Alçak yörünge uydularında elektrik güç sistemi için sıralı anahtarlamalı paralel regülatör tasarımı
Design of a sequential switching shunt regulator for electrical power system in low earth orbit satellites
Yazar: ESRA BAŞKAYA
Danışman: PROF. DR. BÜNYAMİN TAMYÜREK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bir uydu elektrik güç sisteminin ana barasının, gerilim tasarım kriterlerinde belirtilen standart gerilim seviyesini koruyarak çalışabilmesi için, baraya bağlanan bileşenlerin aynı gerilim seviyelerinde uyumlu bir şekilde çalışması beklenmektedir. Ancak uydu yaşam döngüsündeki olaylar (düşük/yüksek radyasyon, şarj/deşarj döngüleri, panel yaşlanması vb.) nedeniyle gerilim regülatörüne ihtiyaç duyulur. Bu gerilim regülatörü, bileşenler arasındaki güç akışını yönetir ve ana bara gerilimini kontrol eder. Bu regülasyon işlemi esas olarak bara geriliminin ölçümünden üretilen hata sinyaline göre şarj/deşarj veya akım şöntleme işlemlerinin koordine edilmesine dayanmaktadır. Akım şöntleme temel olarak güneş panellerinin ürettiği akım ile yükün ihtiyacı arasındaki fazla akımın toprağa şöntlenerek ortadan kaldırılması anlamına gelir. Uydu güneşe maruz kaldığında, özellikle güneş panelinin görev ömrünün başlangıcında, bir süre sonra güç sistemi yükün ihtiyacını karşılarken, akünün şarj kapasitesini aşar. Şönt modunda güneş paneli geriliminin sıfır olduğu durumda kısa devre akımı çekilir. Önerilen topolojinin bu modunda aküye, ana baraya veya toprağa güç iletilmez. Böylece güç güneş panelinde kalır, panelin sıcaklığı artar ve fazla güç uzaya salınır. Güneş paneli burada ısıl dağıtıcı olarak kullanılır. Bu tez çalışmasında alçak yörünge uydu elektrik güç sistemi için doğrudan enerji aktarım yöntemlerinden olan sıralı anahtarlamalı paralel regülatöre dayalı bir güneş paneli regülasyon sistemi tasarlanmış ve benzetim çalışmaları yapılmıştır. Bu kapsamda ilgili topolojiye ait alt bileşenler tanıtılmış ve gelişen panel teknolojileriyle birlikte gerekli hale gelen pasif akım sınırlama devresi tasarlanmıştır. Sistemde güneş panelinden kaynaklanan kaçak kapasitans etkisi bu akım sınırlama devresi ile bastırılmıştır. Uzay uygulamalarında hataları önlemek için az sayıda malzeme ile basit devreler yapmak avantajlı olduğundan S3R yöntemi kullanılmış, güvenilirliği arttırmak için çoğunluk oylama devresi kullanılmıştır. Benzetim çalışmaları sonuçlarına göre dinamik yük değişimlerinde dahi ana bara gerilim regülasyonunun korunduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
In order for the main bus of a satellite electrical power system to operate by maintaining the standard voltage level specified in the voltage design criteria, the components connected to the bus are expected to work harmoniously at the same voltage levels. However, a voltage regulator is needed due to events in the satellite life cycle (low/high radiation, charge/discharge cycles, panel aging, etc.). This voltage regulator manages the power flow between components and controls the main bus voltage. This regulation process is essentially based on coordinating the charge/discharge or current shunting processes according to an error signal generated from the measurement of the bus voltage. Current shunting basically means removing the excess current between the current produced by the solar panels and the load's needs by shunting it to the ground. When the satellite is exposed to the sun, after a while the power system meets the needs of the load, it also exceeds the charging capacity of the battery, especially at the beginning of the solar panel's duty life. In shunt mode, short circuit current is drawn when the solar panel voltage is zero. In this mode of the proposed topology, no power is delivered to the battery, main bus or ground. Hence, the power remains in the solar panel, the temperature of the panel increases and the excess power is released into space. The solar panel is used as a thermal distributor here. In this thesis study, a solar panel regulation system based on sequential switching shunt regulator, which is a direct energy transfer method, was designed for the low orbit satellite electrical power system and simulation studies were carried out. In this context, subcomponents for the relevant topology have been introduced and a passive current limiting circuit, which has become necessary due to developing panel technologies, has been designed. The parasitic capacitance effect caused by the solar panel in the system is suppressed by this current limiting circuit. Since it is advantageous to make simple circuits with a small number of materials to prevent errors in space applications, the S3R method was used and a majority voting circuit is used to increase reliability. According to the results of simulation studies, it has been observed that the main bus voltage regulation is maintained even during dynamic load changes.