Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék Űrkutató Csoport Szabó József Az energia elosztó és védő hálózatok, a fogyasztás optimalizálásának lehetőségei. Űrtechnológia Budapest, 2018. november 10.
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 2 Jellemzők: Energia elosztás és védelem Műhold méret és misszió komplexitás Központosított energiakezelés (kisműholdakon egy energiabusz) Elosztott rendszerek (nagy műholdakon buszrendszer) Fedélzeti BUSZ paraméterek Buszfeszültség (amplitúdó, frekvencia) Szabályozott (feszültség állandó, ingadozás kicsi +/-2%) Szabályozatlan (buszfeszültség = akkumuátor feszültség) Hibrid (napfényes pályaszakaszon szabályozott, árnyékban szabályozatlan) Terhelés tulajdonságai Alapparaméterek (DC fogyasztás, időprofil) Bemenő impedancia (statikus, dinamikus) Megbízhatóság (tartalékolás)
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 3 Fedélzeti BUSZ Paraméterek: Buszfeszültség (28V, 50V, 120V) Feszültség ingadozás (min/max) Forrás impedancia (min 0,02 ohm) C BUSZ = P/400πU 2 (minimum, papír) Csillagpont/Struktúra földelés Veszteség (Harness) Teszteléshez műhálózat (LISN ) 2kW-os rendszer
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 4 Terhelések osztályozása Funkció Alrendszer (system, S/S) Célberendezés (Payload, P/L) Fontossági osztályok (Shedding) pl ESEO kisműholdon 4 osztály Tartalékolás Tartalékolt egység S/S Tartalék nélküli egység P/L Bemenő impedancia: Ohmos Induktív Kapacitív Energia szint Standard energia osztályok pl. ESEO kisműholdon 3 szint Pl.: központi vezérlés + terhelések tartalékolt egység 2db soros kapcsoló (LSW2) tartalék nélküli egység 2+2 soros/párhuzamos (2LSW2) tartalékolt ohmos terhelés 1db kapcsoló (SW, OL nincs) tartalékolás nélküli ohmos terhelés 2+2 soros/párhuzamos (2SW2, OL nincs)
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 5 Terhelés profilja és elektromos tulajdonságai Energia fogyasztás időprofilja: Üzemmódok Szekvenciák Terhelés paraméterei: Minimális teljesítmény Nominális teljesítmény Csúcs teljesítmény Bemenő impedancia AC-DC tulajdonságok
Űrtechnológia 2018. március 29. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 6 A terhelés követelményei ESA EMC szabványok emisszió/immunitás és vezetett/sugárzott Maximális túláram = 0.1 P busmax /U bus Bekapcsolási túláram (Inrush current) = 0.02 U C bus 0-5 µsec (passzív védelem) 5-500 µsec (aktív védelem) 500 µsec - 200msec (PCU) Áramhullámosság = 0.05 P/U Közös módusú áramhullámosság Galvanikus szeparáció Földelési lehetőségek Teszt műhálózat (LISN Line Impedance Simulation Network)
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 7 Kapcsolók Energia szétosztás eszközei Relék (monostabil vagy bistabil = latch) Félvezetős kapcsolók Passzív Védelemi eszközök Túláram (olvadó biztosítók, PTC-k) Bekapcsolási túláram (NTC-k) Túlfeszültség (DC rendszerekben pozítív és negatív, AC rendszerekben amplitúdó határolás diódákkal és zenerekkel, varisztorokkal, szikraköz) Fordított polaritás (soros dióda vagy párhuzamos dióda) Aktív védelmi eszközök Limiterek (visszahajló, konstans, arányos) Limiter kapcsolók (LSW-k)
Hermetikus tokozású relék: Érintkező alaptípusok: SPST, SPDT, DPST, DPDT (Single Pole Single Throught,... Double Pole Double Throught) Monostabil: (bekapcsolva állandó fogyasztás) Bistabil: (dinamikus átkapcsolás ezért nincs statikus fogyasztás) Reed: (kis áram, HV galvanikus szeparáció) Elektronikus kapcsolók: Tirisztor (nehézkes vezérlés) Tranzisztor (szaturációs feszültség miatt rossz hatásfok, jó sugárállóság) Power FET (kis R DS ON miatt jó hatásfok, de RADHARD FET drága) Kapcsolók Műholdfedélzeti energiaelosztás / 8
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 9 Passzív túláram védő eszközök Olvadó biztosítók esetén a hiba izoláció végleges Tartalékolt terhelések esetén redundáns vezetékek külön olvadó biztosítóval Olvadó biztosító hideg tartalékolás ellenállással (NASA) Kiolvadási idő szerint: gyors, közepes, lassú Egy típus esetén a túlterhelés / kiolvadás idő szórási tartomány
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 10 Passzív túláram védő eszközök Termisztorok + / - hőfok függő áramkorlátozók PTC-k (Poliswitch) Hibaizoláció ideiglenes Lokális áramkorlát Energia források szimmetrikus összegzése NTC-k Bekapcsolási túláram korlát (inrush ) Műholdon nem jellemző 25 C-ra normalizált paraméter B: gyors biztosító A: normál biztosító PTC PTC NTC PTC ellenállása egy hőmérséklet felett meredken növekszik. Logaritmikus ellenállás skála
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 11 Áramérzékelés Ellenállás (pozitív vagy negatív ágban) Áramtranszformátorral Hall elemmel Áramszabályozási módok Konstans áram (b) CC Visszahajló (c) FCL (konstans disszipáció, arányos) Csökkenő feszültség növekvő áram (a) Beavatkozó/szabályozó/kapcsoló elem Bipoláris tranzisztor Teljesítmény FET Áramlimiterek Limiter kimeneti karakterisztikák Kitöltési tényező vezérlelt limiter Kikapcsolási időtartam timer (MMV = monostabil multivibrátor)
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 12 Automata áramlimiterek LCL Latched Current Limiter Névleges maximális áram (Tripoff current) Névleges maximális kikapcsolási késleltetés (Tripoff time) ON és OFF parancsok Státusz telemetria ON/OFF és OL Védelmek: alulfeszültség és újra parancsolhatóság R-LCL Re-Triggerable Latched Current Limiter Névleges maximális áram (Tripoff current) Névleges maximális kikapcsolási késleltetés (Tripoff time) Névleges maximális kikapcsoltsági idő (Retrigger time) Paranccsal törölhető státusz telemetria OL FCL Foldback Current Limiter Névleges maximális áram (Tripoff current) Névleges visszahajlás mértéke Státusz telemetria VEO 0 30 Uout [V] 25 20 15 10 5 Iout [ma] 0 100 200 300 400 2 9 V
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 13 U be Áramkorlátozott feszültség szabályozó (automatikus CV/CC üzemmód) Beavatkozó elem U ki Terhelés Áram hibajel erősítő Túláram Feszültség hibajel erősítő Feszültség hiba Ki/Be kapcsolás Bemenő impedancia: (Ube ~ Uki) Áramkorlátozás nélkül R be = R terhelés Áramkorlátozás alatt R be = R beavatkozó elem + R terhelés = konstans
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 14 Energia egyensúly tervezés lépései Követelmények - fedélzeti fogyasztók energiaigénye - működési ütemterv I [A] Napelem teljesítmény napelem cella - típus kiválasztása - adatlap: U mpp, I mpp - korrekciók: hőmérsékleti faktor PRF (Power Remaining Factor) - sugárzás, hő és mechanikai hatások - pl. LEO-n, GaAs cellákra: PRF = (1-2.75%)^t, [t] = év napelem tábla: - hasznos felület - cellák kapcsolása (sorok száma, cellaszám/sor - orientáció ekvivalens hatásfok Torbit t [s]
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 15 Energia egyensúly tervezés lépései (folyt.) Solar Array Power Példa: A CGS/ESA ESEO napelemeinek összteljesítménye egy teljes pályán Power [W] 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 Akkumulátor méretezés Rendszer paraméterek: - pálya adatok - energiaigény - működési ütemterv 0 08:0508:0808:1108:1408:1708:2008:2308:2608:2908:3208:3508:3808:4108:4408:4708:5008:5308:5608:5909:0209:0509:0809:1109:1409:1709:2009:2309:2609:2909:3209:3509:3809:41 Time [hh:mm] Akkumulátor/Energiaellátó alrendszer paraméterei: - DoD (Depth of Discharge) - töltési hatásfok - kisütési hatásfok Energia egyensúly Optimalizáció (akkumulátor méret/ár, kísérletek működési ideje, stb.)
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 16 ESA ESEO energia felhasználás és Akkumulátor töltöttség (SoC = State of Charge): 75-100% BUSZ feszültség Busz feszültség: 23-24,5V Energia felhasználás: 0-60W Időtartam: 190 nap 6,33 ciklus Üzemmódok
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 17 Buszfeszültség a napsugárzás és fogyasztás függvényében
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 18 Energiaellátó rendszer tipikus interfészei Teszt jelek Földi energia Földi ellenőrző berendezés (EGSE) Energiaellátó rendszer Biztosító nélküli energia Telemetria Parancs Napelem mozgató jelek Akkumulátor csepptöltés Telemetria irányítás parancs Energia Pyro energia Hajtómű gyujtás Telemetria Kábelezési veszteség Mechanikus rendszerek Hajtómű rendszer Kísérletek
Űrtechnológia 2018. március 29. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 19 Műhold és energiaellátó rendszer követelmények A fázis Projekt definiálása (SOW) Misszió specifikáció Missziós követelmények Rendszer követelmények STUDY B fázis Missziós Űreszköz Előzetes Optimalizálás követelmények követelmények tervek PDR EM C fázis Rendszer követelmények Missziós specifikáció Alkatrész specifikáció CDR QM D fázis Gyártás Rendszerteszt Integrálás teszt ADP FM
Űrtechnológia 2018. november 10. Műholdfedélzeti energiaelosztás / 20 Az anyaghoz kapcsolódó kérdések Melyek a műholdfedélzeti energiabusz fontosabb paraméterei? Milyen szempontok szerint osztályozzuk a műholdfedélzeti terheléseket és melyek azok fontosabb statikus és dinamikus paraméterei? Melyek az energia szétosztás és védelem fontosabb eszközei, milyen kapcsoló eszközöket használnak műholdfedélzeti energiaelosztó egységekben? Milyen passzív túláram védő eszközöket használnak műholdfedélzeten? Rajzolja le az eszközök jellemző karakterisztikáit! Milyen típusú áramszabályozókat használnak műholdfedélzeten? Rajzolja fel a legismertebb kimeneti karakterisztika típusokat!