Eletrônica de Potência, Controle e Sistemas de Energia para Aplicações Espaciais

A área de Eletrônica de Potência, Controle e Sistemas de Energia para Aplicações Espaciais na COESU concentra esforços no desenvolvimento de tecnologias críticas para o funcionamento de satélites e outros sistemas espaciais. O foco principal está no projeto, modelagem, simulação e controle de subsistemas elétricos de potência (EPS – Electrical Power Subsystem), que são responsáveis por gerar, armazenar, condicionar e distribuir a energia elétrica a bordo de plataformas espaciais. Além disso, a área abrange o desenvolvimento de fontes de alta tensão para propulsores de plasma pulsado (PPT), um componente essencial para a propulsão elétrica em pequenos satélites.

Principais Linhas de Pesquisa

As atividades de pesquisa e desenvolvimento nesta área estão organizadas em torno de eixos temáticos que abrangem desde a concepção de hardware até a implementação de estratégias de controle avançadas.

• Projeto e Modelagem de Conversores Estáticos: Desenvolvimento de conversores CC-CC (como buck, boost, buck-boost bidirecional e dual active bridge) e CC-CA para aplicações espaciais. Isso inclui a análise de topologias, a modelagem matemática de seu comportamento dinâmico (frequentemente utilizando modelos médios em espaço de estados) e a simulação computacional para validar o desempenho antes da implementação física.

Protótipo de conversores estáticos (conversor de alta tensão tipo flyback com controle digital) desenvolvido.

Gráficos de resultados de simulação, onde: vo é a tensão de saída para a carga, IQi são as corrente nos transistores de potência, Iin é a corrente na fonte de entrada, vtrafo_sec é a tensão no secundário do transformador.

• Controle Clássico, Robusto e Não-Linear: Investigação e aplicação de técnicas de controle para garantir a regulação precisa da tensão e corrente em conversores de potência. São estudados controladores PID, controle ótimo, controle robusto (como H-infinito) e estratégias não-lineares para assegurar a estabilidade e o desempenho do sistema mesmo na presença de incertezas paramétricas, distúrbios e atrasos.

• Otimização Aplicada a Sistemas de Controle: Utilização de meta-heurísticas, como Otimização por Enxame de Partículas (PSO), Algoritmos Genéticos e Grey Wolf Optimizer (GWO), para a sintonia automática de controladores. O objetivo é encontrar os melhores parâmetros de controle para otimizar o desempenho dos conversores, reduzindo o esforço de projeto e melhorando a eficiência.

• Sistemas de Energia para Pequenos Satélites: Aplicação dos conhecimentos de eletrônica de potência e controle no desenvolvimento de subsistemas de energia para nanossatélites e CubeSats. Isso inclui o estudo de balanço de potência, o projeto de carregadores de baterias com Maximum Power Point Tracking (MPPT) e a integração de painéis solares e sistemas de armazenamento de energia.

Diagrama de blocos de um Subsistema Elétrico de Potência (EPS) para um satélite ou CubeSat.

Foto do nanossatélite NanosatC-BR ou de seus subsistemas.

• Fontes de Alta Tensão para Propulsores de Plasma Pulsado (PPT): Projeto e desenvolvimento de fontes de alta tensão que alimentam os capacitores e eletrodos de propulsores de plasma pulsado. Esses propulsores utilizam descargas elétricas de alta energia para vaporizar, ionizar e acelerar um propelente sólido, gerando empuxo para o controle de órbita e atitude de pequenos satélites. A fonte de alta tensão é um componente crítico, responsável por carregar o banco de capacitores com a energia necessária para cada pulso, garantindo a eficiência e a repetibilidade do sistema propulsivo.

Esquema de um propulsor de plasma pulsado (PPT), destacando a fonte de alta tensão, o capacitor e os eletrodos.

Aplicações e Projetos

A pesquisa nesta área tem aplicação direta em programas estratégicos do INPE, como o Programa NanosatC-BR, que visa o desenvolvimento de CubeSats brasileiros para missões de clima espacial e sensoriamento remoto. As atividades incluem desde a concepção de arquiteturas de EPS para esses satélites até o desenvolvimento de protótipos de conversores e a implementação de leis de controle em hardware. No contexto de propulsão elétrica, destacam-se projetos como o desenvolvimento de um Propulsor de Plasma Pulsado (PPT) para a missão BiomaSat, onde a equipe do INPE trabalha no projeto preliminar do propulsor, incluindo a especificação da fonte de alta tensão, do capacitor e dos eletrodos.

Ensino e Formação de Recursos Humanos

A área também está diretamente ligada à formação de capital humano especializado. Como Professor Permanente do Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Espaciais (PGETE/INPE), o tecnologista Everson Mattos ministra disciplinas como "Modelagem e Controle de EPS", "Controle Robusto Aplicado a PCDU" e "Matemática I", contribuindo para a capacitação de mestres e doutores na área espacial. Além disso, a área atua na orientação de alunos de iniciação científica e pós-graduação em projetos que investigam desde filtros de Kalman para conversores até o projeto de controladores ótimos e robustos.

Infraestrutura e Colaborações

As atividades de pesquisa contam com infraestrutura laboratorial para ensaios e validação experimental de conversores e controladores. A área também mantém colaborações com grupos de pesquisa de excelência, como o Grupo de Eletrônica de Potência e Controle (GEPOC) da UFSM, e o Grupo de Pesquisa e Desenvolvimento em Materiais e Plasma (GPDMP), além de parcerias com outros grupos dentro do próprio INPE.

Links de Interesse

Currículo Lattes: http://lattes.cnpq.br/5932117211446307

Programa de Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Espaciais (PGETE/INPE): https://www.gov.br/inpe/pt-br/area-conhecimento/posgraduacao/ete

Programa NanosatC-BR: https://www.gov.br/inpe/pt-br/programas/nanosatc-br