Thesis:

Análisis, modelado y diseño de un generador de pulsos de alta tensión modular para tratamiento de aguas

El tratamiento de aguas mediante tecnologías electroquímicas ha surgido como una alternativa eficiente, a su vez menos contaminante ya que genera menos residuos a comparación de los métodos convencionales basados en productos químicos, permitiendo mejorar la calidad del agua mediante la aplicación de pulsos de alta tensión. Sin embargo, la generación de estos pulsos requiere convertidores capaces de operar con elevados niveles de voltaje, alto rendimiento y una estructura escalable. En esta tesis se presenta el análisis, modelado y diseño de un generador modular de pulsos de alta tensión orientado a aplicaciones de tratamiento de aguas. La topología propuesta está compuesta por submódulos conectados en cascada, los cuales almacenan energía en capacitores y la transfieren secuencialmente mediante una estrategia de control basada en tres estados de operación: estado activo, estado no activo par y estado no activo impar. Se desarrolla un modelo matemático que describe el proceso de carga del submódulo de entrada y la transferencia de energía entre submódulos consecutivos. A partir de dicho modelo se obtienen expresiones analíticas para la evolución de los voltajes de los capacitores, las corrientes máximas de transferencia y los tiempos característicos del sistema. Posteriormente, el modelo es validado mediante simulaciones, obteniéndose errores inferiores al 0,5% para los voltajes finales y menores al 0,03% para las corrientes máximas calculadas con respecto a los valores teóricos. Asimismo, se analiza la influencia de la inductancia de interconexión sobre la dinámica del convertidor, demostrando que el aumento de este parámetro reduce las corrientes máximas de transferencia, aunque incrementa los tiempos de carga dinámica del sistema. Los resultados también muestran que la respuesta en la salida permanece prácticamente inalterada para los distintos valores de inductancia analizados. Finalmente, se implementa un prototipo experimental que permite validar la estrategia de modulación y el comportamiento general del convertidor. Los resultados experimentales presentan una tendencia consistente con las simulaciones, confirmando la viabilidad de la topología propuesta para aplicaciones de generación de pulsos de alta tensión orientadas al tratamiento electroquímico de aguas.

Electrochemical water treatment technologies have emerged as an efficient alternative to conventional chemical-based methods, enabling water purification through the application of high-voltage pulses. However, the generation of such pulses requires power converters capable of operating at high voltage levels while maintaining efficiency, scalability, and reliability. This thesis presents the analysis, modeling, and design of a modular high-voltage pulse generator intended for water treatment applications. The proposed topology consists of cascaded submodules that store energy in capacitors and transfer it sequentially through a control strategy based on three operating states: active state, even inactive state, and odd inactive state. A mathematical model describing both the charging process of the input submodule and the energy transfer between consecutive submodules is developed. Based on this model, analytical expressions are derived for capacitor voltage evolution, peak transfer currents, and characteristic system times. The proposed model is validated through simulations, yielding errors below 0.5% for final capacitor voltages and below 0.03% for peak current predictions. The influence of the interconnection inductance on the converter dynamics is also investigated. Results demonstrate that increasing the inductance reduces the peak transfer currents at the expense of longer charging times. Furthermore, the load response remains practically unchanged for all analyzed inductance values. Finally, an experimental prototype is implemented to validate both the control strategy and the overall converter operation. Experimental results show a behavior consistent with simulation predictions, confirming the feasibility of the proposed topology for high-voltage pulse generation in electrochemical water treatment applications.