Modelación, diseño e implementación de un generador de Marx de estado sólido para aplicaciones de campo eléctrico pulsado

Abstract

Los campos eléctricos pulsados han sido utilizados amplia y exitosamente en la industria alimentaria como método alternativo a la pasteurización de los alimentos, lo que ha hecho que su campo de aplicaciones se haya diversificado durante los últimos años. En efecto, el tratamiento de aguas residuales y aplicaciones relacionadas al digestor anaerobio, ha sido el foco de investigación durante la última década y se ha posicionado como una de las más importantes aplicaciones para esta tecnología. No obstante, el aumento de las aplicaciones de PEF (por su abreviación en inglés, “pulsed electric field”), ha sido causa de un gran desafío al momento de diseñar equipos capaces de ajustarse a los requerimientos exigidos por las distintas aplicaciones, ya que si bien existen equipos comerciales que pueden ser utilizados en aplicaciones PEF, su costo es bastante elevado. En el presente trabajo se presenta el estudio de los circuitos clásicos para la generación de impulsos, además de los circuitos multi-etapa (generadores de Marx), los cuales pueden cumplir los requerimientos de tensión y ancho de pulso necesarios para llevar a cabo un tratamiento efectivo por PEF y así potenciar su uso a nivel nacional y regional dando las bases del diseño de estos equipos. Luego de revisar las topologías circuitales capaces de generar pulsos de alta tensión para aplicaciones PEF, se selecciona la que mejor se adapta a las necesidades de la aplicación en términos de voltaje, corriente y escalabilidad, para posteriormente realizar la modelación matemática y poder anticipar su funcionamiento. Además se presenta la selección detallada y fundamentada de cada componente necesario para la implementación del prototipo, incluyendo la unidad de control y las consideraciones que se deben tener en cuenta al momento de escalar el sistema. Finalmente, se implementa un prototipo que consiste en un generador de Marx de estado sólido de 3 etapas en base a IGBT’s, para realizar pruebas circuitales y poder visualizar la amplificación del voltaje y su forma de onda, comparando los resultados obtenidos mediante simulación con los obtenidos mediante la experimentación. Los resultados son satisfactorios para un prototipo a escala, por cuanto hay una desviación no superior a 5[V] respecto de los valores esperados por simulación.