Introducción de un novedoso convertidor de frecuencia que utiliza modos de vibraciones piezoeléctricas.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 11009 (2023) Citar este artículo

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La conversión de frecuencia es necesaria en muchos campos de la tecnología avanzada. Para la conversión de frecuencia se suelen utilizar “circuitos eléctricos” o “motores y generadores acoplados”. Este artículo presenta un nuevo convertidor de frecuencia piezoeléctrico (PFC), utilizando una idea similar a la de los transformadores piezoeléctricos (PT). PFC utiliza dos discos piezoeléctricos como elementos de entrada y salida que se juntan. Existe un electrodo común entre estos dos elementos y dos electrodos de entrada y salida en los otros lados. Cuando el disco de entrada se ve obligado a vibrar en el modo fuera del plano, el disco de salida vibra en su modo radial. Aplicando diferentes frecuencias de entrada, se pueden obtener diferentes frecuencias de salida. Sin embargo, las frecuencias de entrada y salida están limitadas a los modos radiales y fuera del plano del elemento piezoeléctrico. Por lo tanto, se debe utilizar el tamaño adecuado de discos piezoeléctricos para obtener la ganancia necesaria. La simulación y los experimentos muestran que el mecanismo funciona según lo previsto y sus resultados coinciden. Para el disco piezoeléctrico elegido, la ganancia más baja aumenta la frecuencia de 61,9 a 118 kHz, y la ganancia más alta aumenta la frecuencia de 3,7 a 51 kHz.

Los elementos piezoeléctricos se utilizan para fabricar transformadores de tensión (PT) desde hace algunas décadas. Los PT transmiten el voltaje mediante vibración mecánica y lo aumentan o disminuyen. Estos transformadores suelen constar de dos elementos piezoeléctricos como puertos de entrada y salida. El disco piezoeléctrico de entrada se excita a la frecuencia de resonancia y el voltaje de salida se obtiene del elemento de salida. La relación deseable entre los voltajes de entrada y salida se puede obtener con un diseño adecuado. Rosen introdujo el PT por primera vez en 19541. Después de eso, se realizaron muchas investigaciones sobre diferentes PT, incluida la geometría, el modelado y la mejora de la eficiencia.

Los PT se clasifican en tres tipos principales: Rosen, modo de vibración de espesor y modo de vibración radial. En el transformador tipo Rosen, la parte de entrada está en la dirección longitudinal y la salida está en la dirección del espesor, y este tipo de PT se usa generalmente como transformador elevador de voltaje2. Los PT con modo de vibración de espesor fueron desarrollados por NEC de Japón en la década de 1990. Los dispositivos de modo radial tienen forma de disco o anillo y funcionan a una frecuencia cercana a la resonancia radial. Se han propuesto varias disposiciones para el dispositivo de modo radial, de las cuales el transformador de modo radial es probablemente el más conocido3. Los transformadores de modo radial son adecuados para su uso en convertidores ascendentes y descendentes y se han utilizado en una amplia gama de aplicaciones, desde balastos de lámparas fluorescentes4 hasta fuentes de alimentación para portátiles5.

El factor de acoplamiento que más se corresponde con la vibración en modo radial es kp. Esto ayuda a los PT en modo radial a lograr una alta densidad de potencia. Los transformadores de modo radial se han ofrecido a niveles de potencia de más de 100 W y se espera que superen los 200 W a través de un mayor desarrollo6.

Los PT pueden funcionar en muchos modos de vibración posibles, cada uno con una frecuencia diferente. Sin embargo, cada topología de PT tiene un modo de vibración óptimo que permite una transferencia de energía óptima. El modo de vibración óptimo para un transformador piezoeléctrico suele ser el modo que tiene el mayor acoplamiento electromecánico y la menor pérdida7.

Entre las ventajas de los PT en comparación con los transformadores electromagnéticos se encuentran una mayor densidad de potencia, ausencia de ruido electromagnético, mayor eficiencia en modo resonante, simplicidad, tamaño pequeño, no inflamabilidad y un proceso de fabricación más simple. Dado que los PT operan a una frecuencia alta en su frecuencia de resonancia, los materiales piezoeléctricos deben tener un alto factor de calidad mecánica y una baja pérdida dieléctrica al mismo tiempo8.

En 1992, Osamu et al. introdujo un nuevo tipo de PT multicapa compuesto por PbTiO3. Su objetivo era utilizarlo para cambiar fuentes de alimentación. El modo de vibración fue a lo largo del espesor. El circuito electromecánico equivalente mostró una eficiencia superior al 90%. Hicieron el dispositivo y lo evaluaron experimentalmente. Los resultados mostraron bajas vibraciones espurias, así como buenas características de resonancia a una frecuencia de 2 MHz. Además, el PT produjo una densidad de potencia de 16 W/cm.s sin vibraciones espurias. Finalmente, crearon una fuente de alimentación conmutada de clase E de alta potencia utilizando este PT9.

Para solucionar el problema del amortiguamiento estructural en 2006, Guyomar et al. introdujo una innovadora técnica de procesamiento no lineal derivada de una técnica llamada 'amortiguación de interruptor sincronizado', para evitar la fuerte amortiguación de la onda mecánica del PT y mantener el nivel de potencia transmitida. Por tanto, la eficiencia y la potencia aumentan significativamente10.

En línea con esta cuestión, Hemsel et al. introdujo un nuevo diseño de un transformador unipolar en 2006 que utiliza el modo radial en entrada y salida para una potencia de 30 W con una eficiencia del 98% y un aumento de temperatura de 30 °C. Las características descritas por un circuito equivalente electromecánico. Utilizando esta investigación, se puede obtener un transformador de alta potencia adecuado para diversas aplicaciones, como fuentes de alimentación, adaptadores CA/CC, cargadores de baterías e iluminación de automóviles, conectando varias estructuras monopolares multicapa en paralelo11.

Para aumentar la eficiencia y un alto índice de conversión, Erhart llevó a cabo una investigación experimental en 2016 en el transformador de disco polar no homogéneo, donde los componentes de entrada y salida estaban respectivamente en las direcciones de espesor y radial. La relación de diámetro óptima se obtuvo experimentalmente igual a 0,4. Todos los transformadores de disco estudiados mostraron una relación de conversión muy alta (≈50) en condiciones sin carga y una alta eficiencia (≈90%) en carga óptima, lo que permite la producción de plasma en el electrodo de salida12.

Modit Khanna et al. en 2016 se utilizó una sección piezoeléctrica adicional (capa de control) colocada entre las capas primaria y secundaria existentes para tener una ganancia de voltaje específica. El dispositivo experimental inicial estaba hecho de discos de material piezoeléctrico duro y polarizados en la dirección del espesor. Utilizaron un condensador variable externo conectado al terminal de control y aumentaron efectivamente la capacitancia de reflexión y disminuyeron la frecuencia de resonancia del transformador piezoeléctrico sintonizable (TPT). Por lo tanto, al cambiar el valor efectivo del capacitor externo en el rango deseado, el voltaje de salida del TPT se puede ajustar bajo diferentes condiciones de carga13.

En 2020, Xiao et al. diseñó un PT reductor de tipo anillo basado en PZT8. Estos transformadores exhiben vibración radial pura. El desplazamiento eléctrico mínimo alrededor del espacio. Por lo tanto, los PT mostraron claramente un rendimiento óptimo en la frecuencia de resonancia. Los resultados de la simulación coincidieron con las mediciones experimentales, por lo tanto, el método de elementos finitos tiene un alto potencial en el diseño y análisis de PT14.

La revisión realizada por los autores muestra que todas las investigaciones se centran en la conversión de voltaje (PT), y no se han presentado informes sobre convertidores de frecuencia (PFC). Los autores se dieron cuenta de que también se pueden conseguir convertidores de frecuencia utilizando discos piezoeléctricos vibratorios en diferentes modos.

Para la conversión de frecuencia, es necesario investigar el comportamiento y los modos de vibración de los discos piezoeléctricos. Un modo es una característica de vibración inherente del elemento piezoeléctrico y cada modo tiene su propia frecuencia natural, relación de amortiguación y forma del modo. Numerosos informes experimentales muestran que existen varios modos de vibración en los discos piezoeléctricos. Los 5 tipos de modos de vibración identificados por Ikegami et al. mediante análisis de elementos finitos son los modos espesor tracción (TE), corte (T), borde (E), radial (R) y radial de alta frecuencia (A)15. Mindlin et al. han realizado grandes esfuerzos. desde la década de 1950 utilizar la teoría clásica de la elasticidad para analizar el comportamiento de vibración de discos con relaciones limitadas de diámetro a espesor (D/T)16,17. En 1992, Guo et al. investigó la dependencia geométrica de las características de vibración en relaciones D/T de 0,1 a 20 con un método de elementos finitos y análisis modal. Se encontró que las características de vibración de un disco piezoeléctrico cambian drásticamente con el cambio de D/T. En esta investigación se calculó la constante modal mediante la técnica de análisis modal para obtener la fuerza de cada resonancia. Los resultados mostraron que el modo de estiramiento de espesor, especialmente en discos con una relación D/T superior a 5, tiene una constante modal mucho mayor que otros modos, y numérica y experimentalmente, se demostró que el enfoque de constante modal es un enfoque adecuado y confiable. herramienta para evaluar el poder de un modo de estimulación18.

Heyliger y Ramírez en 2000 consideraron la vibración libre de discos piezoeléctricos circulares multicapa para calcular las frecuencias naturales. Introdujeron un modelo numérico que combinaba aproximaciones de elementos finitos unidimensionales en la dirección del espesor y funciones analíticas en el plano15. Huang y Ma en 2001 investigaron las características de vibración dentro y fuera del plano para placas piezocerámicas rectangulares con límites completamente libres y demostraron que los modos de vibración fuera del plano con bajas frecuencias de resonancia no pueden medirse mediante análisis de impedancia19.

En 2014, Huang et al. investigaron las características de vibración transversal y plana de un disco piezoeléctrico de dos capas para condiciones límite libres de tensión. En este estudio, observaron que las frecuencias de resonancia y la forma de los modos de disco piezoeléctrico en serie y paralelo muestran diferentes características dinámicas en resonancia20.

En esta investigación se introduce un convertidor que multiplica las frecuencias de entrada. El convertidor puede ser de un solo disco o de doble disco. En este artículo, se presenta el fenómeno de conversión de frecuencia y luego se investiga para diferentes tamaños de discos piezoeléctricos mediante el método de elementos finitos. Finalmente, la idea ha sido validada mediante un par de experimentos.

El convertidor de frecuencia introducido puede aumentar la frecuencia con un alto índice de conversión, una vida útil más larga, un tamaño más pequeño y un precio más bajo.

Se proponen dos configuraciones para el convertidor de frecuencia piezoeléctrico. Una de las configuraciones es un disco piezoeléctrico con dos electrodos de entrada y salida en un lado (preferiblemente concéntricos) y el electrodo común en el otro lado (Fig. 1a). En la segunda configuración (Fig. 1b), se consideran dos discos, como entrada y salida. Estos dos discos se presionan entre sí en estado deslizante, sin ningún material intermedio y el electrodo común está entre ellos. Si estos dos electrodos se pegan con pegamento, ya no se deslizarán y el dispositivo no funcionará.

Configuraciones del convertidor de frecuencia (a) un disco, (b) dos discos.

En esta investigación se probaron ambos arreglos. La disposición en la Fig. 1a funciona solo con voltajes altos y una relación de conversión limitada, lo que es difícil de controlar debido a la característica de fragilidad del elemento piezoeléctrico y la falta de precarga. Entonces, se eligió la disposición en la Fig. 1b.

En el tipo serie, las polarizaciones de ambos discos piezoeléctricos son opuestas (Fig. 2a), y en el modo paralelo, son idénticas (Fig. 2b). En esta investigación, se considera el tipo serie, en comparación con el tipo paralelo, su amplitud de vibración fuera del plano es mayor para el mismo voltaje. Los discos piezoeléctricos utilizados en esta investigación, son dos PZT4 y sus propiedades se enumeran en la Tabla 1.

Disposiciones de dos discos piezoeléctricos uno encima del otro (a) en serie, (b) en paralelo.

Los discos inferior y superior se consideran los puertos de entrada y salida respectivamente. En los experimentos se colocan dos discos piezoeléctricos de forma concéntrica y se les coloca un peso para proporcionar la fuerza necesaria entre ellos. Se espera que al estimular el disco piezoeléctrico de entrada en cada "frecuencia de modo fuera del plano" de ambos discos piezoeléctricos, el disco piezoeléctrico de salida vibre en modo radial. Este fenómeno fue observado y probado en experimentos.

La frecuencia de entrada es igual a la frecuencia de resonancia en el “modo fuera del plano” de un disco -cada uno de los discos- y la frecuencia de salida es igual a la frecuencia del “modo radial” del disco piezoeléctrico de salida. La apariencia del PFC es similar a la de un transformador convencional (PT), pero puede aumentar la frecuencia. Las dimensiones de los discos piezoeléctricos utilizados en la simulación y el experimento se muestran en la Tabla 2.

La simulación modal del disco piezoeléctrico se realizó mediante COMSOL 6.0 para obtener la frecuencia de los modos fuera del plano de ambos elementos y el modo radial del elemento de salida. Los resultados de la simulación para modos radiales y fuera del plano se dan en las Tablas 3 y 4. En la Tabla 3, el índice de modo se refiere al número de nodos diagonales (n) y nodos circulares (m). El índice de moda con n nodos diagonales y m nodos circulares se muestra como (n, m).

En COMSOL, se calculó la traslación del factor de partición de modo a lo largo del eje z para los modos fuera del plano de los tres discos piezoeléctricos, y el valor absoluto de los resultados se proporciona en la Tabla 5.

La Figura 3 muestra el esquema de los componentes de un sistema convertidor de frecuencia piezoeléctrico.

Procedimiento de prueba.

Los discos piezoeléctricos están colocados concéntricamente unos sobre otros y comprimidos entre sí mediante un peso de 700 g. Para garantizar la aplicación de una fuerza uniforme y perpendicular a los nodos se utiliza una bala. La fuerza debe ser suficiente para garantizar un contacto total y una transferencia adecuada de vibraciones sin ruido. Además, el sobrepeso reduce la amplitud de la vibración y, en la práctica, convierte el dispositivo en una sola unidad, lo que no es adecuado.

La Figura 4 muestra el esquema despiezado de la configuración de prueba. El diámetro interior de la cámara debe ser lo suficientemente grande como para permitir que los discos piezoeléctricos vibren radialmente y al mismo tiempo mantenerlos concéntricos. Se considera que la diferencia entre diámetros es de 0,25 mm. Al colocar un anillo alrededor de discos piezoeléctricos más pequeños, se pueden colocar de forma concéntrica. Los discos piezoeléctricos están conectados en serie. Se colocaron electrodos hechos de finas láminas de cobre en las partes inferior, media y superior de los discos piezoeléctricos. La frecuencia deseada es generada por un generador de funciones y luego se aplica la amplificación al puerto de entrada.

Esquema despiezado de la configuración experimental.

La Figura 5 muestra la configuración experimental y el equipo relacionado.

Configuración experimental.

La Figura 6a muestra la estimulación del disco piezoeléctrico de entrada cerca de cada frecuencia de resonancia del modo fuera del plano. Primero ocurre la interferencia de las ondas de entrada y salida y, a medida que la frecuencia se acerca a la frecuencia de resonancia, la amplitud del modo radial (frecuencia de salida) aumenta (Fig. 6b). Finalmente, solo la frecuencia del modo radial permanece en la salida (Fig. 6c).

La frecuencia de salida para la frecuencia de entrada fuera del plano.

La Tabla 6 muestra las frecuencias de salida relacionadas con las frecuencias de excitación de entrada fuera del plano. En los primeros tres casos se emparejan discos similares y en el cuarto caso se emparejan discos de diferentes diámetros. La Figura 7 muestra los resultados de la prueba para la frecuencia de entrada de 52,6 kHz y la frecuencia de salida de 207 kHz.

Frecuencia de salida para un par de discos de 28 mm y frecuencia de entrada de 52,6 kHz.

Las frecuencias del modo radial de los discos piezoeléctricos se miden con el analizador de impedancia y los resultados se muestran en la Tabla 7.

La Figura 8 muestra los resultados de la simulación y la prueba para la frecuencia de entrada y salida para un par de discos piezoeléctricos de 28 mm. La línea inferior muestra que las frecuencias de salida y entrada suelen ser las mismas. Por ejemplo, una frecuencia de entrada de 40 kHz da como resultado una frecuencia de salida de 40 kHz. Pero en los puntos donde se ve el pico, la frecuencia de salida muestra un aumento. Por ejemplo, una frecuencia de entrada de 8,4 kHz conduce a una frecuencia de salida de aproximadamente 90 kHz. En esta investigación, se utilizan estos picos.

Frecuencias de entrada y salida para el par de discos piezoeléctricos de 28 mm (kHz).

La Figura 9 muestra el gráfico de la relación entre la frecuencia de salida y la de entrada en términos de frecuencia de entrada para un par de discos piezoeléctricos de 28 mm. En esta figura, las primeras 4 frecuencias de entrada excitan el primer modo radial, por lo que la ganancia de frecuencia continúa disminuyendo. Pero en el quinto modo, la relación de frecuencia aumenta a medida que la salida excita el segundo modo radial.

Diagrama de ganancia para un par de discos piezoeléctricos de 28 mm.

El mecanismo de conversión de la frecuencia de entrada en frecuencia de salida se puede considerar de la siguiente manera. La excitación del disco piezoeléctrico en el modo fuera del plano debido a la mayor amplitud de vibración en la dirección z provoca un impacto en el disco piezoeléctrico de salida y excita todos sus modos naturales. Como resultado, además de la vibración forzada (frecuencia de entrada), también se produce vibración libre en el disco piezoeléctrico de salida y se observan modos naturales radiales, que tienen una amplitud mayor que la vibración forzada en el modo fuera del plano. la salida, y se produce un aumento en la frecuencia en los modos fuera del plano. En esta investigación, utilizamos el modo radial con una amplitud mayor como salida, mientras que el siguiente modo radial se puede convertir a salida con un filtro y obtener un factor de conversión más alto. La FFT del fenómeno de aumento de frecuencia en el modo fuera del plano se muestra en la Fig. 10a. La excitación del disco piezoeléctrico de entrada cerca del modo fuera del plano excita todos los modos naturales, y también el modo radial, cuyo modo radial tiene una amplitud mayor que otros modos (Fig. 10b). Al aumentar la frecuencia de excitación al modo fuera del plano, la amplitud del modo radial aumenta y este modo se observa en la frecuencia de salida (Fig. 10c).

Resultados de la FFT.

Para comparar la energía transferida en la dirección z, los datos de la Tabla 5 se reorganizaron en orden descendente del factor de traducción z de participación del modo para prueba y simulación (Tabla 8). La reducción de los factores de participación modal lleva la salida a un modo radial más alto. En esta investigación, el modo radial que tiene la mayor amplitud se considera como salida.

La diferencia máxima y mínima entre la frecuencia de entrada del experimento y la simulación se calculó para un par de discos piezoeléctricos. La diferencia más alta para tres pruebas con un par de discos piezoeléctricos similares con diámetros de 20, 28 y 50 mm fue de 10,5, 9,9 y 2,9 por ciento y la diferencia más baja fue de 0,04, 0,7 y 0,09 respectivamente. Los pares de discos piezoeléctricos con diferentes diámetros de 20 y 28 tuvieron la diferencia más alta de 6,3 y la diferencia más baja de 0,3 por ciento. Por lo tanto, con el aumento de la relación D/T, aumenta la diferencia de frecuencia de entrada. La mayor diferencia entre la frecuencia de salida de la prueba y la simulación, en el primer modo radial, para pares de discos piezoeléctricos similares con diámetros de 20, 28 y 50 mm es 3,3, 10 y 11 por ciento respectivamente y la diferencia de frecuencia más baja es 2,4 , 2 y 0,9, respectivamente. Esta diferencia no necesariamente puede considerarse un "error", porque las características entre el disco piezoeléctrico en la prueba y la simulación pueden no ser las mismas.

En esta investigación se presenta un convertidor de frecuencia que utiliza dos discos piezoeléctricos, en el cual eligiendo los discos piezoeléctricos adecuados, es posible realizar un convertidor de frecuencia con la relación de conversión deseada. En esta investigación se ha investigado hasta el segundo modo radial, por lo que el ratio de conversión máximo accesible es 13,7. Para aumentar esta relación de frecuencia, se puede considerar como salida el siguiente modo radial. Puede ser necesario un filtro adecuado para captar la frecuencia deseada, entre las otras frecuencias de salida. Además, el rango de voltaje de excitación estaba entre 50 y 200 V, y el rango de voltaje de salida se obtuvo entre 0,4 y 4 V. Usando un amplificador, el rango de voltaje de salida se puede aumentar al nivel deseado. En este convertidor, el voltaje de excitación no afecta la frecuencia de salida y la frecuencia de salida es sólo una función del material, las dimensiones y el modo de vibración del disco piezoeléctrico.

En discos delgados, la frecuencia de excitación depende de la relación de aspecto (D/T), y con el aumento de esta relación, aumenta el número de modos fuera del plano. Por lo tanto, al elegir la relación D/T, se puede determinar la frecuencia de salida y la excitación deseada.

La Figura 11a muestra el resultado de la simulación de cambios en frecuencias fuera del plano en relación con D/T y la Figura 11b muestra la tendencia de las frecuencias radiales de un disco piezoeléctrico en relación con D/T en T = 2 usando el método de elementos finitos.

Relación de aspecto del efecto (D/t) en la frecuencia de resonancia fuera del plano (a) y radial (b).

Para convertir la frecuencia f1 a frecuencia f2, primero obtenemos (D/T)1 para el disco piezoeléctrico de entrada del diagrama de la Fig. 11a para f1 deseada. Luego, del diagrama de la Fig. 11b, obtenemos la relación (D/T)2 para la f2 deseada. Hay más de una opción para cada ratio, y podemos elegir la más adecuada entre ellas. En el primer caso, podemos suponer el mismo espesor para ambos discos y obtener sus diámetros a partir de la relación de aspecto. En el segundo caso podemos suponer diámetros similares y obtener los espesores de los discos.

En este artículo, se presenta un nuevo tipo de convertidor de frecuencia llamado convertidor de frecuencia piezoeléctrico (PFC). El transductor consta de dos discos piezoeléctricos que están comprimidos entre sí en una carcasa. La estimulación de entrada en cada uno de los modos fuera del plano de cada disco piezoeléctrico provoca la estimulación del modo radial del disco piezoeléctrico de salida. Se realiza un análisis modal para confirmar las frecuencias de resonancia y la forma del modo. Se hicieron algunas muestras de prueba y se probó el rendimiento del convertidor de frecuencia piezoeléctrico. Las frecuencias resonantes experimentales concuerdan bien con las frecuencias simuladas.

La relación de conversión depende de los modos fuera del plano tanto del disco piezoeléctrico como de los modos radiales del disco piezoeléctrico de salida. Estos modos se pueden seleccionar eligiendo el diámetro y el grosor de los discos piezoeléctricos, y el convertidor se puede fabricar con cualquier relación de conversión deseada. Por lo tanto, al cambiar la relación D/T, se pueden especificar la frecuencia de entrada y salida.

Con base en los resultados obtenidos, se puede concluir que el PFC tiene un alto potencial para ser utilizado en aplicaciones que requieren un aumento de frecuencia.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Ava Pirayande y Yousef Hojjat

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AP: Análisis formal, Investigación, Escritura-Revisión y Edición YH: Supervisión, Conceptualización, Escritura-Revisión y Edición.

Correspondencia con Yousef Hojjat.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Pirayande, A., Hojjat, Y. Introducción de un nuevo convertidor de frecuencia que utiliza modos de vibraciones piezoeléctricas. Representante científico 13, 11009 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38139-0

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Recibido: 06 de mayo de 2023

Aceptado: 04 de julio de 2023

Publicado: 07 de julio de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38139-0

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