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 considerando uma arquitetura MPPT
36 Figura 3.10 – Aquisição das correntes de curto-circuito de um painel fotovoltaico considerando uma arquitetura DET
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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 correntes produzidas por cada
41 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
42
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 pelo drive (em vermelho)
51 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 INTRODUÇÃO ... 10
1.1 Objetivo ... 12
1.2 Metodologia ... 12
1.3 Justificativa ... 13
1.4 Estrutura do trabalho ... 13
2 SATÉLITE ... 15
2.1 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
3 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.
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
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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.
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.
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
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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
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).
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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.
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.
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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.
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).
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).
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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).
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
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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 ( ) é aproximadamente linear a corrente de curto-circuito ( ). 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.
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.
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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.
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).
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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 curto- circuito, 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.
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).
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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
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
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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:
, (3.4)
onde e 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 re- escrita da seguinte forma:
.
(3.5)
Sabe-se que a derivada da tensão V em relação à corrente I de um painel fotovoltaico é:
.
(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:
. (3.8)
Assim se torna possível obter a constante de proporcionalidade 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.
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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 curto- circuito dos módulos fotovoltaicos.
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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 Plataforma MATLAB/SIMULINK
Nesta 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.
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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.
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
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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 do eixo X.
5.2 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.
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.
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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.
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.
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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
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 parte- se 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.
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Figura 5.11 – Foto do circuito físico montado.
Figura 5.12 – Placa fotovoltaica sob incidência solar.
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.
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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).
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, = 15 V, logo a tensão de referência que será utilizada é de aproximadamente = 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.
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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.
