controle da tensão de barramento de um satélite e

UNIVERSIDADE FEDERAL DE OURO PRETO
ESCOLA DE MINAS
COLEGIADO DO CURSO DE ENGENHARIA DE
CONTROLE E AUTOMAÇÃO - CECAU
CAIO PEQUENO GOUVÊA
CONTROLE DA TENSÃO DE BARRAMENTO DE UM SATÉLITE E
AQUISIÇÃO DA CORRENTE
MONOGRAFGIA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE CONTROLE E
AUTOMAÇÃO
Ouro Preto, 2010
CAIO PEQUENO GOUVÊA
CONTROLE DA TENSÃO DE BARRAMENTO DE UM
SATÉLITE E AQUISIÇÃO DA CORRENTE
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia de Controle e Automação
da Universidade Federal de Ouro Preto
como parte dos requisitos para a
obtenção do Grau de Engenheiro de
Controle e Automação.
Orientador: Prof. Dr. Ronilson Rocha
Ouro Preto
Escola de Minas – UFOP
Agosto/2010
RESUMO
Devido a suas várias funções os satélites artificiais se tornaram indispensáveis em
nossas vidas. E, portanto, o bom fucionamento dos mesmos torna-se também de grande
importância. Neste contexto, os elementos-chave para o sucesso da missão de um
satélite artificial consistem em sua carga útil, ou seja, o equipamento embarcado para
cumprir a missão a que foi destinado, e os subsistemas responsáveis pelo fornecimento
de energia elétrica e atitude do satélite, que asseguram o perfeito funcionamento da
carga útil durante o seu período de permanência no espaço. Neste trabalho, é
desenvolvido um modelo de controle da tensão de barramento de um satélite artificial
que utiliza painéis fotovoltaicos dispostos em formato cúbico como gerador de energia
elétrica por meio do uso de um Regulador Shunt. Em paralelo ao controle da tensão de
barramento fez-se também a aquisição da corrente de curto-circuito dos painéis
fotovoltaicos, valores estes que servirão posteriormente para determinação da atitude do
satélite.
Primeiramente
são
realizadas
simulações
do
modelo
no
software
MATLAB/SIMULINK, onde o modelo controla a tensão em 15 Volts como requerido e
faz a aquisição das correntes de curto-circuito, sendo estes valores de correntes o
esperado, validando portanto o controle da tensão do barramento e a aquisição das
correntes de curto-circuito. A partir disto, é montado um circuito físico com a utilização
de apenas uma placa fotovoltaica e de circuitos analógicos, já a aquisição dos valores da
corrente de curto-circuito da placa fotovoltaica foi feita com o software LABVIEW,
neste teste obteve-se o controle da tensão no nível desejado de 15 Volts, porém a
aquisição da corrente de curto-circuito apresentou problemas, verificado neste caso
apenas o controle da tensão de barramento.
Palavras-chave: satélite artificial, regulador shunt, controle da tensão de barramento,
corrente de curto-circuito
ABSTRACT
Due to its various functions artificial satellites have become indispensable in our lives
and therefore their good functioning also become of great importance. In this context,
the key to the success of the mission consist of an artificial satellite in its payload, in
this case the equipment shipped to fulfill the mission that was intended, and subsystems
responsible for providing electrical power and attitude of the satellite that ensure the
smooth operation of the payload during its stay in space. In this work, we developed a
model to control the bus voltage of an artificial satellite that uses photovoltaic panels
arranged in a cubic shape as a generator of electricity through the use of a shunt
regulator. In parallel to the control of the bus voltage was also made the acquisition of
short-circuit current of photovoltaic panels, and these values will further determine the
attitude
of
the
satellite. First
are
performed
model
simulations
with
MATLAB/SIMULINK, where the model controls the voltage to 15 volts as required
and makes the purchase of short-circuit currents, and these current values respond as
expected, thus validating the control of the bus voltage and the acquisition of short
circuit currents.. From this is assembled a physical circuit with the use of only one
photovoltaic panel and analog circuits, since the acquisition of the values of short circuit
current of the photovoltaic panel was made with the LABVIEW software, in this test we
obtained the control voltage at the desired level of 15 volts, but the acquisition of
current short-circuit appeared malfunctioned, validating in this case only the control of
the bus voltage.
Keywords: artificial satellite, shunt regulator, control of the bus voltage, short-circuit
current
LISTA DE ABREVIATURAS
PWM – Pulse Width Modulation – Modulação por largura de pulso
PCU – Power Control Unit – Unidade de Controle de Potência
PDU – Power Distribution Unit – Unidade de Distribuição de Potência
BCR – Battery Charger Regulator – Regulador de Carga de Bateria
BDR – Battery Discharger Regulator – Regulador de Descarga de Bateria
PPT – Peak Power Tracking – Rastreamento da Potência de Pico
DET – Direct Energy Transfer – Transferência Direta de Energia
MPPT – Maximum Power Tracking – Rastreador de ponto de máxima potência
LEO – Low Earth Orbits – Baixa Órbita Terrestre
BRU – Battery Regulator Unit – Unidade Reguladora de Bateria
SR – Shunt Regulator – Regulador Shunt
DSR – Dissipative Shunt Regulator – Regulador Shunt Dissipador
SSR – Switching Shunt Regulator – Regulador Shunt Chaveado
S³R ou SSSR – Sequential Switching Shunt Regulator – Regulador Shunt Chaveado
Sequencial
ou SSSSR - Sequential Switching Shunt Serie Regulator – Regulador Série e Shunt
Chaveado Sequencial
S/H – Sample/Hold –
CI – Circuito Integrado
DSP – Digital Signal Processor – Processador Digital de Sinais
FPGA – Field Programmable Gate Array – Arranjo de Portas Programável em Campo
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Sentido das ligações no subsistema de telecomunicações
19
Figura 2.2 – Diagrama em Blocos do subsistema de suprimento de energia
20
Figura 3.1 – Diagrama simplificado da unidade de controle de potência (PCU)
23
Figura 3.2 – Ponto de potência de pico do painel solar
25
Figura 3.3 – Configurações para operação do PPT
28
Figura 3.4 – Diagrama simplificado da arquitetura DET
30
Figura 3.5 – Regulador shunt linear
31
Figura 3.6 - Regulador shunt chaveado
31
Figura 3.7 - Regulador shunt chaveado sequencial (S³R)
33
Figura 3.8 – Regulador série e shunt chaveado sequencial (SR)
34
Figura 3.9 – Aquisição das correntes de curto-circuito de um painel fotovoltaico 36
considerando uma arquitetura MPPT
Figura 3.10 – Aquisição das correntes de curto-circuito de um painel fotovoltaico 37
considerando uma arquitetura DET
Figura 4.1 – Solução proposta: regulador S³R
39
Figura 5.1 – Posição do Sol em relação ao satélite em função de Φ e θ
40
Figura 5.2 – Modelagem da incidência solar nas placas fotovoltaicas, e as 41
correntes produzidas por cada
Figura 5.3 – Diagrama esquemático da disposição dos reguladores shunt para 42
simulação do controle da tensão de barramento, juntamente com a aquisição da
corrente de curto-circuito
Figura 5.4 – Tensão de barramento sem controle
43
Figura 5.5 – Tensão de barramento com controle
44
Figura 5.6 – Corrente de barramento
45
Figura 5.7 – Correntes de curto-circuito amostrada e simulada do eixo X
46
Figura 5.8 – Correntes de curto-circuito amostrada e simulada do eixo Y
47
Figura 5.9 – Correntes de curto-circuito amostrada e simulada do eixo Z
47
Figura 5.10 – Diagrama esquemático do circuito físico inicial de teste
48
Figura 5.11 – Foto do circuito físico montado
49
Figura 5.12 – Placa fotovoltaica sob incidência solar
49
Figura 5.13 – Circuito interno do CI SG3524
50
Figura 5.14 – Sinal PWM gerado (em amarelo) e então invertido e amplificado 51
pelo drive (em vermelho)
Figura 5.15 – Tensão de referência fornecida por uma fonte de tensão
52
Figura 5.16 – Tensão de barramento com controle PWM
53
Figura 5.17 – Tensão de barramento sem controle
54
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Modos de operação para configuração série-paralela
29
SUMÁRIO
1
2
INTRODUÇÃO ....................................................................................................... 10
1.1
Objetivo ............................................................................................................ 12
1.2
Metodologia ..................................................................................................... 12
1.3
Justificativa ...................................................................................................... 13
1.4
Estrutura do trabalho ........................................................................................ 13
SATÉLITE .............................................................................................................. 15
2.1
3
Subsistemas ...................................................................................................... 18
2.1.1
Propulsão .................................................................................................. 18
2.1.2
Comando e Tratamento de Dados ............................................................. 18
2.1.3
Estruturas e Mecanismos .......................................................................... 19
2.1.4
Telemetria, Rastreamento e Comando ...................................................... 19
2.1.5
Suprimento de Energia.............................................................................. 20
2.1.6
Controle Térmico ...................................................................................... 21
2.1.7
Determinação e Controle de Atitude ........................................................ 22
UNIDADE DE CONTROLE DE POTÊNCIA ....................................................... 23
3.1
Rastreamento da Potência de Pico ................................................................... 24
3.1.1
Técnicas MPPT ......................................................................................... 26
3.1.2
Configurações de Operação ...................................................................... 28
3.2
Transferência direta de energia (DET) ............................................................. 29
3.2.1
Regulador Shunt Linear ............................................................................ 30
3.2.2
Regulado Shunt Chaveado ........................................................................ 31
3.2.3
Regulador Shunt Chaveado Sequencial (S³R) .......................................... 32
3.2.4
Regulador Série e Shunt Chaveado Sequencial (
) .............................. 33
3.3
Aquisição da corrente de curto-circuito Isc dos painéis a partir da operação dos
reguladores e conversores de energia .......................................................................... 34
4
CONCEPÇÃO E PROJETO DO REGULADOR ................................................... 38
5
MODELAGEM E SIMULAÇÃO ........................................................................... 40
5.1
Plataforma MATLAB/SIMULINK .................................................................. 40
5.2
Resultados da simulação feita no MATLAB/SIMULINK ............................... 43
5.3
Montagem do circuito físico ............................................................................ 48
5.4
Resultado do circuito físico.............................................................................. 53
6
CONCLUSÕES ....................................................................................................... 55
REFERÊNCIAS .............................................................................................................. 56
1
INTRODUÇÃO
Devido a suas várias funções os satélites artificiais se tornaram indispensáveis em
nossas vidas e, portanto, o bom fucionamento dos mesmos tornam-se também de grande
importância. Neste contexto, os elementos-chave para o sucesso da missão de um
satélite artificial consistem em sua carga útil, ou seja, o equipamento embarcado para
cumprir a missão a que foi destinado, e os subsistemas responsáveis pelo fornecimento
de energia elétrica e atitude do satélite, que asseguram o perfeito funcionamento da
carga útil durante o seu período de permanência no espaço (ROCHA, 2010).
Satélites, independente do tamanho, precisam de uma fonte de energia e de materiais
especiais para fazerem dele leve e durável, e ao menos que a missão requeira um
veículo para operar muito longe do sol, painéis solares e baterias irão fornecê-lo com
energia (HOGAN, 90). A geração, o gerenciamento e a distribuição de energia elétrica
aos equipamentos embarcados são, portanto, de extrema importância, definindo
características críticas de um satélite artificial, tais como sua vida útil, custo de
manutenção, tipo de energia usada (ROCHA, 2010).
Nesse contexto, todos os satélites que nos auxiliam em nosso dia a dia, tais como os de
telecomunicações, sofrem de grande incidência solar e utilizam sistemas fotovoltaicos
para suprimento de carga. Nestes casos os painéis fotovoltaicos convertem energia
luminosa em energia elétrica por meio de células fotovoltaicas, apresentando conexões
elétricas que são feitas em arranjos série-paralelo para se obter maior geração de
energia.
Este trabalho visa a implementação em laboratório do controle de tensão de barramento
de um satélite e a aquisição da corrente de curto-circuito das placas fotovoltaicas do
mesmo que irão alimentar um algoritmo de determinação de atitude de satélites
artificiais, desenvolvido pelo ex-aluno Alexandre José Ferreira (FERREIRA, 2007).
Este algoritmo é baseado na medição do campo magnético em relação a Terra em
conjunto a medição da posição do Sol em relação ao satélite. Este trabalho visa a
construção de parte de um pequeno satélite artificial.
12
1.1
Objetivo
Este trabalho tem por objetivo realizar o controle da tensão de barramento de um satélite
artificial que utiliza painéis fotovoltaicos como gerador de energia elétrica por meio de
um Regulador Shunt. Em paralelo ao controle da tensão de barramento tem-se também
por objetivo fazer a aquisição da corrente de curto-circuito dos painéis fotovoltaicos,
valores estes que servirão, posteriormente, para determinação da atitude do satélite.
1.2
Metodologia
Para o controle da tensão de barramento do satélite artificial é estudado a forma de
funcionamento dos reguladores shunt, e, entre as várias formas de montagem de um
regulador shunt é utilizado o regulador shunt chaveado, pois assim é aproveitado o
momento de chaveamento para aquisição da corrente de curto-circuito do painel
fotovoltaico dentre outras vantagens.
Primeiramente, simula-se o circuito com o auxílio do software MATLAB/SIMULINK,
com a utilização da ferramenta SimPowerSystem, que permite a simulação de circuitos
elétricos.
Para realização de testes físicos, um circuito regulador é montado em uma placa
protoboard e alimentado com a tensão do painel fotovoltaico. O comando de
chaveamento é feito por meio do controle PWM (Pulse Width Modulation) utilizando o
circuito integrado SG3524, que compara o sinal de entrada com uma dente de serra
gerando um sinal PWM. O sinal PWM gerado alimenta um drive do tipo MC34151 que
serve para suportar a potência de acionamento. Este drive acionará um transistor
MOSFET do tipo IRF740 que funcionará como a chave do regulador.
Para a aquisição do valor da corrente de curto circuito da placa fotovoltaica é utilizado
um sensor de corrente LTS 6 – NP. Este sensor irá alimentar um circuito Sample and
Hold LF198. O circuito Sample and Hold será acionado simultaneamente ao MOSFET,
para fazer a aquisição somente da corrente de curto circuito da placa fotovoltaica. O
circuito Sample and Hold é conectado a uma placa de aquisição que fornecerá os dados
13
ao software LABVIEW, responsável pela leitura da corrente para determinação da
atitude de satélite.
O software LABVIEW servirá também como plataforma de leitura da tensão de
barramento para verificação e validação do controle da tensão de barramento.
1.3
Justificativa
Com o aumento do uso de satélites e aumento também da importância dos mesmos,
cria-se uma necessidade do aprimoramento da geração e controle de energia. Isso gera
uma melhoria no subsistema de suprimento de energia, subsistema esse vital ao
funcionamento dos satélites artificiais.
A justificativa deste trabalho está na obtenção de conhecimento na área de controle, e
com isso, desenvolver soluções para controle da geração de energia de um satélite com
baixo custo.
1.4
Estrutura do trabalho
No Capítulo 1 apresenta-se uma explanação geral do assunto abordado, o objetivo do
trabalho bem como a metodologia adotada e a justificativa para o desenvolvimento do
mesmo.
No Capítulo 2 tem-se uma visão geral das partes que compõe um satélite artificial, os
tipos de satélites de acordo com sua missão e os tipos de órbita e sua influência no
projeto e design.
No Capítulo 3 faz-se uma abordagem mais aprofundada do subsistema de suprimento de
energia de um satélite, a unidade de controle de potência e das duas principais técnicas
de controle utilizadas. São apresentadas também as possíveis variações das duas
técnicas de controle.
No Capítulo 4 propõe-se uma solução para controle de potência, apresentando os
motivos da escolha com suas vantagens e restrições do trabalho.
14
Por fim, no Capítulo 5 as conclusões do trabalho são apresentadas, levantando os pontos
alcançados, e sugestões para trabalhos futuros.
2
SATÉLITE
Um Satélite Artificial é qualquer corpo feito pelo homem e colocado em órbita ao redor
da Terra ou de qualquer outro planeta (OBERRIGHT, 2004). Existe uma grande
variedade de formatos de órbitas. Algumas são circulares, enquanto outras são
altamente elípticas (formato de um ovo). Órbitas também variam em altitude, quanto
maior a altitude maior será o período de revolução do satélite. A maioria dos satélites
artificiais que orbitam a Terra são classificados em quatro tipos (OBERRIGHT, 2004;
DONATO, 2007):
a)
Geossíncrono (35.900 km de altitude): a órbita se encontra sobre a linha
do equador. Um satélite nesta órbita viaja ao redor do eixo da Terra exatamente
no mesmo tempo, e na mesma direção, enquanto a Terra rotaciona em seu eixo.
b)
Média altitude (20.000 km de altitude): tem período orbital de 12 horas.
A órbita é fora da atmosfera terrestre e por isso muito estável. Sinais de radio
enviados por um satélite de media altitude podem ser recebidos por uma larga
área da superfície terrestre. A estabilidade e a grande cobertura da órbita a torna
ideal para satélites de navegação.
c)
Heliossíncrono (705 km de altitude): passa quase diretamente sobre os
polos norte e sul. Por passar em todas as latitudes um satélite com este tipo de
órbita possui instrumentos que podem coletar informações de quase toda a
superfície terrestre.
d)
Baixa altitude (610 km de altitude): com órbita logo acima da atmosfera
terrestre, onde quase não há ar para causar o arraste ao veículo espacial e reduzir
sua velocidade.
16
Um Satélite Artificial pode também ser classificado quanto a sua função ou missão,
havendo seis principais tipos de satélites artificiais (OBERRIGHT, 2004):
a)
Pesquisa científica: colhem informações para análises científicas. Alguns
colhem informações sobre a composição e efeitos do espaço perto da Terra.
Outros satélites registram variações na Terra e em sua atmosfera. Outros ainda
observam planetas, estrelas, e outros objetos distantes. A maioria destes satélites
operam em órbitas de baixa altitude.
b)
Meteorológicos: ajudam os cientistas a estudar padrões meteorológicos e
de previsão de tempo. Estes satélites observam as condições atmosféricas em
grandes áreas.
Alguns destes satélites viajam em órbitas heliossíncronas, de onde fazem
observações próximas e detalhadas do tempo sobre toda a Terra. Seus
instrumentos medem cobertura de nuvem, temperatura, pressão atmosférica,
precipitação, e a composição química da atmosfera. Devido a estes satélites
observarem a Terra sempre no mesmo tempo local do dia, os cientistas podem
facilmente comparar as informações meteorológicas coletadas em condições de
luz solar constantes.
Outros satélites meteorológicos são colocados em órbitas geossíncronas, alta
altitude. Dessas órbitas eles podem sempre observar atividade meteorológica
sobre aproximadamente metade da superfície da Terra ao mesmo tempo. Estes
satélites fotografam mudanças de formações de nuvens. Eles também podem
produzir imagens em infravermelho, as quais mostram a quantidade de calor que
vem da Terra e das nuvens.
c)
Telecomunicações: servem como estações retransmissoras, recebendo
sinais de rádio de algum local e transmitindo-os paro outro local. Um satélite de
telecomunicação pode retransmitir vários programas de televisão ou milhares de
ligações telefônicas de uma só vez. São geralmente colocados em órbitas
geossíncronas (alta altitude), sobre uma estação terrestre. Países e organizações
17
comerciais, tais como emissoras de televisão e companias telefônicas, usam
estes satélites continuamente.
d)
Navegação: permitem operadores de aeronaves, navios e veículos
terrestres de qualquer lugar na Terra determinarem suas localizações com grande
precisão. Os satélites enviam sinais de rádio que são captados por um receptor
computadorizado localizados em um veículo.
Estes satélites operam em redes, e os sinais de uma rede podem ser alcançar
receptores em qualquer lugar da Terra.
e)
Observação da Terra: são usados para mapear e monitorar os recursos de
nosso planeta. Estes satélites seguem uma órbita heliossíncrona. Cientistas usam
estes satélites para localizar depósitos minerais, para determinar a localização e
tamanhos de reservas de águas minerais, para identificar fontes de poluição e
seus efeitos, e para detectar a propagação de doenças em plantações e florestas.
f)
Militar: incluem satélites meteorológicos, telecomunicações, navegação,
e de observação da Terra usados para fins militares. Alguns satélites militares
podem detectar o lançamento de mísseis, o curso de navios no mar, e o
movimento de equipamentos militares em solo.
Um satélite é conceitualmente dividido em duas partes, o corpo básico (“Bus”) e a carga
útil (“Payload”). O corpo básico é todo o conjunto de atuadores, sensores entre outros
que permitam que o satélite mantenha-se em operação e realize a sua tarefa. Essa tarefa
é executada com a carga útil. Essa depende, sobretudo, da função para a qual foi
destinada. Um satélite de comunicações terá repetidores (“transponders”) que podem
servir para comunicações telefônicas ou então para difusão televisiva (MUGA, 2008).
Todo satélite transporta consigo carga útil, com a finalidade de executar a missão para
qual o satélite foi construído. No caso de satélites de observação terrestre se transporta
18
câmeras, e em satélites de telecomunicações, transmissores de sinais de rádio para se
realizar a retransmissão de sinais.
2.1
Subsistemas
O corpo básico dos satélites é dividido em subsistemas que juntos garantem o
funcionamento do satélite. Cada subsistema é desenvolvido separadamente, testado,
montado e no fim todo o conjunto é sujeito aos testes de sistema e de integração. Entre
os principais subsistemas de um satélite encontram-se: propulsão; comando e
tratamento de dados; estrutura e mecanismos; telemetria, rastreamento e comando;
suprimento de energia; controle térmico; e determinação e controle de atitude
(DONATO, 2007).
2.1.1 Propulsão
O sistema de propulsão é em parte os componentes que colocam o satélite em órbita.
Outras substâncias químicas e motores elétricos são usados para mover o satélite de
volta a órbita correta quando, campos magnéticos ou ventos solares desviam o satélite
de sua trajetória correta. Propulsores a gás impulsionam o satélite de volta para a
altitude correta, aumentando ou diminuindo sua velocidade, ou mudando seu ângulo da
trajetória.
2.1.2 Comando e Tratamento de Dados
O subsistema de comando e tratamento de dados recebe, valida, decodifica e distribui
comandos para os outros sistemas do satélite, e além disso este subsistema reuni,
processa e formata informações da missão e da monitoração das condições internas do
satélite para envio a terra ou para uso interno do computador de bordo (DONATO,
2007).
19
2.1.3 Estruturas e Mecanismos
O satélite deve suportar forças violentas da viagem de foguete ao espaço, proteger-se de
variações bruscas de temperatura e danos de micro-meteoritos, pesando o mínimo
possível. Sua estrutura não apenas o suporta no espaço, mas também reduz os choques e
vibrações que componentes internos podem sofrer durante o lançamento.
Os materiais normalmente utilizados nas estruturas são: alumínio, aço, magnésio,
titânio, berílio e alguns materiais compostos. Para escolha do material são analisadas
propriedades como durabilidade, rigidez, densidade, condutividade e dilatação térmica,
custo, disponibilidade e facilidade para modelagem (DONATO, 2007).
2.1.4 Telemetria, Rastreamento e Comando
Este subsistema também é conhecido como o subsistema de Telecomunicação de
Serviço e sua função é assegurar as telecomunicações de serviço entre o segmento solo
e o segmento espacial, e assim informar ao centro de operações do satélite qual é o seu
estado atual, e onde na órbita ele está localizado. Entende-se por estado atual do satélite
as condições dos equipamentos, tais como sua temperatura, estado dos seus programas e
sistemas operacionais.
Figura 2.1 – Sentido das ligações no subsistema de telecomunicações.
Fonte: adaptado SOUZA, 2008.
20
A Telemetria coleta, codifica e transmite medidas de sensores e dados digitais que
caracterizam o estado e a configuração do satélite. O Rastreamento é responsável por
determinar a posição do satélite e seguir seu movimento utilizando informações das
posições angulares e respectivas velocidades. O Comando recebe, verifica e executa
comandos para o controle remoto das funções do satélite, bem como de sua
configuração e movimento (SOUZA, 2008).
2.1.5 Suprimento de Energia
O subsistema de suprimento de energia é composto por uma fonte primária de energia
(painéis solares), uma fonte auxiliar (baterias), uma unidade de controle (reguladores e
conversores), também chamada de PCU (Power Control Unit), e por uma unidade de
distribuição de potência, também chamada de PDU (Power Distribution Unit), como
mostrado na figura 2.2 (DONATO, 2007).
Os painéis solares e baterias fornecem e armazenam energia elétrica ao satélite. As
baterias garantem o fornecimento de energia elétrica quando os painéis solares não
sofrerem incidência solar ou quando a incidência solar for insuficiente para gerar a
energia necessária ao satélite, já em momentos de alta incidência solar os painéis
devem, além de fornecer energia ao barramento, carregar as baterias.
A PCU garante que a tensão de barramento fique em um valor constante garantindo
assim o bom funcionamento dos equipamentos. Ela também é responsável em controlar
a recarga e descarga das baterias quando não houver incidência solar suficiente ou
incidência solar alguma (momentos de eclipse).
FIGURA 2.2 – Diagrama em Blocos do subsistema de suprimento de energia.
Fonte: DONATO, 2007.
21
A PDU tem a função de controlar e proteger a alimentação de energia aos equipamentos
conectados ao barramento do satélite, ou seja, a carga do satélite, sendo ela os outros
subsistemas e a carga útil. O módulo de distribuição de energia deverá ser capaz de
alternar entre unidades redundantes em caso de falhas. Em geral são utilizados como
chaves,
relés
eletromecânicos,
mas
podem
ser
utilizadas
também
chaves
semicondutoras. É preciso também fornecer fusíveis (algumas vezes reprogramáveis) de
forma a interromper o caminho da corrente em caso de curto-circuito (FERRIANI et al,
2006).
2.1.6 Controle Térmico
O subsistema de controle térmico tem importância vital na missão do satélite, e suas
funções são monitorar e controlar as temperaturas internas do satélite, evitando grandes
variações de temperaturas dos componentes mecânicos, elétricos e eletrônicos, o que
acarretaria numa redução da vida útil dos mesmos, e mantendo as temperaturas nas
faixas desejáveis (COSTA, 2008).
Para se alcançar o controle térmico de um satélite existem duas maneiras. A primeira
delas é o uso de sistemas ativos, onde há a necessidade do uso de energia elétrica para
acionar equipamentos. Neste caso, podem-se citar refrigeração e aquecimento, sensores
termoelétricos, circuitos de bombeamentos e sistemas criogênicos.
O uso de sistemas ativos demanda um grande volume interno do satélite e apresenta alto
custo tornando inviável seu uso em pequenos satélites (COSTA, 2008).
A outra maneira é o uso de sistemas passivos onde não há o consumo de energia
elétrica. É empregado principalmente em pequenos satélites, devido à baixa
disponibilidade de geração e armazenamento de energia. Apresentam, na maioria dos
casos, baixo custo, simplicidade e grande eficiência com o uso de revestimentos e
isolantes térmicos, elementos nas interfaces e radiadores térmicos micro-tubos de calor.
22
O controle térmico passivo é o mais confiável, porém, com a degradação progressiva de
seus componentes, sua confiabilidade fica afetada, isso devido ao ambiente que pode
modificar as propriedades dos elementos (COSTA, 2008).
2.1.7 Determinação e Controle de Atitude
O subsistema de determinação e controle de atitude tem a função de monitorar e indicar
a orientação do satélite. Para se determinar a atitude de um satélite utiliza-se sensores
acoplados ao satélite, que fazem a leitura da situação atual, e em seguida, por meio de
algum modelo matemático, determina a atitude do satélite em relação a um referencial
conhecido (HALL, 2006 apud FERREIRA, 2007, p. 14).
3
UNIDADE DE CONTROLE DE POTÊNCIA
A unidade de controle de potência é responsável pelo controle da potência fornecida
pelos painéis solares, pela regulação da tensão de barramento e pelo carregamento das
baterias. O foco principal deste trabalho é o controle da potência fornecida e pela
regulação da tensão de barramento.
Este controle é necessário principalmente devido à grande variação, ao longo do tempo,
das características de saída dos painéis solares, visando evitar o aquecimento excessivo
no satélite e controlar a carga da bateria (DONATO et al, 2006).
Em satélites artificiais as configurações básicas de fontes de suprimento podem ser
divididas em três grupos, baseadas na regulação do barramento: regulado, não regulado
e com regulação solar (DONATO et al, 2006).
A figura 3.1 mostra o diagrama simplificado da unidade de controle de potência de um
satélite artificial com barramento regulado, que é composta por um regulador do painel
solar, por um regulador de carga de bateria (Battery Charger Regulator – BCR) e por
um regulador de descarga da bateria (Battery Discharger Regulator – BDR). Na figura
3.1 ignora-se a PDU para simplificação do entendimento e visualização da PCU.
Figura 3.1 – Diagrama simplificado da unidade de controle de potência (PCU).
24
Sistemas com barramento regulados possuem alto custo a apresentam risco ao projeto,
pois a carga passa a depender da sua qualidade de regulagem para seu bom
funcionamento, uma vez que a carga é projetada de acordo com a alimentação a ser
fornecida (SOUZA, 2009).
Em sistemas com barramento não regulado, que torna a PCU mais simples, não há
regulador do painel solar, sendo o painel solar, a bateria e a carga conectadas
diretamente ao barramento. Nesta configuração de barramento a carga deve suportar
grandes variações de tensão, pois a única ação do sistema de potência é a de
desligamento da fonte de energia, quando a mesma estiver fora dos limites de
funcionamento estabelecidos.
Para sistemas com regulação solar o painel solar alimenta a carga, sendo esta
alimentação regulada, isto acontecerá enquanto o painel receber incidência solar
suficiente para suprir uma potência determinada. No momento em que o painel não mais
for capaz de fornecer a potência exigida, a bateria começa alimentar a carga. Nesse tipo
de sistema não há um BDR, em seu lugar apenas um diodo. Assim, quando há uma
queda de tensão no barramento, a bateria passa a fornecer a energia necessária à carga.
Portanto, para que a bateria não interfira na alimentação quando o painel estiver em
normal funcionamento, a tensão máxima da mesma não pode ser superior à tensão de
barramento.
Em sistemas formados por painéis solares e baterias, as duas principais técnicas de
controle de potência são o rastreamento de potência de pico (Peak Power Tracking –
PPT) fornecida pelo painel solar e a transferência direta de energia (Direct Energy
Transfer – DET) (PATEL, 2005; DONATO, 2007).
3.1
Rastreamento da Potência de Pico
Esse tipo de topologia utiliza um rastreador de ponto de máxima potência (Maximum
Power Point Tracker – MPPT) entre os painéis e a carga, com o objetivo de garantir que
a máxima potência será fornecida pelo painel solar à carga. Utiliza-se na maioria dos
casos um conversor DC-DC tipo Boost (Anderson, 2003).
25
A figura 3.2 mostra a curva de corrente-tensão e potência-tensão de um painel solar
típico. Mostra também os valores de tensão e corrente do momento de máxima potência.
Para obtenção da máxima potência deste painel solar o PPT deve operar exatamente no
ponto
,
. O rastreamento feito pelo PPT deve ser constante, pois a curva I-V varia
ao longo do tempo (DONATO et al, 2006).
Figura 3.2 – Ponto de potência de pico do painel solar.
Fonte: DONATO et al, 2006.
O MPPT é um controlador de carga para compensar a variação Tensão vs Corrente
característica de um painel solar. O MPPT engana os painéis fazendo-os liberar uma
tensão e corrente diferentes permitindo uma maior potência para a(s) bateria(s) fazendo
com que o painel solar pense que a carga esteja variando, quando você realmente não
consegue mudar a carga (Anderson et al, 2003). Porém, o PPT só é ativado quando a
potência exigida pela carga e bateria for maior ou igual à máxima disponível no painel
solar. Caso contrário, o PPT é desativado e o excesso de potência gerada é deixado nas
células solares, aumentando sua temperatura (DONATO, 2007).
A partir do momento em que o PPT estiver desativado entra em operação apenas um
regulador comum, que não mais rastreia o ponto de máxima potência, variando o ponto
de operação de acordo com o consumo da carga e bateria(s) (DONATO, 2007).
26
O uso do PPT se torna viável apenas quando as perdas devido aos conversores de
potência e da massa adicional forem menores que o ganho do uso do mesmo. Por
mostrar benefícios apenas quando o ponto de máxima potência do painel fotovoltaico
varia significativamente, a configuração MPPT é mais apropriada para (ROCHA, 2010):
Satélites que operam em órbitas baixas (LEO), cujos períodos de
exposição à luz solar são relativamente curtos e,
Satélites cujos painéis fotovoltaicos são fixos e sujeitos a grandes
variações de fluxo solar, temperatura e ângulo de incidência da luz solar.
3.1.1 Técnicas MPPT
Como visto na figura 3.2, a forma como se detecta o ponto de máxima potência de um
painel solar pode garantir ou não o sucesso do PPT. A seguir são descritos os principais
métodos utilizados, que podem variar em termos de complexidade, sensores, velocidade
de convergência, custo, faixa de efetividade, etc (ESRAM e CHAPMAN, 2007;
ROCHA, 2010):
Hill-Climbing/Perturb and Observe (Perturbar e Observar): envolve uma
perturbação no ciclo de trabalho do regulador de potência e uma
observação da perturbação na tensão de operação do painel solar. Caso o
painel solar esteja conectado ao regulador, perturbando o ciclo de
trabalho, perturba-se a corrente do painel solar e consequentemente sua
tensão. Um incremento (decremento) de tensão ao lado esquerdo do
ponto de operação gera um incremento (decremento) de potência, já um
incremento (decremento) de tensão ao lado direito do ponto de operação
gera um decremento (incremento) da potência.
Condutância Incremental: baseia-se no fato que a derivada da potência
produzida por um painel solar será nula no ponto de máxima potência,
positivo quando à esquerda, e negativo à direita. Desta forma, o ponto de
27
máxima potência é rastreado pela comparação da condutância instantânea
( ) e da condutância incremental ( ).
Tensão de circuito aberto: este método baseia-se na relação quase linear
entre a tensão de potência máxima (
(
) e tensão de circuito aberto
) de um painel fotovoltaico. A constante de proporcionalidade entre
as duas tensões depende das características do painel a ser utilizado,
sendo calculada antes por meio de métodos empíricos. Uma vez
determinada esta constante, basta fazer periodicamente a medida da
tensão de circuito aberto que se torna possível calcular a tensão no ponto
de máxima potência.
Corrente de curto-circuito: este método baseia-se no fato de que a
corrente no ponto de máxima potência (
a corrente de curto-circuito (
) é aproximadamente linear
). Do mesmo modo que no método de
tensão de circuito aberto, a constante de proporcionalidade para este
método, depende das características do painel. Uma vez medida a
corrente de curto pode-se determinar a corrente no ponto de máxima
potência.
Controle realimentado de
ou
: um método óbvio para encontrar o
ponto de máxima potência é computar a inclinação (
ou
) da curva de
potência do painel fotovoltaico e, por meio do controle realimentado,
conduzí-la a zero.
Outros métodos: lógica fuzzy, redes neurais, varredura de corrente,
controle da correlação de ondulação, etc.
28
3.1.2 Configurações de Operação
O PPT apresenta três configurações de operação: série, paralela, série-paralela. A de
melhor eficiência é a de série-paralela (DONATO 2007). A figura 3.3 mostra suas
configurações.
A tabela 3.1 mostra os modos de funcionamento da configuração serie-paralela. A
Unidade Reguladora de Bateria (Battery Regulator Unit – BRU), mostrada nesta
configuração, é composta por um regulador bidirecional, podendo assim descarregar ou
carregar a bateria, ou então composta por conversores separados.
Figura 3.3 – Configurações para operação do PPT.
Fonte: DONATO, 2007.
29
Tabela 3.1 – Modos de operação para configuração série-paralela.
Fonte: DONATO, 2007.
Os conversores utilizados em controladores MPPT são conversores de corrente contínua
tradicionalmente usados em sistemas espaciais. Entre os geralmente utilizados tem-se:
Conversor Buck, Conversor Boost, Conversor Buck/Boost, Conversor Cúk, Conversor
SEPIC e Conversor Zeta (ROCHA, 2010).
3.2
Transferência direta de energia (DET)
Como o próprio nome diz, neste tipo de topologia de unidade de controle de potência a
energia é diretamente transferida do painel fotovoltaico à carga, ou seja, não há
reguladores em série entre eles. Essa topologia se mostra preferida em aplicações que
envolvem potências maiores, onde falhas na eficiência do conversor, dissipação térmica
e aumento de massa são mais críticas, tornando desvantajosa o uso do rastreamento da
potência de pico (ROCHA, 2010).
Em sistemas com a arquitetura DET utiliza-se regulador Shunt (SR) em paralelo, isso se
deve ao fato de normalmente os painéis fotovoltaicos produzirem, durante o período de
exposição à luz solar, energia excedente às necessidades conjuntas de carga e da bateria,
gerando a necessidade de descartar tal excesso para regulação da tensão de barramento e
evitar sobrecarga da bateria (ROCHA, 2010).
A figura 3.4 apresenta uma PCU com arquitetura DET típica, onde o barramento é
regulado. Observa-se que o regulador Shunt está conectado em paralelo ao painel solar,
desviando parte da corrente do barramento para a referência do sistema elétrico (terra),
sendo este excesso de energia convertido em calor. Observa-se também que a carga é
diretamente conectada ao painel, como dito anteriormente.
30
Figura 3.4 – Diagrama simplificado da arquitetura DET.
Fonte: DONATO, 2007.
O DET mostra uma desvantagem de não operar sempre no ponto de potência de pico do
painel solar, o que implica em sobre-dimensionamento dos componentes afim de
atender a demanda de potência da carga e baterias (ROCHA, 2010). Porém, a eficiência
do SR apresenta-se como uma vantagem, sendo superior a de sistemas que utilizam o
MPPT, uma vez que não se faz uso de conversores CC-CC (DONATO, 2007).
São encontradas várias configurações de SR para realizar a regulação do barramento,
sendo que algumas realizam também o controle da recarga da bateria. O uso do SR é a
técnica de regulação mais utilizada em satélites (DONATO, 2007).
3.2.1 Regulador Shunt Linear
A configuração básica de um típico regulador shunt linear, conhecido também como
dissipador (Dissipative Shunt Regulator – DSR), é mostrada na figura 3.5. O circuito
SR dissipativo é composto de um transistor, um elemento dissipativo (um resistor), um
diodo, um amplificador de erro, uma referência e um compensador (divisor de tensão).
O diodo garante que não haverá o retorno da corrente da bateria para o painel
fotovoltaico. A tensão do barramento é comparada com um valor de referencia, e o erro
é então amplificado e conectado a base do transistor, polarizando-o ou não e assim
desviando parte da corrente para manter a tensão de barramento constante (DONATO,
2007).
31
Figura 3.5 – Regulador shunt linear.
Fonte: ROCHA, 2010.
Em um regulador shunt linear a corrente desviada varia linearmente de zero até o valor
de saturação do transistor determinado pelo resistor R. A energia em excesso não
utilizada pela carga é convertida em calor no transistor Q e na resistência R, com isso
aumenta a carga térmica que o sistema de refrigeração deverá suportar (ROCHA, 2010).
A grande dissipação térmica dentro do satélite e o tamanho do resistor são os dois
grandes problemas que este tipo de regulador apresenta (DONATO, 2007).
3.2.2 Regulado Shunt Chaveado
O regulador shunt chaveado (Switching Shunt Regulator – SSR) não utiliza um resistor
para dissipação da energia em excesso produzida pelo painel fotovoltaico. Com isso,
resolve-se o problema da dissipação térmica dentro do satélite (DONATO, 2007). Este
tipo de regulador utiliza uma chave que quando fechada coloca o painel em curtocircuito, e então a tensão na carga é nula. Na figura 3.6 é mostrada a topologia básica do
SSR, o diodo D serve como proteção contra curto-circuito na carga e baterias.
Figura 3.6 – Regulador shunt chaveado.
Fonte: ROCHA, 2010.
32
Devido ao uso de uma chave para controle da tensão de barramento, a corrente torna-se
pulsada e faz-se necessária a utilização de um grande filtro capacitivo para redução dos
pulsos da corrente resultante do chaveamento e redução da ondulação da tensão na
carga (ROCHA, 2010).
Nesta topologia de regulador o ciclo de trabalho da chave determina a energia
transferida ao barramento. Diversas formas para se realizar o ajuste do ciclo de trabalho
da chave são encontradas, tais como controle por histerese, modulação por largura de
pulso (Pulse Width Modulation – PWM), etc. No SSR deve-se ter um cuidado quanto a
sua frequência de operação, ou seja, a frequência do chaveamento que não pode
ultrapassar o limite de frequência imposto pelo painel fotovoltaico (ROCHA, 2010).
3.2.3 Regulador Shunt Chaveado Sequencial (S³R)
Esta topologia se apresenta como uma derivação do SSR e é chamado Regulador Shunt
Chaveado Sequencial (Sequential Switching Shunt Regulator – SSSR ou S³R). Neste
caso, há a segmentação do painel fotovoltaico, o que se mostra como uma vantagem na
confiabilidade do sistema uma vez que a energia é produzida por vários módulos
menores operando de forma independente.
A figura 3.7 mostra um diagrama esquemático do S³R, onde cada segmento possui um
SSR que funciona exatamente como foi descrito anteriormente, apresentando, contudo,
uma diferença quanto a seus ciclos limites de operação. Cada segmento opera com um
ciclo limite próprio, diferente e independente dos demais. Esta característica de
independência de seus segmentos faz com que cada segmento forneça somente uma
parcela da corrente total, o que gera como consequência uma ondulação de tensão no
barramento menor e que requer também um capacitor de menor valor para filtragem
(ROCHA, 2010).
33
Figura 3.7 – Regulador shunt chaveado sequencial (S³R).
Fonte: DONATO, 2007.
O amplificador operacional faz-se necessário para evitar a operação desordenada das
chaves. Assim, o erro, diferença entre tensão desejada (Ref) e a de barramento, é
amplificado e características como tensão de
offset
e
drift
não alteram
significativamente o ponto de operação de cada segmento (DONATO, 2007).
3.2.4 Regulador Série e Shunt Chaveado Sequencial (
)
Derivado da topologia S³R e com o objetivo de eliminar o BCR, o regulador série e
shunt chaveado sequencial (Sequential Switching Shunt Serie Regulator –
) resulta
numa redução de massa, volume e dissipação térmica no satélite relacionada a
existência do conversor que seria utilizado para controle da recarga de bateria (ROCHA,
2010). A figura 3.8 mostra um diagrama simplificado da topologia
. Cada módulo
possui uma chave Sbi e um diodo Dbi que permite a recarga da bateria diretamente ao
módulo. As chaves Si fazem com que os respectivos módulos entrem curto-circuito.
Uma característica que deve haver nesta topologia é de que a máxima tensão das
baterias, tensão final de recarga, deve ser menor que a tensão de barramento para que
ocorra a recarga adequada (DONATO, 2007). Esta topologia apresenta um controle
34
mais complexo que o utilizado no regulador S³R, porém há uma melhor utilização do
painel fotovoltaico.
Figura 3.8 – Regulador série e shunt chaveado sequencial (
Fonte: DONATO, 2007.
3.3
).
Aquisição da corrente de curto-circuito Isc dos painéis a partir da
operação dos reguladores e conversores de energia
Um painel fotovoltaico pode, além de ser fonte de energia elétrica, servir de sensor
solar, pois a partir da medição de sua corrente de curto-circuito
pode-se determinar a
intensidade que a luz solar incide sobre o painel. Este valor serve para determinar a
posição do sol em relação ao satélite, sendo útil na determinação de atitude do satélite
(ROCHA,2010).
Na área de geração de energia o valor da corrente curto-circuito proporciona uma
estimativa da capacidade de geração do conjunto fotovoltaico, o que pode auxiliar no
35
desenvolvimento de estratégias de controle e gerenciamento do subsistema de
suprimento de energia que pode gerar uma otimização do aproveitamento energético. O
intuito deste item é analisar como esta corrente pode ser avaliada a partir da própria
PCU (ROCHA, 2010).
Levando em consideração uma PCU que utiliza uma arquitetura MPPT, onde há um
constante ajuste do ponto de operação para se obter o maior fornecimento de potência
para a carga, é possível estabelecer uma relação entre a corrente fornecida pelo painel
fotovoltaico com o uso da técnica MPPT e a corrente de curto-circuito. Partindo do
circuito equivalente, a corrente I, a tensão V e a potência na saída do painel fotovoltaico
são dadas por:
(3.1)
,
(3.2)
,
(3.3)
.
A corrente de fuga
é desprezada, pois seu valor é muito menor se comparada às
demais correntes envolvidas. Sabendo que no ponto de máxima potência do painel a
derivada da potência é nula, tem-se:
,
onde
e
(3.4)
correspondem à tensão e à corrente no ponto de máxima potência
respectivamente, que são localizados na saída do painel. A equação 3.4 é então reescrita da seguinte forma:
(3.5)
.
Sabe-se que a derivada da tensão V em relação à corrente I de um painel fotovoltaico é:
36
(3.6)
.
Então, a substituição da tensão
e sua derivada em relação à corrente na equação de
potência máxima gera:
(3.7)
.
Com o uso de métodos iterativos para computar a solução desta equação transcendental
a partir de dados numéricos, Alghunwainem (1994) conclui que quando um painel
fotovoltaico opera no ponto de máxima potência, a sua corrente de saída é proporcional
a sua corrente de curto-circuito:
.
Assim se torna possível obter a constante de proporcionalidade
(3.8)
a partir da análise da
curva V-I do painel. A figura 3.9 mostra um diagrama da operação de um satélite onde
os painéis operam no ponto de máxima potência quando iluminados. Nesse caso, as
correntes de curto-circuito
de cada módulo pode ser obtida por meio das correntes de
saída dos respectivos módulos.
Figura 3.9 – Aquisição das correntes de curto-circuito de um painel fotovoltaico considerando uma
arquitetura MPPT.
Fonte: ROCHA, 2010.
37
Em uma PCU que utiliza a arquitetura DET, a aquisição da corrente de curto-circuito
se torna mais simples, pois neste caso o próprio regulador shunt faz a aquisição da
corrente de curto-circuito. No momento em que a chave MOSFET é ligada, aciona
também o modo “sample” do amplificador S/H (sample/hold), fazendo a amostragem da
corrente
. Quando a chave é desligada o amplificador aciona o modo “hold” e deixa
disponível a medida da corrente
na saída do amostrador, até que o módulo
fotovoltaico seja de novo colocado em curto-crcuito, recomeçando o ciclo de
amostragem-retenção. A figura 3.10 mostra um regulador S³R onde há a aquisição da
corrente
.
Figura 3.10 – Aquisição das correntes de curto-circuito de um painel fotovoltaico considerando uma
arquitetura DET.
4
CONCEPÇÃO E PROJETO DO REGULADOR
Para a realização do controle do barramento do sistema de energia do satélite optou-se
pela arquitetura DET. Esta escolha se deve a maior simplicidade e ao fato de ser a
melhor opção para satélites com grandes períodos de exposição ao sol, pois neste caso
há uma grande necessidade para eliminação do excesso de energia produzida. Outra
vantagem desta arquitetura em relação à PPT é o fato de não requerer uma carga que
suporte uma grande variação de tensão, facilitando assim a implementação e testes
físicos.
Após estudo dos tipos de reguladores e suas vantagens e desvantagens o regulador shunt
chaveado sequencial S³R se mostrou ideal para um satélite que apresenta seis módulos
fotovoltaicos dispostos em formato de um cubo e que na maioria do tempo sofrerá a
incidência solar em três módulos fotovoltaicos. Além disso, esta topologia gera
economia de espaço e de refrigeração térmica, uma vez que o excesso de energia
produzida é convertido em calor no próprio painel e dispensa a necessidade de
equipamento para tal tarefa.
O controle será feito por modulação por largura de pulsos PWM, onde um sinal de erro
amplificado, da diferença da referência com a tensão do barramento, será comparado
com uma tensão na forma de dente de serra gerando então os pulsos que devem acionar
os módulos fotovoltaicos. O circuito de controle do regulador shunt e de aquisição de
corrente montado será analógico, resulta em circuitos relativamente simples e de baixo
custo.
Na figura 4.1 é apresentado um diagrama simplificado da solução proposta, com
topologia S³R. Não há recarga de bateria demonstrada no diagrama, pois este trabalho
foca apenas no controle da tensão de barramento e na aquisição da corrente de curtocircuito dos módulos fotovoltaicos.
39
Figura 4.1 – Solução proposta: regulador S³R.
Alguns parâmetros foram definidos para projetar a solução proposta, sendo em sua
maioria levando em consideração a capacidade de produção de energia elétrica dos
painéis fotovoltaicos disponíveis no laboratório de dispositivos eletrônicos analógicos e
digitais da Escola de Minas e da disponibilidade dos dispositivos:
a) Tensão de barramento: 15V;
b) Barramento com regulação apenas do painel solar;
c) Potencia: 10W;
d) Fonte principal de energia: energia solar através de conversão
fotovoltaica;
5
MODELAGEM E SIMULAÇÃO
Uma vez definidas as estratégias a serem utilizadas para controle de tensão do
barramento de um satélite e aquisição da corrente de curto-circuito das placas
fotovoltaicas, parte-se para a fase de simulação da proposta.
5.1
Nesta
Plataforma MATLAB/SIMULINK
fase
utiliza-se
a
ferramenta
SimPowerSystem
do
software
MALTLAB/SIMULINK, que estende o SIMULINK com ferramentas para modelagem
e simulação da geração, transmissão, distribuição e consumo de energia elétrica. Esta
plataforma fornece modelos de muitos componentes usados nestes tipos de sistemas,
incluindo motores elétricos, fontes de energia, dispositivos de eletrônica de potência e
bibliotecas de modelos de aplicação específicas.
Para simulação dos raios solares no satélite em formato de um cubo, considera-se que o
satélite esteja parado e que o Sol gire ao redor do satélite, isso faz com que todas as
possibilidades de incidência solar sejam testadas. A figura 5.1 mostra esta situação.
Figura 5.1 – Posição do Sol em relação ao satélite em função de Φ e θ.
Fonte: ROCHA, 2010.
41
É possível observar que o Sol incide nas placas fotovoltaicas com um ângulo Φ em
relação ao eixo Z e com um ângulo θ em relação ao eixo Y. Assim, pode-se definir as
correntes de curto-circuito das 6 placas que compõe o satélite em função de
, Φ e θ:
(5.1)
,
,
(5.2)
.
(5.3)
Para simulação do Sol no software MATLAB/SIMULINK define-se que o Sol irá
incidir em toda a superfície do satélite, isso é alcançado a partir da variação dos valores
de Φ de 0º a 360 º com um período qualquer e da variação de θ de 0º a 360 º com outro
período qualquer, para simulação de incidências solares diversas.
A figura 5.2 mostra o diagrama que representa a modelo da incidência solar nas placas
fotovoltaicas e as correntes produzidas por cada uma delas. A entrada 1 representa o
valor de corrente de curto-circuito máxima de uma placa definida pelo fabricante. A
entrada 2 representa a variação do ângulo θ no tempo, e a entrada 3 representa a
variação do ângulo Φ no tempo.
Figura 5.2 – Modelagem da incidência solar nas placas fotovoltaicas, e as correntes produzidas por cada.
42
As saídas de 1 a 9 representam as correntes geradas em cada painel fotovoltaico, onde
cada coordenada possui duas correntes correspondentes, que representam os painéis
dispostos em sentidos opostos.
A partir da modelagem da incidência solar nas placas parte-se para o fornecimento de
energia a carga e para o controle da tensão que irá alimentar a mesma. Como definido
anteriormente, este controle será feito com o uso de reguladores shunt. A figura 5.3
mostra a disposição destes reguladores no MATLAB/SIMULINK. Para facilitar a
vizualização o diagrama mostra apenas os dois painéis que se encontram no eixo X,
dispostos em sentidos opostos.
Figura 5.3 – Diagrama esquemático da disposição dos reguladores shunt para simulação do controle da
tensão de barramento, juntamente com a aquisição da corrente de curto-circuito.
Os blocos de fonte de corrente controlada em paralelo com uma baixa resistência
representam as placas solares que alimentam o barramento, diodos são postos em série
para garantir que não haja fluxo de corrente no sentido contrário. Em paralelo ao
43
barramento é colocado um capacitor, que além de filtrar o sinal de entrada serve
também como integrador, garantindo o erro nulo. A tensão de saída é comparada com a
referência, o erro é então amplificado por um controlador proporcional e alimenta um
bloco PWM. Os sinais gerados pelo bloco PWM acionam os terminais gate de cada
chave MOSFET, acionam também a função “sample” do bloco S/H, que faz a aquisição
do valor da corrente de curto-circuito
5.2
do eixo X.
Resultados da simulação feita no MATLAB/SIMULINK
Uma simulação onde não há o controle é feita anteriormente para efeito de comparação,
e o resultado obtido é mostrado na figura 5.4.
Figura 5.4 – Tensão de barramento sem controle.
É possível observar que a tensão no barramento varia muito em níveis acima de 15
Volts na maioria do tempo.
44
Considerando as mesmas entradas utilizadas no caso sem controle a figura 5.5 apresenta
o resultado obtido com o sistema proposto. É possíver notar que a tensão no barramento
mantém-se no nível desejado de 15 Volts, o que torna o uso do regulador shunt para o
controle viável. Outro detalhe que se observa na tensão de barramento é que depois de 4
segundos de simulação a tensão do barramento cai para o valor de 13 Volts, pois a partir
deste momento termina a incidência solar, simulando um momento de eclipse, e a
bateria começa a fornecer energia para a carga.
Figura 5.5 – Tensão de barramento com controle.
Na tensão de barramento nota-se pequenas quedas de tensão que acontecem devido à
baixa incidência solar do momento, que pode ser observada pela medida da corrente de
barramento mostrada na figura 5.6. Verifica-se também, como dito anteriormente, que
após 4 segundos há um momento de eclipse, e a corrente no barramento cai para 0
Àmpere.
45
Figura 5.6 – Corrente de barramento.
Nesta mesma simulação fez-se a aquisição das correntes de curto-circuito das placas
fotovoltaicas que simulam um satélite cúbico sob incidência solar, incidência esta com
comportamento definido como mostrado nas figuras 5.1 e 5.2. Na simulação utiliza-se
para θ um período de 5 segundos, onde θ varia de 0 a 360°. Já para o ângulo Φ é
utilizado um período de 2 segundos, onde Φ varia de 0 a 360°.
A figura 5.7 mostra um comparativo entre a corrente de curto-circuito adquirida pelo
sample/hold e a corrente simulada no eixo X, a corrente adquiria pelo circuito
amostrador refere-se à soma das correntes das placas opostas postadas no eixo X.
46
Figura 5.7 – Correntes de curto-circuito amostrada e simulada do eixo X.
É possível verificar que a corrente de curto-circuito amostrada no eixo X é realmente a
esperada de acordo com a equação 5.3 e com os períodos determinados. Ao fim da
incidência solar (momento de eclipse), que começa aos 4 segundos de simulação,
observa-se que a corrente do amostrador mantém-se em um valor não nulo, isso se deve
ao fato de o amostrador continuar na função de “hold”, deixando disponível sempre o
último valor que foi adquirido no último instante de insolação. O mesmo já não
acontece com a corrente simulada, que como esperado, torna-se nula a partir ao fim da
incidência solar.
As figuras 5.8 e 5.9 mostram as correntes de curto-circuito amostradas e simuladas nos
eixos Y e Z respectivamente. A corrente amostrada do eixo Y é nula a partir do momento
de não incidência solar, mas isto por pura coincidência de seu valor em 4 segundos de
simulação ser zero. Já a corrente amostrada do eixo Z pode-se notar o mesmo efeito
encontrado no eixo X, onde o valor em momento de eclipse não é nulo. Outro aspecto,
que neste caso se torna mais fácil de notar, é o comportamento da corrente que responde
exatamente como esperado, sendo igual ao seno de θ num período de 5 segundos.
47
Figura 5.8 - Correntes de curto-circuito amostrada e simulada do eixo Y.
Figura 5.9 – Correntes de curto-circuito amostrada e simulada do eixo Z.
As correntes de curto-circuito adquiridas pelo circuito amostrador apresentam em
alguns momentos uma pequena variação das correntes simuladas, isso se deve ao fato de
que nestes momentos a corrente total gerada pelos painéis fotovoltaicos é menor que a
corrente desejada, e faz com que a tensão de barramento seja menor que a esperada,
com isso, o sinal modulado gerado PWM se torna nulo. Como dito anteriormente,
quando o sinal do PWM é nulo o amostrador aciona o “hold” e o valor até então
48
coletado permanece “seguro” na saída deste amostrador, nota-se que nestes momentos o
valor tende a manter-se constante.
Pelo mesmo motivo do sinal PWM gerado, porém agora nos outros momentos onde a
corrente total gerada excedeu o necessário, mostrou-se com alta freqüência de trabalho,
o que fez com o que o amostrador mudasse do estado de “sample” para “hold” várias
vezes. Com isso, a corrente adquirida ficou em quase todo o momento igual à simulada.
Por este mesmo motivo a corrente de barramento verificada na figura 5.6 não se
apresenta como uma linha e sim uma área.
5.3
Montagem do circuito físico
Validada a solução proposta com a utilização do software MATLAB/SIMULINK partese para a montagem de um circuito físico e de testes com um painel fotovoltaico real.
Para testes do circuito físico, considera-se o controle de tensão de um barramento
alimentado por apenas um painel fotovoltaico, isto simplifica os testes pois os circuitos
de regulação de cada painel são iguais. A figura 5.10 mostra um diagrama esquemático
da montagem inicial feita em laboratório.
Figura 5.10 – Diagrama esquemático do circuito físico inicial de teste.
O circuito foi montado em um protoboard, como mostra a figura 5.11, e a placa
fotovoltaica colocada sob incidência solar, como mostrada na figura 5.12, e sua saída
alimenta o barramento do circuito, passando primeiramente em um sensor de corrente.
49
Figura 5.11 – Foto do circuito físico montado.
Figura 5.12 – Placa fotovoltaica sob incidência solar.
50
O sensor de corrente utilizado produz uma saída de tensão proporcional à corrente que
passa por ele. Neste caso, foi utilizado uma configuração que mede valores de corrente
entre -2 a 2 Àmperes, o que supri a necessidade, uma vez que a corrente máxima que o
painel é capaz de produzir, que é a de curto-circuito, é de 0,66 Àmperes. A saída do
sensor alimenta um Sample/Hold que quando acionado faz a amostragem da corrente
, e quando a chave é desligada este amostrador disponibiliza o valor desta corrente
em sua saída e então é feita a leitura pelo software LABVIEW.
O regulador montado no protoboard é composto por uma chave MOSFET IRF740, por
um drive de alta velocidade do tipo MC33151, por um circuito integrado do tipo
SG3524 e por um diodo ultra-rápido STTH2002C. Este circuito alimenta uma carga
representada por um resistor de 100 Ohms (10 W) em paralelo com um capacitor de
1500 μF.
A chave MOSFET IRF740 suporta uma corrente de dreno de até 10 Àmperes o que
garante uma margem de segurança para o teste. O circuito integrado SG3524 é
responsável por comparar a tensão do barramento com uma tensão de referência, o erro
resultante é então comparado com uma dente de serra e um sinal PWM é gerado. Na
figura 5.13 pode-se observar o circuito que representa o CI SG3524 e também um
diagrama de como foi feita a comparação entre tensão de barramento e referência.
Figura 5.13 – Circuito interno do CI SG3524.
51
Pela montagem feita tem-se:
.
(5.4)
Isso implica que o sinal produzido será invertido.
Para o acionamento ou não da chave MOSFET utiliza-se um drive de alta velocidade do
tipo MC33151. Este drive serve como proteção ao CI SG3524, e garante também a
potência para acionamento da chave. Uma característica deste drive é a inversão do
sinal de entrada. Neste caso, esta característica acaba se tornando útil uma vez que o
sinal PWM gerado pelo CI está invertido, como pode-se notar pela equação 5.4.
Esta inversão do sinal PWM pode ser vista também na figura 5.14, onde é possível
observar os sinais invertido primeiramente pelo CI e então invertido novamente
amplificado pelo drive, sinais estes obtidos durante um teste do circuito com a
utilização do software LABVIEW. O primeiro sinal possui uma amplitude de 5 Volts e
o segundo sinal possui uma amplitude de 12 Volts.
Figura 5.14 – Sinal PWM gerado (em amarelo) e então invertido e amplificado pelo drive (em vermelho).
52
Para geração do sinal de controle PWM, como dito anteriormente, o circuito integrado
SG3524 compara internamente a tensão de barramento com uma referência, porém não
se pode alimentar diretamente este dispositivo com a tensão de barramento, pois o CI
trabalha com sinais de até 5 Volts. Isso cria a necessidade de abaixar o valor da tensão
para comparação, para isso, usou-se um divisor de tensão, como pode ser visto nas
figuras 5.10 e 5.11. Neste caso utilizou-se dois resistores de valores
= 6,8 kΩ e
=
1 kΩ, onde o valor da tensão desejada em função da tensão de barramento é:
(5.5)
.
A partir desta equação é possível definir o valor da tensão de referência a ser usada para
um valor de tensão de barramento desejado. Caso a tensão de barramento fique em 15
Volts, ou seja,
aproximadamente
= 15 V, logo a tensão de referência que será utilizada é de
= 2 V. Foi utilizado nos testes uma fonte de tensão para produzir
esta tensão de referência é possível observar isto na figura 5.15.
Figura 5.15 – Tensão de referência fornecida por uma fonte de tensão.
53
5.4
Resultado do circuito físico
Definida a tensão de referência a ser utilizada parte-se para a verificação do controle da
tensão de barramento. Esta verificação foi feita com a análise da tensão por meio do
osciloscópio como mostram as figuras 5.16 e 5.17, onde pode-se comparar a tensão de
barramento com o uso do controle PWM e sem o controle respectivamente.
Figuras 5.16 – Tensão de barramento com controle PWM.
É possível observar no osciloscópio que a tensão de saída está em 15 Volts, uma vez
que a linha do meio representa uma tensão de 0 Volts, e cada divisão representa 5 Volts.
Portanto, a tensão de saída é a desejada.
54
Figura 5.17 – Tensão de barramento sem controle.
O controle da tensão de barramento é comprovado pelos valores de tensão obtidos em
ambos os casos. Observa-se que a tensão de barramento sem o controle foi de 17 Volts,
já a partir do controle da tensão obteve-se um valor de aproximadamente 15 Volts.
Porém, este valor de 15 Volts é lido visualmente no display de um osciloscópio, o que
não permite a análise de tempo de acomodação ou tempo de subida.
A aquisição da corrente de curto-circuito feita com um S/H alimentando o software
LABVIEW apresentou problemas, e por isso futuro testes com esse sistema deve ser
feito.
Outra constatação observada no momento do teste sobre o funcionamento do circuito
regulador shunt e que já foi anteriormente falada é o calor dissipado nas placas, pois a
partir do chaveamento a corrente excedente produzida é transformada em calor no
próprio painel fotovoltaico. Depois de alguns minutos de testes notou-se que o painel se
apresentava muito mais quente que inicialmente.
6
CONCLUSÕES
Neste trabalho, desenvolveu-se um regulador que faz o controle da tensão de
barramento de um satélite artificial, visando a construção de parte do subsistema de
suprimento de energia de um satélite, e que simultaneamente realiza a aquisição das
correntes de curto-circuito dos painéis fotovoltaicos com o intuito de alimentar um
algoritmo de determinação de atitude.
Simulou-se o sistema de controle no MATLAB/SIMULINK obtendo uma tensão
de barramento controlada no nível desejado, que foi de 15 Volts, sendo que nesta
mesma simulação adquiriu-se as correntes de curto-circuito dos painéis fotovoltaicos.
Esses resultados mostram a eficácia do sistema de controle desenvolvido utilizando
reguladores shunt.
Outra prova da eficácia do sistema de controle foi obtido ao se fazer testes
físicos do circuito, obtendo o controle desejado da tensão de barramento, no caso de 15
Volts. Neste teste um único problema foi observado, sendo ele o da aquisição da
corrente de curto-circuito do painel fotovoltaico.
Para trabalhos futuros, sugere-se o uso de microcontroladores ou de
microprocessadores especializados em processamento digital de sinal (Digital Signal
Processor - DSP) ao invés de circuitos analógicos, uma vez estas opções apresentam
maior confiabilidade e precisão, além de economizar espaço e energia. Outros
aperfeiçoamentos também são sugeridos, como:
Implementação completa de uma unidade de controle de potência,
envolvendo também o controle de carga e descarga da bateria sendo com
o uso da topologia DET ou PPT.
Realização de mais testes com a utilização do protótipo de satélite, onde
o controle seria feito não só com apenas um painel fotovoltaico, mas com
seis painéis dispostos no formato de um cubo e com a utilização também
do software LABVIEW para geração dos sinais PWM.
Implementação do circuito através FPGAs, uma vez que o laboratório
dispõe de equipamentos de compilação de algoritmos montados no
software
LABVIEW
para
circuitos
FPGAs.
REFERÊNCIAS
ANDERSON, E.; DOHAN, C.; SIKORA, A. Solar Panel Peak Power Tracking
System. Worcester Polytechnic Institute, 2003.
COLLEEN,
G.
Parts
of
a
Satellite.
Disponível
em:
<http://www.stmary.ws/highschool/physics/97/CGOLDEN.HTM>. Acesso em: 01 de
jun. 2010.
COSTA, L. L. Estudos de subsistemas de controle térmico para pequeno satélites
para aplicação ao NANOSATC-BR. Relatório final de projeto de iniciação científica
PIBIC/INPE – CNPq/MCT, Santa Maria, junho 2008.
DONATO, C. J. Projeto e implementação de uma unidade de controle de potência
para o satélite universitário ITASAT. Msc. Tese. Instituto Tecnológico da
Aeronáutica, 2007.
DONATO, C. J. et al. Proposta de Arquitetura para a Unidade de Controle de
Potência do Subsistema de Suprimento de Energia do Satélite Universitário
ITASAT. 12º Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XII ENCITA
2006.
ESRAM, T.; CHAPMAN, P. L. Comparison of Photovoltaic Array Maximum
Power Point Tracking Techniques. IEE Transactions on Energy Conversion, Volume
22, Issue 2, June 2007.
FERREIRA, A. J. Desenvolvimento de um dispositivo para determinação de
atitudes de satélites artificiais, baseado em um processador digital de sinais.
Monografia de Graduação, Colegiado do Curso de Engenharia de Controle e
57
Automação, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, Minas
Gerais, setembro 2007.
FERRIANI, V. M. P. Estudo do subsistema de suprimento de energia do satélite
universitário ITASAT. 12º Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA
– XII ENCITA 2006.
HALL, C. D. Spacecraft attitude dynamics and control: Lectures notes posted on
Handouts page. Disponível em: <http://www.aoe.vt.edu/~cdhall/courses/aoe4140>.
Acesso em: 29 abr. 2006.
MUGA,
A.
P.
Introdução
ao
mundo
dos
satélites.
Disponível
em:
<http://www.apmuga.com/wordpress/introducao-ao-mundo-dos-satelites/>. Acesso em:
04 de jun. 2010.
OBERRGIGHT, J. E. Artificial Satellite. World Book Online Reference Center, 2004.
Disponível em: <http://www.nasa.gov/worldbook/artificial_satellites_worldbook.html>.
Acesso em: 01 de jun. 2010.
PATEL, M. R. Spacecraft Power Systems. CRC Press, 2005.
ROCHA, R. Desenvolvimento de um sistema para estimação conjunta de atitude e
órbita de satélites artificiais utilizando painéis fotovoltaicos como sensor solar.
Relatório Técnico Científico Final MCT/CNPq, 2010.
SOUZA, P. N. Subsistema de Telecomunicação de Serviço e Centros de Controle e
de Missão. Curso Introdutório em Tecnologia de Satélites, 2008.
58
SOUZA, P. N. Subsistema de Suprimento de Energia. Curso introdutório em
Tecnologia de Satélites, 2009.