationsenergie der rotierenden Scheibe
bewirkt.
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Der Schwungradregler ist mit dem
Leistungsbus und dem Schwungradmotor/-generator verbunden. Wie oben
erwähnt,
enthält
der Schwungradregler einen Leistungssteuerschaltkreis, der ermöglicht,
dass im Allgemeinen während
einer Energiespeicherperiode Leistung vom Leistungsbus zum Schwungradmotor/-generator
fließt,
und der ermöglicht,
dass im Allgemeinen während
einer Energieentnahmeperiode Leistung vom Schwungradmotor/ -generator
zum Leistungsbus fließt.
Der Schwungradregler enthält
weiter eine mit dem Leistungssteuerschaltkreis und dem Leistungsbus
verbundene Rückkopplungssteuerschleife.
Die Rückkopplungssteuerschleife
bestimmt durch Vergleich einer festgelegten Bezugsspannung mit der
Leistungsbusspannung die Energiespeicherperioden und die Energieentnahmeperioden.
Die Energiespeicherperioden entsprechen im Allgemeinen den sonnenzugewandten
Zeiten der Solarzellenanlage, während
die Energieentnahmeperioden im Allgemeinen den sonnenabgewandten Zeiten
der Solarzellenanlage entsprechen.
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Der Schwungradregler kann auch eine
programmierbare Bezugsspannung enthalten, die im Wesentlichen die
von der Solarzellenanlage erzeugte Spannung abgleicht. Sowohl der
Schwungradregler als auch die Lasten können dann vom Beginn bis zum
Ende der Lebensdauer der Solarzellenanlage ohne wesentlichen Leistungsverlust
durch einen Nebenschlussregler oder einen Hauptstromregler mit der
richtigen Solarzellenspannung betrieben werden.
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KURZBESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
einen Blockschaltplan eines Aufbaus eines Satelliten-Energieregelungs-
und Ausrichtsystems mit Schwungrädern.
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2 zeigt
einen Schaltplan eines Schwungradreglers und eines Schwungradmotors/-generators.
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3 zeigt
ein typisches Strom-Spannungsprofil eines Schwungradmotors/-generators.
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4 zeigt
eine typische Änderung
der Spannungs- und Stromkennwerte einer Solarzellenanlage vom Beginn
bis zum Ende der Lebensdauer der Solarzellenanlage.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
einen Blockschaltplan eines beispielhaften Aufbaus eines Satelliten-Energieregelungs-
und Ausrichtsystems mit Schwungrädern.
Das System enthält
eine mit einem Leistungsbus 104 verbundene Solarzellenanlage 102.
Außerdem
sind die Satellitenlasten 106, der erste Schwungradregler 108 und
der zweite Schwungradregler 110 bis zum N-ten Schwungradregler 112 mit
dem Leistungsbus 104 verbunden und entnehmen diesem Leistung.
Der erste Schwungradregler 108 ist mit dem ersten Schwungrad 114,
der zweite Schwungradregler 110 mit dem zweiten Schwungrad 116 und
der N-te Schwungradregler 112 mit dem N-ten Schwungrad 118 verbunden.
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Jedes Schwungrad 114–118 kann
beispielsweise aus Scheiben aus einem hochfesten Verbundwerkstoff
mit niedriger Dichte aufgebaut sein, die zur Erhöhung oder zur Verringerung
des Betrags der im Schwungrad gespeicherten Rotationsenergie mit verschiedenen
Geschwindigkeiten rotieren können. Weiterhin
sind die einzelnen Schwungräder 114–118 typischerweise
für paarweisen
Betrieb ausgelegt.
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Rotierende Schwungräder erzeugen
Drehmomente, die z. T. von der Geschwindigkeit und der Drehrichtung
des Schwungrads abhängen.
Das erste Schwungrad in einem gegebenen Schwungräderpaar rotiert in der zum
zweiten Schwungrad entgegengesetzten Richtung. Wenn die Schwungräder eines
Schwungräderpaars
vollkommen ausgerichtet sind und mit derselben Geschwindigkeit rotieren,
ist im Ergebnis das Netto-Drehmoment null, und es wird keine resultierende
Kraft erzeugt. Wenn aber Reaktionsräder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten rotieren,
wird eine Netto-Drehmoment erzeugt, das zur Steuerung und Ausrichtung
des Satelliten verwendet werden kann.
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Beispielsweise können das erste Schwungrad 114 und
das zweite Schwungrad 116 ein entlang einer x-Achse ausgerichtetes
Paar umfassen. Ferner können
Schwungräderpaare
entlang einer y-Achse und einer z-Achse ausgerichtet werden, und
es kann auch ein zusätzliches
Reserve-Schwungräderpaar bereitgestellt
werden. Das Reserve-Schwungräderpaar
wird so angeordnet, dass es jedes der anderen Schwungräderpaare
bei einem Ausfall ersetzen kann. So kann eine Steuer- und Ausrichtanordnung von
Schwungrädern
in der gleichen Weise wie bekannte Steuer- und Ausrichtanordnungen
von Reaktionsrädern
gestaltet werden. Bekannte Steuerungsgesetze dienen zur Einstellung
der Schwungradgeschwindigkeiten gemäß den Befehlen beispielsweise eines
Mikroprozessors. Obwohl zur Steuerung und Ausrichtung eines Satelliten
sowohl Schwungräder als
auch Reaktionsräder
verwendet werden können, bieten
die Schwungräder 114–118 einen
bedeutenden Vorteil gegenüber
Reaktionsrädern,
denn die Schwungräder 114–118 können auch
beträchtliche Energiebeträge speichern
und dadurch Batterien ersetzen.
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Im Allgemeinen kann Energie in den Schwungrädern 114–118 durch
Erhöhen
ihrer Drehgeschwindigkeit und damit ihrer kinetischen Energie gespeichert
werden. In ähnlicher
Weise kann den Schwungrädern 114–118 Energie
durch Verringern ihrer Drehgeschwindigkeit und damit ihrer kinetischen
Energie entnommen werden. Weiterhin können die Regler 108–112 und
die Satellitenlasten 106 auf einen Betrieb in einem weiten
Spannungs- und Strompegelbereich eingestellt werden. Mit anderen Worten,
die Regler 108–112 und
die Satelliten lasten 106 können einen programmierbaren
Sollwert besitzen. Wie weiter unten noch genauer erklärt wird,
ermöglichen
die programmierbaren Sollwerte den Abgleich der Ausgangsspannung
der Solarzellenanlage durch die Regler 108–112 und
die Satellitenlasten 106 über die gesamte Einsatzdauer.
Es werden daher keine leistungsvergeudenden Nebenschlussregler und
Hauptstromregler mehr benötigt
oder ihr Bedarf wird stark verringert.
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In 2 wird
ein Schaltplan eines mit einem Schwungradmotor/-generator 202 verbundenen Schwungradreglers 200 gezeigt.
Zur Diskussion sei angenommen, dass der Schwungradmotor/-generator 202 mit
dem ersten Schwungrad 114 verbunden ist. Obwohl die weitere
Diskussion unter Bezugnahme auf einen einzelnen Schwungradregler,
einen einzelnen Schwungradmotor/-generator und ein einzelnes Schwungrad
erfolgt, wird darauf hingewiesen, dass die Diskussion in gleicher
Weise auf alle der im Satelliten vorhandenen Regler 108–112,
Motor/-generatoren und Schwungräder 114–118 zutrifft.
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Der Schwungkraftregler 200 enthält einen mit
dem Leistungsbus 104 verbundenen Leistungssteuerschaltkreis 204 und
eine allgemein mit 206 bezeichnete Rückkopplungssteuerschleife.
Die Rückkopplungssteuerschleife 206 enthält eine
aus den Widerständen
R1 und R2 gebildete Spannungsteilerschaltung. Der Ausgang der Spannungsteilerschaltung 207 (gleich
K × Leistungsbusspannung
Vb, wobei K = R2/(R1 + R2)) ist mit einem Komparator 208 verbunden,
der auch mit einer Bezugsspannung Vref verbunden ist. Der Ausgang
des Komparators 208 ist wiederum über einen Verstärker 210 mit
dem Leistungssteuerschaltkreis 204 verbunden.
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Der Leistungssteuerschaltkreis 204 reagiert auf
den Ausgang des Verstärkers 210 und
stellt die Zeit und die Dauer der Energiespeicherperioden der Schwungräder 114–118 und
die Zeit und die Dauer der Energieentnahmeperioden der Schwungräder 114–118 bereit.
Während
der Energiespeicherperioden lässt
der Leistungssteuerschaltkreis 204 die von der Solarzellenanlage 102 erzeugte
und vom Leistungsbus 104 beförderte Leistung über den
Leistungssteuerschaltkreis 204 zum Schwungradmotor/-generator 202 fließen. Der
Schwungradmotor/-generator 202 benutzt die Leistung zur
Erhöhung der
Geschwindigkeit des dazugehörigen
Schwungrads 114 und vergrößert damit die im Schwungrad 114 gespeicherte
Energie.
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Andererseits lässt während der Energieentnahmeperioden
der Leistungssteuerschaltkreis 204 die vom Schwungrad 114 erzeugte
Leistung über
den Leistungssteuerschaltkreis 204 zum Leistungsbus 104 fließen. Der
Schwungradmotor/-generator 202 stellt diese Leistung für den Betrieb
der Satellitenlasten 106 bereit. Auf Grund der Leistungsentnahme aus
dem Schwungrad 114 wird die Geschwindigkeit des Schwungrads 114 entsprechend
verringert und dadurch die im Schwungrad gespeicherte Energie verkleinert.
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Zur Ermittlung der Erfordernis eines
Leistungsflusses entweder zum Schwungrad 114 oder vom Schwungrad 114 prüft der Leistungssteuerschaltkreis 204 den
Ausgang der Rückkopplungssteuerschleife 206.
Wie oben erwähnt,
bilden die Widerstände
R1 und R2 eine Widerstandsteilerschaltung, die einen im Verhältnis zur
Spannung des Leistungsbusses 104 stehenden Spannungsteilerausgang 207 erzeugt.
Sobald der Satellit in einen sonnenabgewandten Raumbereich eintritt,
beginnt die von der Solarzellenanlage 102 erzeugte Leistungsbusspannung
abzufallen. Daher beginnt der Spannungsteilerausgang 207 ebenfalls
abzufallen.
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Wenn der Spannungsteilerausgang 207 unter
Vref fällt,
erzeugt der Verstärker 210 einen
Ausgang, der dem Leistungssteuerschaltkreis 204 anzeigt,
dass auf dem Leistungsbus 104 Leistung benötigt wird.
Eine auf dem Leistungsbus 104 weiterhin abfallende Spannung
kann darauf hinweisen, dass der Satellit in einen sonnenabgewandten
Bereich eintritt. Als Ergebnis kann sich der Leistungssteuerschaltkreis 204 so
konfigurieren, dass er einen Leistungsfluss vom Schwungrad 114 zum
Leistungsbus 104 ermöglicht.
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Außerdem dienen der Komparator 208 und der
Verstärker 210 typischerweise
weiterhin als Rückkopplungssteuerschleife,
die die Spannung des Leistungsbusses 104 gleichrichtet
und regelt. Der Komparator 208 liefert die Differenz zwischen
Vref und dem Spannungsteilerausgang 207. Die Differenz wird
vom Verstärker 210 verstärkt. Auf
diese Weise kann der Leistungssteuerschaltkreis 204 auf
einen Spannungsabfall des Leistungsbusses 104 (entsprechend
einem Anstieg des Verstärkerausgangs)
reagieren und beispielsweise einen zusätzlichen Stromfluss zum Leistungsbus 104 ermöglichen
mit der Anweisung an den Schwungradmotor/-generator, den Leistungsausgang
des Schwungrads 114 zu erhöhen.
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Beim Eintreten des Satelliten in
einen sonnenbeschienenen Bereich nimmt die Solarzellenanlage 102 ihre
Leistungsabgabe an den Leistungsbus 104 wieder auf. Daher
beginnt der Spannungsteilerausgang 207 anzusteigen. Wenn
der Spannungsteilerausgang 207 Vref übersteigt, verringert sich
der Ausgang des Verstärkers 210 und
wechselt die Polarität
als Anzeichen für
den Eintritt des Satelliten in einen sonnenbeschienenen Bereich.
Als Reaktion kann der Leistungssteuerschaltkreis 204 feststellen, dass
eine Leistungsentnahme aus dem Schwungrad 114 nicht mehr
benötigt
wird. Der Leistungssteuerschaltkreis 204 kann also feststellen,
dass der Satellit in einen sonnenbeschienenen Bereich eingetreten
ist und dass er sich neu auslegen muss, um einen Leistungsfluss
vom Leistungsbus 104 zum Schwungrad 114 zu ermöglichen.
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In 3 wird
ein Kurvenverlauf eines typischen Strom-Spannungsprofils 300 eines
Schwungradreglers gezeigt. Die Kurve besitzt einen linearen positiven
Abschnitt 302, einen negativen linearen Abschnitt 304 und
Strombegrenzungsabschnitte 306 und 308. Ein Sollwert 310 Vbr
(ungefähr
gleich Vref/K) ist auf die Achse der Spannung (Vb) des Leistungsbusses 104 gesetzt.
Vbr stellt die Spannung des Leistungsbusses 104 dar, bei
der gerade genügend
Energie für
die Lasten 106 des Raumfahrzeugs zur Verfügung steht.
Mit anderen Worten, wenn die Spannung des Leistungsbusses 104 bei
Vbr liegt, braucht vom Schwungrad 114 keine Leistung entnommen
zu werden, und es wird keine Leistung an das Schwungrad 114 abgegeben.
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Wenn aber die Spannung des Leistungsbusses 104 unter
Vbr fällt,
arbeitet der Schwungradregler 200 im negativen linearen
Abschnitt 304. Daher konfiguriert sich der Leistungssteuerschaltkreis 204 so, dass
ein Leistungsfluss vom Schwungrad 114 zum Leistungsbus 104 möglich ist.
Der negative lineare Abschnitt 304 zeigt an, dass der Schwungradmotor/-generator 202 Strom
erzeugt, der vom Schwungrad 114 zum Leistungsbus 104 fließt, und
so Leistung für
die Lasten 106 liefert (dementsprechend verringert sich
die Geschwindigkeit des Schwungrads 114). Ein Betrieb im
negativen linearen Abschnitt 304 ist typisch für einen
Betrieb während
eines sonnenabgewandten Zeitraums.
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Wenn andererseits die Spannung des
Leistungsbusses 104 über
Vbr ansteigt, arbeitet der Schwungradregler 200 im positiven
linearen Abschnitt 302. Der Leistungssteuerschaltkreis 204 legt sich
so aus, dass ein Leistungsfluss vom Leistungsbus 104 zum
Schwungrad 114 möglich
ist. Der positive lineare Abschnitt 302 zeigt an, dass
der Schwungradmotor/-generator 202 Strom vom Leistungsbus 104 zur
Erhöhung
der Rotationsgeschwindigkeit des Schwungrads 114 verbraucht
(dementsprechend erhöht
sich die in der Geschwindigkeit des Schwungrads 114 gespeicherte
Energie). Ein Betrieb im positiven linearen Abschnitt 304 ist
typisch für
einen Betrieb in einem sonnenbeschienenen Bereich und für die Abgabe
von Leistung der Solarzellenanlage 102 an den Leistungsbus 104.
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Da Vbr = Vref/K, kann während der
Einsatz-Lebensdauer des Satelliten durch Einstellung von Vref oder
K der Sollwert 310 auf der Vb-Achse in 3 nach oben und nach unten gesetzt werden.
Lokale Rückkopplungsschaltungen
im Schwungradregler 200 ermöglichen den Betrieb des Schwungradreglers
in einem weiten Sollwertbereich und die Beibehaltung des positiven
linearen Abschnitts 302 und des negativen linearen Abschnitts 304 wie
in
3 gezeigt. Weiterhin
kann über
die lokalen Rückkopplungsschaltungen
die Steigung des positiven linearen Abschnitts 302 und
des negativen linearen Abschnitts 304 über einen weiten Bereich eingestellt werden.
Die Einstellmöglichkeit
von Vbr während
der Einsatz-Lebensdauer
ermöglicht
dem Schwungradregler 200 die Anpassung an die wechselnden
Leistungsausgangskennwerte der Solarzellenanlage 102 über die
Zeit, ohne dass die Leistung der Solarzellenanlage in wesentlichem
Ausmaß nutzlos
abgeführt werden
muss, wie weiter unten erklärt
wird.
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Da ferner für jedes Schwungrad 114–118 eigene
Schwungradregler 108–112 verwendet
werden, können
die Sollwerte für
jeden Regler unabhängig eingestellt
werden. Auf diese Weise kann über
die Steuerungsgesetze, wenn durch sie die Steuerung oder die Ausrichtung
des Satelliten geändert
werden muss, die Geschwindigkeit jedes Schwungrads 114–118 einzeln
verändert
werden, um das gewünschte
Ergebnis zu erzielen. Die Geschwindigkeit jedes Schwungrads 114–118 kann
durch Verändern der
Sollwerte für
jeden Schwungradregler 108–112 einzeln verändert werden.
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Um beispielsweise die Geschwindigkeit
des ersten Schwungrads 114 gegenüber den anderen Schwungrädern 116–118 zu
verringern, kann am Schwungradregler 108 dessen entsprechende
Vbr erhöht
werden. Die dazugehörige
Sollwertkurve (3) wird
dadurch nach rechts verschoben und dem Schwungrad 114 wird
gegenüber
den anderen Schwungrädern 116–118 schneller
Energie entnommen, wodurch sich die Geschwindigkeit des ersten Schwungrads 114 relativ
verringert. Auch kann durch die wechselnde Einstellung der Vbr die
Leistungsabgabe der Solarzellenanlage 102 über die
Einsatz-Lebensdauer abgestimmt werden.
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In 4 wird
eine Kurvendarstellung der Leistungsabgabe einer typischen Solarzellenanlage zu
Beginn der Lebensdauer (BOL) und am Ende der Lebensdauer (EOL) gezeigt.
Eine Bedarfskurve 402 der Satellitenlast 106 für eine ungefähr konstante Leistung
verläuft
durch die Punkte D, A und C. Zur Veranschaulichung wird angenommen,
dass die in 4 gezeigte
Leistungsabgabekurve typisch für
die Leistungsabgabe der Solarzellenanlage 102 ist. Im Allgemeinen
vermindert sich die Leistungsabgabe von BOL bis EOL, da die Solarzellenanlage 102 der Weltraumstrahlung
ausgesetzt ist.
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In der Entwurfsphase früherer Satellitenkonstruktionen
wird die Solarzellenanlage 102 so dimensioniert, dass die
EOL-Leistung zum Abdecken des Lastbedarfs und zum Laden der Batterien
ausreicht. Die EOL-Leistung ist als Punkt A in 4 bezeichnet. Punkt A bezeichnet auch
die Spannung, bei der der Solarzellenanlage 102 die Höchstleistung
bei EOL ent nommen werden kann. Wie oben erwähnt, ist der Betrieb der Batterien
auf eine feste vorbestimmte Spannung begrenzt, die gewöhnlich so
gewählt
wird, dass sie Punkt A der Solarzellenanlage 102 entspricht.
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Daher arbeitet auf Grund der festen
Batteriespannung das Leistungssystem bei BOL notgedrungen bei Punkt
B (d. h. mit der gleichen Spannung sowohl bei BOL als auch bei EOL).
Daher muss der Leistungsüberschuss
der Solarzellenanlage 102 bei Punkt B abgeführt und
im typischen Fall beispielsweise über einen Nebenschlussregler
vergeudet werden, da die Batteriespannung während des Fluges nicht eingestellt
werden kann. Es kann eine Leistung von vielen tausend Watt vergeudet
werden, um bei Batterien mit fester Spannung den Spannungsbedarf abzudecken.
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Andererseits kann das oben beschriebene Schwungradsystem
durch Einstellen von Vbr für
einen Betrieb über
einen festgelegten Spannungsbereich von BOL bis EOL programmiert
werden. Durch die Einstellung von Vbr wird der Sollwert 310 und
damit der Arbeitspunkt des Schwungradreglers 200 eingestellt.
Beispielsweise kann der Sollwert 310 des Schwungradreglers 200 auf
Punkt D bei BOL gesetzt werden, auf den Punkt, bei dem gerade genügend Leistung
geliefert wird, um den Bedarf der Satellitenlasten 106 abzudecken
und die Schwungräder
aufzuladen. Da die Leistung der Solarzellenanlage 102 im Laufe
der Einsatzdauer abnimmt, kann der Sollwert 310 des Schwungradreglers 200 zur
Bereitstellung der gewünschten
Leistung für
die Satellitenlasten 106 und die Schwungräder 114–118 erhöht werden. Mit
anderen Worten, die Betriebsspannung des Schwungradreglers 200 kann
so eingestellt werden, dass die Leistungskurve 402 durch
Punkt A verläuft, bei
dem bei EOL die Höchstleistung
geliefert wird.
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Wie oben erwähnt, kann jeder der Schwungradregler 108–112 in
identischer Weise arbeiten. Jedes der Schwungräder 114–118 kann
dann als Energiespeichervorrichtung mit programmierbarer Spannung
wirken. Wenn die programmierbare Spannung die Leistungsausgangskennwerte
der Solarzellenanlage 102 abgleichen kann, entfällt im Wesentlichen der
Bedarf an Batterien und Nebenschluss- oder Hauptstromreglern mit
dem damit verbundenen Aufwand an Größe, Gewicht und Kosten. Ferner
kann ein Schwungradsystem wie das oben beschriebene einen Gewichtsvorteil
in der Größenordnung
von 3 : 1 gegenüber üblichen
Nickel-/Wasserstoff-Batterien bieten.
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An dieser Stelle kann ein Zahlenbeispiel
für das
Verständnis
der Funktion der Schwungradregler hilfreich sein. Angenommen der
Punkt B in 4 entspricht
100 V, Vref = 65 V und K = 0,75 für alle Regler, dann ist Vbr
= 86 V (ungefähr)
für alle
Regler. In einem sonnenbe schienenen Bereich erzeugt die Solarzellenanlage 102 100
V auf dem Leistungsbus 104. Gemäß dem Strom-Spannungsprofil 300 ist
der Strom (Ib) des Leistungsbusses 104 positiv. Mit anderen
Worten, die Schwungradregler 108–110–112 arbeiten
im positiven linearen Abschnitt 302 und es wird in den
Schwungrädern 114–116–118 Energie
mit zunehmender Drehgeschwindigkeit gespeichert. Wenn das die Ausrichtung
und Steuerung des Satelliten koordinierende Steuerungsgesetz für das Schwungrad 114 eine
niedrigere Drehgeschwindigkeit als für die anderen Schwungräder 116–118 fordert,
kann die Vbr für
das Schwungrad 114 erhöht werden.
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Beispielsweise wird Vbr durch Erhöhen der Vref
auf 70 V auf 93 V eingestellt. Als Ergebnis wird das Strom-Spannungsprofil 300 nach
rechts verschoben und der in den Regler 108 fließende Anteil von
Ib wird verkleinert. Durch Verkleinern von Ib wird der im Schwungrad 114 gespeicherte
Energiebetrag verringert. Daher erhöht sich die Geschwindigkeit des
Schwungrads 114, aber langsamer als die der anderen Schwungräder 116–118.
Wenn andererseits das die Ausrichtung und Steuerung des Satelliten
koordinierende Steuerungsgesetz für das Schwungrad 114 eine
höhere
Drehgeschwindigkeit als für
die anderen Schwungräder 116–118 fordert,
kann die Vbr für
das Schwungrad 114 verringert werden. Eine Verringerung
der Vbr verschiebt das Strom-Spannungsprofil 300 nach links
und vergrößert den
durch den Regler 108 fließenden Anteil von Ib, wodurch
der im Schwungrad 114 gespeicherte Energiebetrag im Vergleich
zu den anderen Schwungrädern 116–118 erhöht wird.
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Als andere Möglichkeit kann das Steuerungsgesetz
für jedes
einzelne Schwungrad unterschiedliche Geschwindigkeiten auf andere
Art bewirken. Beispielsweise kann die Rückkopplung vom Steuerungsgesetz
zur Einstellung der Steigung des positiven linearen Abschnitts 302 und
des negativen linearen Abschnitts 304 verwendet werden.
Im Ergebnis kann, obwohl der Sollwert nicht verändert wird, ein im Vergleich
zu den anderen Schwungrädern
kleinerer oder größerer Strom
zu den Schwungradmotoren/-generatoren fließen, wodurch die unterschiedlichen
Schwungradgeschwindigkeiten zustande kommen.
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Obwohl besondere Bestandteile, Ausführungsformen
und Anwendungen der vorliegenden Erfindung aufgezeigt und beschrieben
worden sind, versteht es sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist,
da von einem Fachmann Änderungen besonders
angesichts der obigen Anweisungen vorgenommen werden können. Die
beiliegenden Ansprüche
sind daher so zu verstehen, dass sie derartige Änderungen mit den Merkmalen
abdecken, die dem Geist und Gültigkeitsbereich
der Erfindung entsprechen.