¿La impedancia de fuente del convertidor DC-AC siempre representa pérdidas?

Esta es una cuestión teórica fundamental sobre la potencia y la eficiencia de una fuente de tensión CA con una impedancia de salida muy baja, por ejemplo, un convertidor CC-CA; Convertidor de puente H o amplificador de clase E.

Mi pregunta es:

¿La impedancia de fuente del convertidor DC-AC siempre representa pérdidas?

Para profundizar más en la pregunta,

Supongamos que el convertidor es una fuente sinusoidal pura con una impedancia de fuente de Rs . Entiendo que la impedancia de la fuente puede ser una cantidad variable en el tiempo, pero por el momento, supongamos que una impedancia de fuente equivalente sea Rs para una condición de operación dada.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Con esta representación, sabemos que cuando Rs=RL, la potencia máxima se entrega a la carga y la eficiencia llega al 50%.

Mi pregunta aquí es que en las implementaciones reales de dicho convertidor electrónico de potencia, cuando la carga se optimiza para entregar la máxima potencia, ¿la eficiencia siempre se limita al 50%? Si no, ¿cómo se puede explicar? O en otras palabras, ¿la impedancia de fuente del convertidor DC-AC siempre corresponde a pérdidas? Siento que me falta algo aquí.

Para elaborar esto más,

Si ahora consideramos, por ejemplo, un convertidor de clase E, sabemos que la eficiencia máxima teórica es del 100%, en implementaciones prácticas, puede estar fácilmente por encima del 90%. Pero la mayor eficiencia no se logra en la condición de impedancia coincidente y entiendo que no es una práctica habitual operar en condiciones coincidentes para tal escenario, sin embargo, esto es para la comprensión teórica de dicha condición de operación.

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

ingrese la descripción de la imagen aquí ingrese la descripción de la imagen aquí

Explicación adicional:

Incluso si asumimos que la resistencia de la carga no es un valor fijo (puede ser un valor variable con la carga y también puede ser una cantidad variable 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 artículo anterior, permita que la potencia aproximada se maximice a 4,5 ohmios (digamos, la potencia se maximiza cuando la resistencia normalizada es de alrededor de 0,5 en el gráfico anterior), entonces podemos deducir que la impedancia de la fuente vista por la carga está cerca de 4,5 ohmios. Si consideramos solo este punto de operación en particular, ¿qué representa esta impedancia de fuente (recalco, puede ser una equivalente o incluso puede ser una promediada en el tiempo)?

Además, si podemos estar de acuerdo en que la impedancia de la fuente está cerca de los 4,5 ohmios, ¿la fuente incurre en pérdidas correspondientes a 4,5 ohmios? Entonces, como sugiere la respuesta de @Neil_UK, ¿debería la eficiencia ser siempre inferior al 50% en la condición de entrega de potencia máxima?

Usé esta referencia particular y números para aclarar la pregunta. Mi pregunta no se limita necesariamente a este convertidor particular o topología de clase E. Es un general para convertidores DC-AC. No pude encontrar ninguna buena referencia que discuta este tema.

O, de otra manera, ¿es completamente incorrecto tratar de modelar un convertidor de CC/CA de baja impedancia (suponiendo un alto Q y la corriente de carga es bastante sinusoidal) con este modelo?

No creo que su simplificación de elegir una impedancia de fuente fija y una impedancia de carga correspondiente sea válida para ningún sistema del mundo real. Dado que están regulados, intentan comportarse como sistemas de impedancia de fuente de 0Ω.
@PlasmaHH, gracias, estoy de acuerdo en que la impedancia de la fuente no es fija. Pero si solo consideramos la condición de entrega de potencia máxima, la impedancia de salida del convertidor coincide con la carga. Entonces, ¿qué representa esta impedancia de fuente? ¿No causa una pérdida de energía considerable (50% o cerca de eso)?
Este documento no habla de inversores de CC a CA, sino de amplificadores de RF (a menos que considere perversamente que un amplificador es una especie de convertidor de señal de CC a CA). La coincidencia de la impedancia de salida con la impedancia de la línea de transmisión es mucho más importante en las frecuencias de RF que en las que normalmente funcionan los inversores de potencia.
Me refiero a cualquier convertidor DC-AC en general, creo que el convertidor/amplificador Clase E a bajas frecuencias también puede estar dentro de esta categoría. Este circuito particular en el documento opera alrededor de 190kHz.
@PlasmaHH, traté de explicar mejor mi pregunta.

Respuestas (2)

Depende del poder que elija entregar desde su fuente.

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

Si, en cambio, elige entregar mucho menos que esta potencia máxima, su eficiencia puede acercarse al 100%.

Considere una fuente de 200v, con una impedancia de salida de 0,1 ohmios. Este podría ser un modelo razonable de un convertidor CC-CA de tamaño medio.

Si elige intentar extraer la máxima potencia posible con una carga de 0,1 ohmios, entonces 200v en 0,2 ohmios le da una corriente de carga de 1000A, con 100v en la carga, entregando 100kW al 50% de eficiencia.

Sin embargo, dije que este era un convertidor de tamaño medio, quizás con una potencia nominal de 2kW, no va a manejar una corriente de salida de 1000A, aunque tiene una baja impedancia de salida. A 2kW, 200v, estaríamos ejecutando una corriente de carga de 10A. 10A en la impedancia de salida de 0,1 ohmios caería 1v, por lo que la eficiencia debida a la impedancia de salida por sí sola es de alrededor del 99,5%.

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

Traté de explicar mejor la pregunta. En mi ejemplo, la potencia de salida se maximiza alrededor de 4,5 ohmios. Entonces, ¿es legítimo suponer que la impedancia de la fuente está cerca de los 4,5 ohmios en este caso?
Con respecto a su ejemplo, si asumimos que la resistencia de la fuente es constante a 0,1 ohmios, entonces la potencia debería aumentar al disminuir la resistencia de la carga. O, ¿aumentará la resistencia de la fuente equivalente con la disminución de la carga? De esta manera, generalmente, creo, la carga a la que se entrega la potencia máxima puede estar dentro de la potencia nominal máxima del convertidor. Mi pregunta era entender la analogía y la validez de este circuito equivalente. ¿Hay alguna buena referencia que discuta este enfoque?

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

Por lo general, uno diseña fuentes para que tengan una impedancia de salida muy baja (fuente de voltaje) o muy alta (fuente de corriente), incluso si conduce a, digamos, una carga de 50 ohmios, las restricciones en el valor de carga tienen más que ver con mantener el amplificador dentro de su funcionamiento seguro. área y región lineal (si corresponde).

Lo de la impedancia combinada tiene sentido cuando tienes una fuente que implícitamente tiene una impedancia que no está cerca de cero ni es muy alta, por ejemplo, si estuvieras usando una antena que está transformando los 377 ohmios de espacio libre en algo más bajo, o algo con una línea de transmisión no despreciable donde importa la impedancia que mira hacia la línea.

Gracias por su respuesta. Me hizo hacer mi pregunta más clara. En esta pregunta, estoy interesado en fuentes de voltaje con una impedancia de salida muy baja (pero distinta de cero). Acepto que no es una práctica habitual operar en condiciones coincidentes con tales fuentes. Pero, en teoría, si asumimos que operamos en condiciones coincidentes, ¿entonces la eficiencia debería ser inferior al 50 %? O dicho de otro modo, ¿esta impedancia de fuente siempre corresponde a pérdidas?
¿La impedancia de fuente del convertidor DC-AC siempre representa pérdidas?
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