3 - Sistemi di regolazione, distribuzione e protezione

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Sistemi di Condizionamento e di
Protezione
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Sommario
Introduzione
Tipi di Bus
Tipi di Architettura
sistemi shunt
Sequential Switching Shunt Regulator (S3R)
Sequential Switching Shunt Series Regulator (S4R)
Maximum Power Point Traking
MPTT buck
MPPT boost
Trade-off
Protezioni
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Introduzione
Caratteristiche
del
Payload
•Altitudine (GEO, LEO)
Profilo
orbitale
• Inclinazione
• Distribuzione eclissi
• Durata eclissi
Timeline
(attivita’ sull’orbita)
Tipologia (TLC, RADAR)
e requisiti operativi
Selezione
preliminare
Bus
Consumi
(potenza media e di picco)
• Selezione del sistema
di condizionamento
della potenza.
• Selezione del tipo di
bus.
• Dimensionamento
della batteria e del
solar array
Life-time
(durata del servizio)
Selezione / ottimizzazione
del sistema di alimentazione
Dimensionamento
sorgenti di alimentazione
Power
Budget
Analysis
Verifica compliance
ai requisiti del Payload
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PCDU
Le funzioni di condizionamento della potenza e di regolazione del
Bus sono svolte dalla PCDU, che deve assolvere anche le seguenti
funzioni:
alimentare i carichi
gestire la batteria
gestire le protezioni sui parametri di tensione (Undervoltage,
Overvoltage) e corrente (Overcharge, Overdischarge)
gestire gli heaters di bordo
fornire i comandi e l’alimentazione ai dispositivi elettroesplosivi di
bordo (necessari per l’apertura di Solar Array ed eventuali antenne
con braccio mobile)
proteggere le linee di alimentazione degli utenti di bordo (tramite
fusibili o limitatori di corrente)
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PCDU
Le funzioni principali della PCDU è quella da cui prende il nome:
condizionare la potenza generata dal Solar Array
gestire la carica e le sorveglianze della batteria e del bus
provvedere ad alimentare i carichi
Solar
Array
PSA
PCDU
Pload
Load
PBTA
Battery
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Alimentazione dei carichi e gestione della
carica della batteria
Se la potenza richiesta dal carico è maggiore di quella disponibile dal
solar array, la PCDU deve essere in grado di mettere la batteria in
scarica per poter colmare il gap di potenza.
Se la potenza richiesta dal carico è minore di quella disponibile dal
solar array, la PCDU deve essere in grado di poter gestire la carica
della batteria seguendo un algoritmo che determina la corrente di
carica.
In quest’ultimo caso potrebbe accadere che la potenza disponibile
dal solar array sia maggiore della somma della potenza richiesta dai
carichi e di quella necessaria per caricare la batteria.
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Regolazione di batteria
La regolazione della carica della batteria è la funzione su cui si appoggia la
PCDU per effettuare il condizionamento della potenza dei Solar Array e la
distribuzione di tale potenza ai carichi.
La grandezza che si cerca di
imporre è la corrente di batteria.
La PCDU farà sì che dai Solar
Array arrivi la potenza
necessaria per avere la corrente
di batteria richiesta
dall’algoritmo di carica.
I carichi prelevano
autonomamente la potenza che
necessitano dal bus.
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Punto di regolazione
FUSE
Load
SADM
REGOLATORE
FUSE
Load
FUSE
Load
FUSE
SADM
Load
FUSE
REG.
Load
REG.
Load
FUSE
Il punto di regolazione o Bus rappresenta il centro della stella formata da
Solar Array, batteria e linee di carico.
Da esso partono le linee di alimentazione dei carichi.
Per evitare ripercussioni di un guasto sul resto del satellite è opportuno
che ciascun equipaggiamento riceva una linea individuale protetta di
alimentazione.
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Tipi di Bus
La distribuzione della potenza verso i carichi può avvenire in tre
modi:
• Bus regolato: tensione di Bus fissa
• Bus non regolato: tensione di Bus variabile
• Bus regolato in sunlight e non regolato in eclissi: tensione di Bus
fissa in sunlight e variabile in eclissi.
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Bus regolato
La tensione del Bus rimane fissa al valore stabilito: necessità di
disaccoppiare la batteria dal bus attraverso dei DC/DC converter.
BCR
BDR
Sistema di
Condizionamento
della potenza
Cbus
Carico
Batteria
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Bus non regolato
In presenza di Bus non regolato, il Bus è collegato in parallelo alla
batteria, i carichi quindi lavorano a tensione variabile seguendo i cicli
di carica e scarica della batteria.
Sistema di
Condizionamento
della potenza
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Batteria
Cbus
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Carico
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Bus sun-regulated
Il bus regolato in sunlight e non regolato in eclissi prevede l’utilizzo
di un DC/DC converter solo per la carica della batteria in sunlight.
BCR
Sistema di
Condizionamento
della potenza
Cbus
Carico
Batteria
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Bus non regolato vs regolato
Bus non regolato - Vantaggi:
minori disturbi condotti (ripple) generati dal sistema di regolazione
sistema di controllo più semplice
rendimenti più elevati
Bus non regolato - Svantaggi:
convertitori DC/DC degli utenti più complessi e pesanti
minori rendimenti di tali convertitori
grosse variazioni della corrente assorbita dai carichi
Il Bus sun-regulated si comporta, in carica, come un Bus regolato ed in
scarica come un bus non regolato, ma con l’aggiunta delle perdite del
diodo in quest’ultmima fase.
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S3R
Vbus
+
K
1/s
Vmea
Vref
MEA
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S3R
Quando una stringa viene chiusa sul bus, il punto di lavoro del Solar Array
dipende dalla tensione del bus. In presenza di bus non regolati, questa è pari, a
meno di una caduta, alla tensione di batteria.
Durante le fasi di scarica della
batteria la potenza ottenibile dal
Solar Array diminuisce!
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S3R
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S3R – Vantaggi e svantaggi
Principali vantaggi dell’S3R
Design modulare
Controllo degli switch semplice
Piccolo filtro sul bus per ridurre il ripple
Solo un modulo alla volta viene commutato, gli altri sono ON o OFF
Eccellente risposta alle variazioni del carico
Molto affidabile, un guasto su un modulo non pregiudica il funzionamento
né aumenta il ripple
Non richiede clock né complicati circuiti di sfasamento
Dissipazione minima
Principali svantaggi dell’S3R
Inversione della tensione su una o più celle durante lo switch
Non può essere utilizzato in presenza di sorgente unica
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S3R – Inversione della cella
Quando lo switch è chiuso, il
punto di lavoro è H, quindi
nel Solar Array sta scorrendo
una corrente molto alta, pari
alla corrente di corto circuito.
ISA
VA
H
VB
VC
VA + VB + VC = 0
VA ≠ VB ≠ VC ≠ 0
Almeno una cella sta dissipando la
potenza prodotta dal Solar Array!
ogni cella ha in parallelo un diodo per bloccare la tensione
viene inserita una resistenza in serie allo switch
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S4R
L’S4R associa al modulo S3R fin qui descritto, un modulo serie capace di
trasferire potenza dal Solar Array alla batteria.
La carica della batteria viene effettuata tramite un loop di regolazione
indipendente che fornisce alla batteria la corrente richiesta utilizzando le
stringhe non utilizzate per la regolazione al bus tramite S3R.
BDR
Cbus
Carico
Batteria
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S4R
Un confronto tra i due sistemi mostra come con l’S4R siano possibili risparmi
di massa della PCDU e, soprattutto, una minore dissipazione ed una maggiore
affidabilità.
La maggiore limitazione dell’S4R consiste nella sua applicabilità solo in
presenza di bus regolati e con tensione di batteria inferiore alla tensione di bus.
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MPPT
L’algoritmo di MPPT serve per far lavorare il Solar Array nel suo punto a
massima potenza.
A seconda che i convertitori di PCDU siano riduttori o elevatori, l’algoritmo
prende rispettivamente il nome di MPPT buck o MPPT boost.
Il principale vantaggio del condizionamento tramite convertitori è svincolare la
potenza estraibile dal Solar Array dall’andamento della tensione della batteria
e dalla temperatura.
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MPPT
Dipendenza del punto a massima potenza dalla temperatura
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MPPT
Perturb and observe
L’MPP viene inseguito cambiando periodicamente la tensione di Solar Array e
confrontando la potenza ottenuta con quella al passo precedente.
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MPPT buck
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MPPT buck
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MPPT buck
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MPPT boost
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MPPT boost
Per sua natura, l’MPPT boost presenta un rischio connesso alla scelta della
batteria.
Nel caso in cui la batteria sia costituita da High Capacity Cells, la batteria può
essere costituita da una sola stringa.
In caso quindi di guasto di una cella, questa dovrà essere bypassata e il range
delle tensioni di batteria si abbasserà di conseguenza.
Può quindi accadere che il punto di massima potenza del Solar Array non sia
più esterno a tale range ma cada al suo interno e non sia più raggiungibile in
alcune modalità operative.
Anche in assenza di guasti, questa situazione si presenterà in via transitoria
all’uscita da ogni eclisse.
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MPPT boost
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Profili operativi
Un parametro importante per la scelta del tipo di sistema di
regolazione da adottare è il tipo di missione da supportare.
Ad ogni tipo di missione corrisponde infatti un andamento
tipico degli assorbimenti di potenza.
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Profili operativi - SAR
L’andamento della potenza richiesta dai carichi presenta le seguenti
caratteristiche tipiche:
valore medio sull’orbita significativamente minore dei valori di picco
valori di picco elevati
breve durata degli assorbimenti a massima potenza rispetto alla durata
dell’orbita
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Profili operativi - Ottico
L’andamento della potenza richiesta dai carichi presenta le seguenti
caratteristiche tipiche:
valore medio sull’orbita non troppo diverso dai valori di picco
variazioni “continue” del livello di potenza richiesto dai carichi
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S3R vs MPPT
Come visto, i due sistemi di condizionamento sono molto diversi e la loro scelta
ha impatti sul dimensionamento del Solar Array e della batteria oltreché su
dimensioni, peso e costo della PCDU stessa.
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S3R vs MPPT
Condizioni di simulazione:
condizioni End Of Life (EOL)
stessa batteria
stesso valore della potenza massima del Solar Array
diversi valori per la VOC e la ISC del Solar Array
per l’efficienza di PCDU sono stati considerati i seguenti valori:
ηS3R = 99% ηMPPT(WC) = 92% ηMPPT(expected) = 96%
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S3R vs MPPT
Batteria
CPU
PCU
SA
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S3R vs MPPT
Risultato con ηMPPT = 92%
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S3R vs MPPT
Risultato con ηMPPT = 92%
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S3R vs MPPT
Risultato con ηMPPT = 92%
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S3R vs MPPT
Risultato con ηMPPT = 96%
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S3R vs MPPT
Risultato con ηMPPT = 96%
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S3R vs MPPT
Risultato con ηMPPT = 96%
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S3R vs MPPT
Dipendenza dei risultati dalla batteria scelta
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Protezioni
FUSE
Load
SADM
REGOLATORE
FUSE
Load
FUSE
Load
FUSE
SADM
Load
FUSE
REG.
Load
REG.
Load
FUSE
Per distribuzione dell’alimentazione si intende l’insieme delle
interconnessioni tra il punto di regolazione del main bus e i singoli
equipaggiamenti.
Per protezione della distribuzione si intende l’insieme di quei componenti o
circuiti (principalmente fusibili o limitatori di corrente) che isolano un
equipaggiamento guasto in corto circuito rispetto al punto di regolazione e
quindi permettono di alimentare correttamente il resto del satellite.
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Protezioni
La protezione, fusibile o LCL, può essere centralizzata o distribuita negli
equipaggiamenti; una protezione centralizzata è localizzata all’inizio della
diramazione della stella e garantisce da corti circuiti anche nel cablaggio di
distribuzione (evento comunque poco probabile e di cui non sono noti casi
in cui sia avvenuto in volo).
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Fusibili
La scelta del fusibile da utilizzare è data da:
corrente massima supportata dalla linea
tempo di intervento
tipologia del fusibile
F1
F1
RS
F2
ELECTRICAL SCHEMATIC
F3
Vantaggi:
facile progettazione
basso costo
grande heritage
F 2
POWER
LINE
FEATURES
FUSE
FEATURES
TYPE
MB-20F
MB-2F
MB-5F
CURRENT RATING STEADY
STATE ( A )
10
1
2.5
Fuse CURRENT RatingINP.(A )
7.5
2
5
RESISTANCE TOLERANCE (%)
± 10
± 10
± 10
NOMINAL
44
25
45
“1” FAIL
67
50
50
--------
--------
0.1 - 1% / 2W
DERATING
FACTOR % W.C.C.
SERIES RESISTANCE ( Ω )
Svantaggi:
Impossibilità di recuperare la linea dopo l’apertura
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Limitatori
La scelta del limitatore di corrente da utilizzare è data da:
corrente massima supportata dalla linea
tempo di intervento
tipo di carico da proteggere (essenziale o non essenziale)
LCL
FCL
Vantaggi:
permette il ripristino della linea
comandabile
Svantaggi:
complessità
costo
peso
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LCL
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FCL
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FCL
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