Análisis, diseño y simulación de rectificador modular con PFC basado en transformador en conexión Scott-T para la alimentación de electrolizadores PEM de alta potencia.
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Date
2025
Authors
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Publisher
Universidad de Concepción
Abstract
En este trabajo de Memoria de Título se aborda el análisis, diseño y simulación de una topología de rectificación modular con corrección del factor de potencia, basada en transformadores en conexión Scott-T, destinada a la alimentación de electrolizadores de membrana de electrolito polimérico de alta potencia. La investigación se enmarca en el contexto de la producción de hidrógeno verde, donde la eficiencia energética y la calidad del suministro eléctrico resultan determinantes para el desempeño del proceso de electrólisis. Por esta razón, el trabajo integra una revisión teórica sobre la producción de hidrógeno y las tecnologías de electrólisis, junto con un estudio de topologías de rectificación aplicadas a electrolizadores.
Con base en estos antecedentes, se propone una configuración modular compuesta por transformadores de entrada en conexión Scott-T, puentes rectificadores y convertidores elevadores entrelazados. La topología es modelada en MATLAB/Simulink y analizada bajo distintos escenarios de operación: condiciones nominales, variación de carga, desbalance de fases y aumento en la inductancia de fuga de los transformadores. Esta evaluación permite determinar el comportamiento del sistema y su capacidad para mantener un desempeño estable frente a perturbaciones propias de un sistema eléctrico. Los resultados obtenidos muestran que el sistema mantiene un factor de potencia cercano a la unidad y una distorsión armónica total de corrientes de entrada inferior al 1% en todos los escenarios analizados, cumpliendo con los límites establecidos por la normativa vigente. Asimismo, la eficiencia de la topología se encuentra entre 86% y 89%, con un rizo de salida controlado y sin afectación significativa en la estabilidad del sistema. Estos valores permiten validar el diseño propuesto y su comportamiento frente a variaciones en las condiciones de operación.
En conjunto, la topología propuesta demuestra ser una solución técnicamente viable para la alimentación de electrolizadores de membrana de electrolito polimérico de alta potencia, cumpliendo con los principales estándares de calidad de energía y alineándose con los requerimientos de los sistemas destinados a la producción de hidrógeno verde.
This thesis addresses the analysis, design, and simulation of a modular rectification topology with power factor correction, based on Scott-T connected transformers, intended for powering high-power polymer electrolyte membrane electrolyzers. The research is framed within the context of green hydrogen production, where energy efficiency and power quality are crucial for the performance of the electrolysis process. For this reason, the work integrates a theoretical review of hydrogen production and electrolysis technologies, along with a study of rectification topologies applied to electrolyzers. Based on this background, a modular configuration is proposed, composed of Scott-T connected input transformers, rectifier bridges, and interconnected step-up converters. The topology is modeled in MATLAB/Simulink and analyzed under different operating scenarios: nominal conditions, load variation, phase imbalance, and increased transformer leakage inductance. This evaluation allows us to determine the behavior of the system and its ability to maintain stable performance in the face of disturbances inherent to an electrical system. The results obtained show that the system maintains a power factor close to unity and a total harmonic distortion of input currents of less than 1% in all analyzed scenarios, complying with the limits established by current regulations. Furthermore, the topology's efficiency is between 86% and 89%, with controlled output ripple and no significant impact on system stability. These values validate the proposed design and its performance under varying operating conditions. Overall, the proposed topology proves to be a technically viable solution for powering high-power polymer electrolyte membrane electrolyzers, meeting the main power quality standards and aligning with the requirements of systems designed for green hydrogen production.
This thesis addresses the analysis, design, and simulation of a modular rectification topology with power factor correction, based on Scott-T connected transformers, intended for powering high-power polymer electrolyte membrane electrolyzers. The research is framed within the context of green hydrogen production, where energy efficiency and power quality are crucial for the performance of the electrolysis process. For this reason, the work integrates a theoretical review of hydrogen production and electrolysis technologies, along with a study of rectification topologies applied to electrolyzers. Based on this background, a modular configuration is proposed, composed of Scott-T connected input transformers, rectifier bridges, and interconnected step-up converters. The topology is modeled in MATLAB/Simulink and analyzed under different operating scenarios: nominal conditions, load variation, phase imbalance, and increased transformer leakage inductance. This evaluation allows us to determine the behavior of the system and its ability to maintain stable performance in the face of disturbances inherent to an electrical system. The results obtained show that the system maintains a power factor close to unity and a total harmonic distortion of input currents of less than 1% in all analyzed scenarios, complying with the limits established by current regulations. Furthermore, the topology's efficiency is between 86% and 89%, with controlled output ripple and no significant impact on system stability. These values validate the proposed design and its performance under varying operating conditions. Overall, the proposed topology proves to be a technically viable solution for powering high-power polymer electrolyte membrane electrolyzers, meeting the main power quality standards and aligning with the requirements of systems designed for green hydrogen production.
Description
Tesis presentada para optar al título de Ingeniero/a Civil Eléctrico.
Keywords
Diseño, Transformadores eléctricos, Electrolitos