¿La impedancia de la fuente del convertidor CC-CA representa siempre pérdidas?

Question

Se trata de una cuestión teórica fundamental sobre la potencia y el rendimiento de una fuente de tensión alterna con una impedancia de salida muy baja, por ejemplo, un convertidor CC-CA; un convertidor de puente H o un amplificador de clase E.

Mi pregunta es:

¿La impedancia de la fuente del convertidor CC-CA representa siempre pérdidas?

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Para profundizar en la cuestión,

Supongamos que el convertidor es una fuente sinusoidal pura con una impedancia de fuente de Rs sigue. Entiendo que la impedancia de la fuente puede ser una cantidad que varía en el tiempo, pero por el momento, vamos a suponer que una impedancia de fuente equivalente es Rs para una condición de funcionamiento determinada.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Con esta representación, sabemos que cuando Rs=RL, la potencia máxima se entrega a la carga, y el rendimiento pasa a ser del 50%.

Mi pregunta es que en las implementaciones reales de dicho convertidor electrónico de potencia, cuando la carga está optimizada para entregar la máxima potencia, ¿la eficiencia está siempre limitada al 50%? Si no es así, ¿cómo se puede explicar? O, en otras palabras, ¿la impedancia de la fuente del convertidor CC-CA siempre se corresponde con las pérdidas? Creo que me falta algo aquí.

Para profundizar en esto,

Si ahora consideramos, por ejemplo, un convertidor de clase E, sabemos que la eficiencia máxima teórica es del 100%, en las implementaciones prácticas, puede ser fácilmente superior al 90%. Sin embargo, la mayor eficiencia no se logra en condiciones de impedancia ajustada y entiendo que no es una práctica habitual operar en condiciones ajustadas para tal escenario, sin embargo, esto es para la comprensión teórica de tales condiciones de funcionamiento.

Por ejemplo, la siguiente figura es de este Documento del IEEE La eficiencia no parece ser inferior al 50% cuando se suministra la máxima potencia a la carga.

Explicación adicional:

Incluso si asumimos que la resistencia de la carga no es un valor fijo (puede ser una variable en función de la carga, y también, puede ser una cantidad que varía en el tiempo dependiendo de los transitorios de conmutación) podemos considerar una impedancia de fuente equivalente cuando la potencia de salida es máxima. Por ejemplo, en el documento anterior, deja que la potencia aproximada se maximice a 4,5ohm (digamos que la potencia se maximiza cuando la resistencia normalizada está alrededor de 0,5 en el gráfico anterior), entonces podemos deducir que la impedancia de la fuente vista por la carga está cerca de 4,5ohm. Si consideramos sólo este punto de funcionamiento en particular, ¿qué representa esta impedancia de fuente (subrayo, puede ser una equivalente, o, incluso puede ser un promedio de tiempo)?

En adición, si estamos de acuerdo en que la impedancia de la fuente es cercana a los 4,5 ohmios, ¿la fuente incurre en las pérdidas correspondientes a los 4,5 ohmios? Entonces, como sugiere la respuesta de @Neil_UK, ¿la eficiencia debería ser siempre inferior al 50% en condiciones de máxima potencia?

Utilicé esta referencia particular y los números para aclarar la pregunta. Mi pregunta no se limita necesariamente a este convertidor en particular o a la topología de clase E. Es una pregunta general sobre los convertidores CC-CA. No he podido encontrar ninguna buena referencia que trate este tema.

O, de otro modo, ¿es completamente incorrecto intentar modelar un convertidor CC/CA de baja impedancia (suponiendo un Q alto, y que la corriente de carga sea bastante sinusoidal) con este modelo?

Answer 1

Depende de la potencia que elijas entregar de tu fuente.

Si eliges entregar el máximo posible variando la impedancia de carga para que sea igual a la impedancia de salida de la fuente, entonces sí, tu eficiencia está limitada al 50%.

Si, por el contrario, se opta por suministrar mucho menos que esta potencia máxima, su eficiencia puede acercarse al 100%.

Considere una fuente de 200v, con una impedancia de salida de 0,1ohm. Este podría ser un modelo razonable de un convertidor DC-AC de tamaño medio.

Si eliges intentar extraer la máxima potencia posible conectándolo a una carga de 0,1ohmios, entonces 200v a 0,2ohmios te da una corriente de carga de 1000A, con 100v en la carga, entregando 100kW con una eficiencia del 50%.

Sin embargo, dije que se trataba de un convertidor de tamaño medio, quizás de 2kW de potencia nominal, no va a manejar una corriente de salida de 1000A, aunque tenga una baja impedancia de salida. A 2kW, 200v, estaríamos corriendo 10A de corriente de carga. 10A en la impedancia de salida de 0,1 ohmios dejaría caer 1v, por lo que la eficiencia debida sólo a la impedancia de salida es de alrededor del 99,5%.

El hecho de que un convertidor tenga una baja impedancia de salida no significa que sea capaz de suministrar la potencia máxima de la carga adaptada.

Answer 2

La máxima transferencia de potencia se produce cuando Zs = Zl*, pero ese no es, en general, el punto de máxima eficiencia, y puede no ser un punto de funcionamiento que el suministro sea capaz de alcanzar. También existe la suposición implícita de que la fuente de alimentación parece una impedancia pura, pero rara vez lo es.

Normalmente se diseñan las fuentes para que tengan una impedancia de salida muy baja (fuente de tensión) o muy alta (fuente de corriente) aunque se dirijan a, por ejemplo, una carga de 50 ohmios; las restricciones en el valor de la carga tienen más que ver con mantener el amplificador dentro de su zona de funcionamiento seguro y de la región lineal (si procede).

Lo de la impedancia adaptada tiene sentido cuando tienes una fuente que implícitamente tiene una impedancia que no es ni cercana a cero ni muy alta, digamos si estuvieras usando una antena que está transformando los 377 ohmios del espacio libre a algo más bajo, o algo con una línea de transmisión no despreciable donde la impedancia que mira a la línea importa.