proposta de arquitetura para a unidade de controle de
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Anais do 12O Encontro de Iniciação Científica e Pós-Graduação do ITA – XII ENCITA / 2006 Instituto Tecnológico de Aeronáutica, São José dos Campos, SP, Brasil, Outubro, 16 a 19, 2006. PROPOSTA DE ARQUITETURA PARA A UNIDADE DE CONTROLE DE POTÊNCIA DO SUBSISTEMA DE SUPRIMENTO DE ENERGIA DO SATÉLITE UNIVERSITÁRIO ITASAT Claudinei de Jesus Donato Instituto Tecnológico de Aeronáutica Rua Egle Carnevali, 171 – Jardim das Indústrias. CEP: 12240-490 – São José dos Campos – SP [email protected] Vinícius Meirelles Pereira Ferriani Instituto Tecnológico de Aeronáutica H8A apto. 127, CTA, CEP 12228-460, São José dos Campos, SP, Brasil. [email protected] Bernardo de Pádua dos Santos Rua Cesarina Della Dea Betti, 62, ap. 02 – Jardim Satélite CEP 12231-740 – São José dos Campos – SP – Brasil. [email protected] Cairo Lucio Nascimento Junior Instituto Tecnológico de Aeronáutica Pça Mal. Eduardo Gomes, 50, CEP 12228-500, São José dos Campos, SP, Brasil. [email protected] Edgard José Faria Guimarães Instituto Tecnológico de Aeronáutica Pça Mal. Eduardo Gomes, 50, CEP 12228-500, São José dos Campos, SP, Brasil. [email protected] Geraldo José Adabo Instituto Tecnológico de Aeronáutica Pça Mal. Eduardo Gomes, 50, CEP 12228-500, São José dos Campos, SP, Brasil. [email protected] Roberto d’Amore Instituto Tecnológico de Aeronáutica Pça Mal. Eduardo Gomes, 50, CEP 12228-500, São José dos Campos, SP, Brasil. [email protected] Resumo. Apresenta-se um estudo sobre as topologias aplicáveis a unidades de condicionamento de energia (Power Conditioning Unit – PCU), tendo em vista a necessidade de definições conceituais relativas ao projeto do Subsistema de Suprimento de Energia do Satélite Universitário ITASAT. Analisa-se características de um gerador solar, bem como de sistemas constituídos pelo conjunto gerador solar – bateria. Considera-se as configurações básicas para sistemas com tensão de barramento regulada e não-regulada, arquiteturas com rastreamento de ponto de máxima potência e com transferência direta de energia. Especial atenção é dada a esta última considerando-se configurações típicas de reguladores de tensão do tipo shunt, como as topologias Sequential Switching Shunt Regulator e Sequential Switching Shunt Series Regulator. Ao final, propõe-se uma arquitetura básica para o projeto do Subsistema de Suprimento de Energia do Satélite Universitário ITASAT, que inclui unidades experimentais além das básicas. Palavras Chave: Peak Power Tracking, Sequential Switching Shunt Regulator, Sequential Switching Shunt Series Regulator, Direct Energy Transfer, ciclo limite. 1. Introdução Tendo-se iníciado o projeto do Satélite Universitário ITASAT, fizeram-se necessárias pesquisas nas diversas áreas que compõem o satélite, entre elas a área de Suprimento de Energia. Foram estudadas as topologias de Subsistemas de Suprimento de Energia em satélites, voltando-se especificamente para as que atendessem às características da missão. Foram analisados aspectos como potência e tensão de barramento, dissipação térmica, Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro, 16-19, 2006. confiabilidade, componentes disponíveis, tempo disponível e inovações em relação às arquiteturas já utilizadas e validadas pelo Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE - ao longo do desenvolvimento dos programas espaciais brasileiros. Considerando-se as características da missão, será utilizado o princípio da conversão fotovoltaica para o projeto da fonte primária de energia. Serão utilizados painéis solares montados no corpo do satélite, cada um destes constituído por conjuntos de células solares associadas em série (strings). Como o satélite não estará iluminado o tempo todo, torna-se necessário armazenar energia para os momentos de eclipse e para picos de potência, que excedam a potência do gerador utilizando-se para tanto baterias secundárias, que permitem a recarga após um período de descarga. A bateria é formada por células conectadas em série, para definir a tensão de terminal, e em paralelo, para definir a capacidade de carga, geralmente especificada em ampére-hora (A-h). As células solares convertem a energia solar em elétrica durante o período em que estão expostas à luz do sol, fornecendo energia ao sistema, além de carregar a bateria. A curva característica corrente-tensão de uma célula solar é mostrada na Fig. 1, sendo que esta curva varia com: § Ângulo de incidência e distância do sol; § Temperatura; § Tempo de vida (O'Sullivan, 1989). I Distância Ângulo Início da Vida útil Fim da Vida útil V Temperatura Figura 1. Curva característica da célula solar. Devido à grande variação, ao longo do tempo, das características de saída dos painéis solares, às necessidades de: controlar a carga da bateria, evitar aquecimentos excessivos no satélite e simplificação dos reguladores de tensão utilizados pelas próprias cargas, torna-se necessário o controle da energia entregue pelas células solares. Por isso utiliza-se sistemas para controlar a corrente e tensão fornecidas para as baterias e a tensão na carga. Em uma primeira análise das configurações básicas de fontes de suprimento para satélites, podemos dividi-las em três grupos, baseadas na regulação do barramento: regulado, não regulado e com regulação solar (O'Sullivan, 1989 e Wertz and Larson, 1999). Como tanto o painel solar como a bateria apresentam variação na tensão de saída, de acordo com vários fatores, como ciclo de carga e descarga da bateria, por exemplo, para operar com barramento regulado o sistema precisa utilizar-se de reguladores para o gerador solar e para carga e descarga das baterias. Um diagrama de blocos com a estrutura básica de uma fonte com barramento regulado é mostrado na Fig. 2. Verifica-se que um regulador é ligado diretamente ao painel solar e na conexão com a bateria são utilizados dois reguladores, um regulador de carga de bateria (Battery Charger Regulator - BCR) e outro de descarga (Battery Discharger Regulator - BDR). Assim, é garantida a regulação da tensão entregue à carga, independente de quem está alimentado-a, desde que as fontes de energia (painel solar ou bateria) estejam dentro de suas condições normais de operação. Painel Solar Regulador Painel Solar Figura 2. Fonte com barramento regulado. BCR BDR Carga Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro, 16-19, 2006. Para sistemas com barramento não-regulado, que é o método mais simples, com menor massa e custo, a carga precisa aceitar grandes variações de tensão, pois o sistema de potência somente disponibiliza o desligamento da fonte de energia, quando a mesma estiver fora dos limites de funcionamento estabelecidos. Desta forma, não temos os reguladores da Fig. 2. O painel solar, a bateria e a carga estão conectados diretamente ao barramento, tendo apenas os circuitos para interromper a passagem de corrente entre os dois primeiros e a carga. Em sistemas com regulação do painel solar, tem-se que enquanto este estiver com iluminação suficiente para alimentar a carga e carregar a bateria, permanecerá como fonte de energia do sistema e um regulador controlará a tensão fornecida. Porém, quando não conseguir mais fornecer a potência exigida, a bateria começa alimentar a carga. Como não é utilizado um BDR, mas apenas um diodo em seu lugar, com a queda da tensão do barramento permite-se que a bateria forneça a energia necessária à carga. Neste caso, naturalmente, a tensão de bateria deve ser inferior à do barramento, e a tensão na carga irá variar conforme o ciclo de descarga da bateria. 2. Topologias Em sistemas formados por painel solar e bateria, as duas principais técnicas para controle de energia são o rastreamento da potência de pico (Peak Power Tracking – PPT) fornecida pelo painel solar e a transferência direta de energia (Direct Energy Transfer – DET) (Wertz and Larson, 1999 e Patel, 2005). A escolha de uma destas topologias deve considerar características da missão, tendo em vista a otimização e a confiabilidade do satélite. 2.1. Peak Power Tracking Torna-se viável a utilização da arquitetura PPT somente se as perdas devido ao rendimento do conversor e a massa adicional forem menores que o ganho do sistema por poder operar no pico de potência do gerador solar. Porém, somente quando a carga, a bateria ou ambos juntos exigirem potência maior ou igual ao máximo disponível pelo painel solar, o PPT será ativado e realizará o rastreamento do ponto de máxima potência do gerador solar. Caso contrário, o PPT será desativado, e o excesso de potência deixado no painel solar, aumentado sua temperatura. O painel solar entrega uma potência maior quando está com tensão mais alta, no início da vida útil e está frio, saindo do período de eclipse (Patel, 2005). Na Fig. 3 temos a curva de corrente-tensão e potência-tensão de um painel solar típico, com o ponto de potência de pico caracterizado pela corrente e pela tensão nas quais ele ocorre. O PPT deve operar exatamente no ponto Vpp, Ipp para obter a máxima potência de pico do painel solar. Como a curva I-V varia ao longo do tempo, este ponto deve ser constantemente rastreado. I-P Potência de Pico Icc Po tê nc ia Ipp vpp vca V Figura 3. Ponto de potência de pico do painel solar. Como fica claro, a detecção do ponto de potência de pico do painel solar é a questão chave desta arquitetura, sendo fundamental que o rastreamento seja feito de forma estável, eficiente e confiável. A seguir são descritos alguns métodos utilizados para o rastreamento (Patel, 2005): § A potência de saída do painel solar é calculada e salva (detector de pico), a tensão de operação é alterada até que o ponto de potência de pico seja encontrado; § As impedâncias estática e dinâmica (V/I e dV/dI) do barramento são iguais em magnitude no ponto de pico de potência. Assim, uma pequena corrente é periodicamente injetada no barramento, as impedâncias estática e dinâmica são medidas, o ponto de operação é alterado até que as impedâncias sejam iguais; § A taxa (K) de tensão de potência de pico (Vpp) pela tensão de circuito aberto (Vca) é aproximadamente constante, seu valor varia entre 0,70 e 0,75. Uma célula é instalada junto ao painel solar, para estar sobe as mesmas condições ambientais, mantida sem carga e sua tensão é constantemente medida, o ponto de operação (Vpp) é definido pela multiplicação da taxa definida pela tensão de circuito aberto (K x Vca); Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro, 16-19, 2006. § A tensão de operação é aumentada enquanto a derivada de potência, dP/dV, é positiva, isto é, enquanto a potência está aumentando. Quando a derivada tornar-se negativa a tensão é diminuída. Assim, quanto menor a derivada, mais o ponto de operação fica próximo do ponto de pico de potência. Além destes métodos existem outros que levam em conta outras variáveis, como constantes características do painel solar, temperatura e corrente de curto-circuito (Icc), mas tradicionalmente estes, ou suas variações, são os mais usados. O PPT apresenta três configurações de operação: série, paralela e série-paralela. A série-paralela, mostrada na Fig. 4, apresenta melhor eficiência, sem grande aumento de complexidade e disponibiliza tensão regulada para a carga (Huynh and Cho, 1995 e Patel, 2005). Seus modos de funcionamento são descritos na Tab. 1. A Unidade Reguladora de Bateria (Battery Regulator Unit – BRU) é composta por um conversor bidirecional, que pode carregar ou descarregar a bateria, ou por conversores separados. Regulador Série BRU Carga Painel Solar Figura 4. Configuração série-paralela para o PPT. Tabela 1. Modos de operação para configuração série-paralela. Modo Regulador Série Carregador de Bateria Eclipse Desligado Desligado PPT Discarga (Sol parcial) PPT Desligado PPT Carga (Sol total) Regula barramento PPT Carga de manutenção Regula barramento Carga de manutenção Descarregador de Bateria Regula barramento Regula barramento Desligado Desligado Os conversores utilizados, inclusive o regulador série, são conversores de corrente contínua tradicionalmente utilizados em sistemas espaciais. Geralmente são utilizados conversores dos tipos: Buck (abaixador de tensão), Boost (elevador de tensão), Buck-Boost (elevador e abaixador), entre outros. Para a modulação da largura de pulso destes conversores é utilizado um método de rastreamento da potência de pico, caso estejam operando como PPT. 2.2. Direct Energy Transfer Em um sistema com arquitetura DET, a energia é transferida diretamente do painel solar para a carga sem componentes em série entre eles, como um regulador série. Com exceção da unidade de distribuição de energia (Power Distribution Unit – PDU), com os componentes de proteção, e dispositivos para controle de posicionamento do painel solar, em relação ao sol, quando o painel é móvel. Na Fig. 5 são mostradas duas fontes de alimentação, com barramento não-regulado, usando baterias conectadas diretamente ao barramento. A topologia PPT é mostrada na Fig. 5a, onde percebemos que necessariamente temos um regulador série entre carga e painel. Já na Fig. 5b, temos um DET, o regulador (Shunt Regulator – SR) é conectado em paralelo, e assim, temos carga conectada diretamente ao painel. Com a transferência direta de energia, podemos disponibilizar para carga tensão não-regulada, com regulação do painel solar ou totalmente regulada. O primeiro caso é mostrado na Fig. 5b, como já descrito. A Fig. 6a apresenta uma configuração para tensão de barramento regulada e a Fig. 6b para regulação somente da tensão do painel solar, através do SR. Nesta configuração, a bateria fornece energia para a carga através de um diodo, que será polarizado quando a tensão de barramento cair abaixo da tensão da bateria. Assim, a tensão na carga irá variar conforme o ciclo de descarga da bateria. PPT Carga Painel Solar Painel Solar a - PPT Shunt Regulator b - DET Carga Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro, 16-19, 2006. Figura 5. Topologias: a – PPT e b – DET, com barramento não-regulado. Painel Solar Shunt Regulator BCR BDR Carga Painel Solar Shunt Regulator BCR Carga b – Regulação solar a – Regulado Figura 6. Configuração DET para: a – barramento regulado e b – com regulação do painel solar. 2.2.1. Regulador Shunt Existem diversas construções para o SR, aqui serão apresentadas com mais detalhes as topologias Sequential Switching Shunt Regulator (S3R) e Sequential Switching Shunt Series Regulator (S4R), que serão objeto de estudo mais aprofundado por ser de interesse para o projeto ITASAT. K Ip C A R G A Error Amplifier T R Ref Figura 7. Regulador Shunt dissipativo. Pode-se ver na Fig. 7 uma fonte de corrente, representando um painel solar, com um circuito de SR dissipativo, que é composto por um transistor (T), um elemento dissipativo (R), um amplificador de erro, uma referência e um compensador (K). A corrente fornecida pelo painel solar (Ip) alimenta a carga e carrega a bateria. Caso a potência exigida pelo conjunto carga-bateria seja inferior à fornecida pelo painel, o SR entra em operação para evitar que a tensão no barramento suba. Esta tensão é comparada com uma referência e polariza o transistor que desvia parte da corrente Ip, dissipando o excesso de potência em R. Essa configuração apresenta duas grandes desvantagens que merecem ser citadas: calor gerado e massa necessária para dissipar todo o excesso de potência. A operação do SR de forma não-dissipativa, com uma chave que alterna entre colocar o painel solar em curtocircuito e permitir que ele alimente a carga, é uma opção para minimizar problemas do SR dissipativo. A Fig. 8 mostra um SR não dissipativo. A chave S realiza o curto-circuito do painel, enquanto o diodo impede que seja também curtocircuitada a bateria. Com S aberta, o painel fornece corrente para a carga e para a bateria através do diodo. Para controlar o tempo de abertura e fechamento da chave S, bem como a freqüência com que isso ocorre, utilizase do método de controle de ondulação (ripple control) ou ciclo limite (O'Sullivan and Weinberg, 1977 e White, 1977), mostrado na Fig. 9. Quando a tensão de barramento sobe e chega a um limite superior (VH) a chave é ligada (fechada), curto-circuitando o painel solar, com isso a tensão cai até alcançar o limite inferior (VL), então a chave é desligada (aberta), permitindo que o painel volte a alimentar a carga e bateria, e que a tensão volte a subir. K Ip S C A R G A Comp Ref Figura 8. SR não dissipativo, operação com ciclo limite. Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro, 16-19, 2006. VBUS VH Son VL Soff t Figura 9. Ciclo Limite. Um problema apresentado por esta configuração é a emissão eletromagnética gerada, em razão do contínuo chaveamento realizado. Faz-se necessário utilizar um filtro para amenizar a interferência eletromagnética gerada, para viabilizar sua utilização (O'Sullivan and Weinberg, 1977). Para não limitar a utilização do SR a pequenas potências, aumentar a confiabilidade do sistema, possibilitar menor ondulação de tensão e redução da capacitância do barramento, utiliza-se o chaveamento seqüencial (Sequential Switching), como mostrado na Fig. 10. Ip1 S1 Ip2 S2 Ip3 S3 Ipn Sn Figura 10. Chaveamento seqüencial. Tem-se na Fig. 10 o painel solar divido em vários segmentos, strings, e cada um possui seu próprio SR, operando com um ciclo limite próprio. Assim, cada SR opera individualmente, independente dos demais. A máxima freqüência de operação (fMAX) de cada chave do SR depende da capacitância do barramento (C), do ciclo limite (VH – VL) e da corrente fornecida pela string (Ip), como descrito em Eq. (1) (White, 1977): f MAX = IP 4C (VH − VL ) (1) 2.2.2 Sequential Switching Shunt Regulator Na Fig. 11 observa-se que o chaveamento seqüencial é o princípio de funcionamento da arquitetura S3R. Tem-se várias strings (Ip1, Ip2,..., Ipn), cada uma controlada individualmente através de sua respectiva chave (S1, S2,..., Sn). O ponto de operação de cada chave é definido pelo conjunto comparador (Comp) e referência (Ref1, Ref2,..., Refn), conforme seu ciclo limite. Para termos ondulação pequena na tensão de barramento, faz-se necessário amplificar o erro, diferença entre tensão desejada (Ref) e a de barramento. Caso contrário, os comparadores precisariam operar com tensões muito próximas, diferença de apenas alguns milivolts, e assim, características como tensão de offset e drift destes comparadores poderiam alterar drasticamente o ponto de operação de cada string. Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro, 16-19, 2006. Ip1 S1 Unidade de Distribuição de Energia Comp Ref1 Ip2 S2 Error Amplifier Comp Ref Ref2 Ip3 S3 Comp Ref3 Bateria Ipn Sn Comp Refn Figura 11. Arquitetura S3R. Na arquitetura S3R, quando a corrente exigida pela carga (conjunto PDU - bateria) é pequena, algumas strings não são necessárias e sua conexão à carga faria com que a tensão subisse. Assim, para manter a regulação da tensão do barramento, algumas strings alimentam a carga, tendo a chave de controle aberta (S1,..., Sm), permitindo o fornecimento da corrente através do diodo. Outras strings são curto-circuitadas, fechando-se a chave de controle (Sm,..., Sn). A quantidade de strings alimentando a carga irá variar conforme a corrente exigida. Para evitar grandes oscilações na tensão de barramento, uma chave, e apenas uma em um dado instante, poderá alternar sua posição entre aberta e fechada, operando com modulação por largura de pulso (PWM), conforme seu ciclo limite. Para evitar que várias chaves ativem ao mesmo tempo, os comparadores têm ciclos limites diferentes, seqüenciais, conforme Fig. 12. Cada chave possui tensão diferente das demais para ser ligada (VHx) e desligada (VLx). Por exemplo, para a string 1 com tensão de barramento em 27,8 V a chave é desligada e em 27,9 V é ligada, já a string 2 é desligada com 27,9 V e ligada com 28 V. No exemplo da Fig. 12, temos um sistema que ao ser ligado todas as suas chaves estão desligadas, as strings fornecendo corrente para carga, o que faz com que a tensão eleve-se rapidamente. A tensão de barramento desejada é de 28 V. Em t1 a chave S1 é fechada, curto-circuitando a string Ip1, mas a tensão continua subindo e as chaves são fechadas uma a uma, de acordo com o limite superior dos seus ciclos limite (VHx). No tempo t2 todas as chaves estão fechadas e a tensão começa a cair, então as chaves começam a serem abertas, quando a tensão atinge o limite inferior de seus ciclos limite (VLx). Vemos que em t3 a chave S3 é desligada, a tensão sobe, então em t4 S3 é ligada novamente. Por último, como a tensão caiu, em t5 a chave S2 é desligada, fazendo com que a tensão suba. VBUS VHn 28,xV VH3 – VL4 28,1V VH2 - VL3 28,0V VH1 - VL2 27,9V VL1 27,8V t1 Figura 12. Ciclo Limite Seqüencial. t2 t3 t4 t5 t Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro, 16-19, 2006. 2.2.3 Sequential Switching Shunt Series Regulator A topologia S4R é muito semelhante à S3R, porém agora tem-se dois barramentos independentes, um conectado à Unidade de Distribuição de Energia, conforme a topologia S3R, e outro ligado às baterias, através da chave SB (Capel and Perol, 2001). Na Fig. 13 tem-se um diagrama simplificado da arquitetura S4R. Unidade de Distribuição de Energia Ip1 BDR S1 SB1 Ip2 S2 SB2 Ip3 S3 SB3 SBn Ipn Sn Bateria Figura 13. Arquitetura S4R. Com a arquitetura S4R surgem algumas complicações, em relação à S3R. Agora uma string pode alimentar a carga, o banco de baterias, ambos ou ser curto-circuitada. Como a prioridade é atender às necessidades da carga, uma parte ou todas as strings fornecerão potência ao sistema, para que sua tensão seja mantida regulada. As strings que não forem utilizadas pela carga serão utilizadas para carregar o banco de baterias, conforme a necessidade. As que não forem utilizadas, nem para carga nem para bateria, serão curto-circuitadas através da chave S. Para utilização da string pela bateria a chave SB deverá ser fechada, assim, como sua tensão será inferior à da carga, o diodo D ficará bloqueado, permitindo que corrente de recarga seja fornecida. Para uma melhor utilização do painel solar, poderá ocorrer que uma string seja utilizada tanto para alimentar a carga quanto a bateria. Isto acontecerá se a carga necessitar de uma string operando em modo PWM, pois precisa apenas de uma fração da corrente que esta pode fornecer. Porém, a corrente necessária para carregar a bateria é superior à quantidade disponibilizada pelo restante das strings não utilizadas pela carga. Assim, esta string que estará operando em PWM, durante o tempo que não estiver fornecendo corrente para a carga, poderá ser conectada à bateria. Este modo de operação das strings exige um controle muito mais complexo que o utilizado na topologia S3R. A vantagem da topologia S4R é a eliminação do regulador de carga de bateria (Battery Charger Regulator – BCR), que em geral, possui maior massa e menor eficiência, já que o controle de recarga das baterias é feito diretamente no acionamento das strings. Quando necessário, as baterias alimentam as cargas através de um regulador de descarga das baterias (Battery Discharger Regulator – BDR) ou de diodo, caso não seja necessário que o barramento seja regulado. 3. Arquitetura proposta A arquitetura proposta para o Satélite Universitário ITASAT é baseada na topologia S4R, porém, gerenciada por um microcontrolador, conforme apresentado na Fig. 14. Considerando operação com barramento não-regulado, utilizase um diodo para conexão da bateria com a carga. Para o controle da energia fornecida às baterias e à PDU, serão medidas suas tensões e correntes, além da temperatura das baterias, se necessário. Será utilizado sinal PWM para controle das chaves shunt (Sx) e controle ligadesliga para as chaves das baterias (SBx). A partir das tensões e correntes (e temperatura) medidas, o algoritmo existente no microcontrolador define o estado de cada chave, de forma que sejam satisfeitas as especificações dos barramentos. Como já descrito, uma ou duas chaves shunt (máximo uma por barramento) poderão estar em modo PWM, sendo que a largura do pulso é calculada no microcontrolador. Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro, 16-19, 2006. Ip1 S1 VD Unidade de Distribuição de Energia ID SB1 Ch1 PWM1 Ip2 S2 SB2 Ch2 PWM2 Microcontrolador SB3 Ip3 Ch3 S3 PWM3 Chn SBn PWMn Ipn VB Sn IB Bateria TB Figura 14. Arquitetura proposta. 3.1. Experimentos Com a utilização da arquitetura S4R, o ITASAT já apresenta inovações em relação às unidades de condicionamento de energia atualmente utilizadas nos satélites brasileiros. Porém, com a possibilidade de embarcar experimentos junto ao satélite e monitorá-los via telemetria, torna-se possível a inclusão de dois novos reguladores para testes no espaço. Atualmente estão sendo realizados estudos para implementação de um BDR e um PPT como experimento. A escolha da topologia S4R fundamentou-se, também, pela facilidade de implementar o PPT e o BDR como experimentos, sem necessitar grandes alterações no circuito original e mantendo grande confiabilidade do sistema, através de uma redundância simples. Na Fig. 15 é mostrado um diagrama simplificado da arquitetura proposta para o ITASAT, já com os experimentos, que serão incorporados ao sistema caso apresentem resultados satisfatórios durante o processo de teste, e permitam a troca de configuração entre a apresentada na Fig. 14 e 15 com confiabilidade satisfatória. Com esta configuração da Fig. 15 não é possível garantir que a tensão na entrada no PPT será inferior a do barramento, pois o PPT altera o ponto de operação do painel solar para buscar o ponto de máxima potência. Por isso, não se pode assegurar que o diodo vai manter-se bloqueado e permitir que a corrente da string vá para o PPT. Então, faz-se necessária uma chave ao invés do diodo, para abrir a conexão da string com a carga, quando se deseja alimentar o PPT. Para o controle da energia fornecida à bateria e o funcionamento correto do PPT, serão medidas as tensões e correntes na bateria e na entrada do PPT, além da temperatura da bateria, se necessário. Será utilizado sinal PWM para controle das chaves shunt e o PPT, já para a chave série SBn, que será fechada para que a corrente da string chegue ao PPT, será utilizada porta de entrada e saída (I/O). Neste caso, a chave série SDn, da mesma string será aberta, caso contrário parte da corrente será desviada. O BDR controlará a descarga da bateria, a fim de que a tensão que vai para a PDU seja regulada. Também para seu controle será necessária uma porta que opere em modo PWM. O microcontrolador realizará as medidas e conforme o algoritmo implementado em seu firmware, definirá a operação de cada string, afim de que a bateria seja carregada eficientemente e a PDU tenha tensão regulada conforme as especificações do projeto. Anais do XII ENCITA 2006, ITA, Outubro, 16-19, 2006. Unidade de Distribuição de Energia SDn VD Ipn ID Sn SBn M I C R O C O N T R O L A D O R CHDn PWMn IS CHDn VS PWMBDR BDR VB PWMPPT PPT IB TB Bateria Figura 15. Arquitetura proposta incluindo os experimentos. 4. Conclusão Mesmo quando são consideradas somente as arquiteturas de PCU aplicáveis ao ITASAT, tem-se uma grande quantidade de opções, principalmente porque cada arquitetura permite várias configurações. Por isso, tem-se neste estudo apenas uma visão geral sobre PCU, não sendo possível aprofundar o assunto em poucas páginas. Através do estudo realizado, foi possível concluir que a arquitetura S4R é a melhor opção para o ITASAT, dadas as especificações do mesmo, o tempo disponível para o desenvolvimento do subsistema de suprimento de energia, a utilização desta arquitetura e de outras semelhantes com sucesso durante décadas, a necessidade de apresentar uma proposta com diferenciais em relação ao que já é usado pelos satélites brasileiros, além das vantagens intrínsecas desta arquitetura. A utilização do microcontrolador torna-se uma grande necessidade do sistema, para um controle mais flexível, com possibilidade de tomada de decisão a partir de um número maior de variáveis, também mais “inteligente”, permitindo analisar condições de erro e corrigi-la ou contorná-la. A utilização do PPT e do BDR como experimentos permitirá adquirir a experiência necessária para aprimorá-los e adotá-los como parte integrante do subsistema em futuros projetos. 5. Agradecimento À Agência Espacial Brasileira - AEB, que fomenta e dirige o projeto ITASAT, ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE, que gerencia o projeto e fornece suporte técnico e logístico e ao Instituto Tecnológico de Aeronáutica pela infra-estrutura disponibilizada. 6. Referências Capel, A. and Perol, P., 2001. “Comparative Performance Evaluation Between the S4R and the S3R Regulated Bus Topologies”, IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference, Vol. 4, Vancouver, Canada, pp. 1963-1969. Huynh, Phuong T. and Cho, Bo H, 1995. “Design and Analysis of a Regulated Peak-Power Tracking System”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 35, No. 1, pp. 84-92. O'Sullivan, D., 1989. “Satellite power system topologies”, ESA Journal. Vol. 13, No. 2, pp. 77-88. O'Sullivan, D. and Weinberg, A., 1977. “The Sequential Switching Shunt Regulator”, Proceedings of the Third ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar, Noordwijk, The Netherlands, pp. 123-131. Patel, Mukund R., 2005. “Spacecraft Power Systems”, CRC Press, Boca Raton, United States of America, 736 p. Wertz, James R. and Larson, Wiley J., 1999. “Space Mission Analysis and Design”, Microcosm Inc. and Kluwer Academic Publishers, Boston, United States of America, 969 p. White, I. R., 1977. “Design and Development of a Sequential Switching Shunt Regulator”, Proceedings of the Third ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar, Noordwijk, The Netherlands, pp. 133-136.
