Smart transformer til energiomlægningen

En ny, smart mellemspændingstransformator udviklet på ETH Zürich har banebrydende halvlederteknologi, hvilket gør den ekstremt kompakt og energieffektiv. Fremtidige applikationer spænder fra lokomotiver til hurtigladestationer til elektriske køretøjer og fra strømforsyninger til datacentre til brug i fremtidige elnet.

ETH Zürichs elektriske ingeniører har udviklet en smart elektronisk transformer, der arbejder ekstremt effektivt til at omdanne mellemspænding til lavspænding. Smarte transformere af denne art er også meget mindre end standard transformere. Dette gør dem særligt velegnede til brug, hvor pladsen er begrænset eller vægten skal holdes på et minimum, som det er tilfældet for eksempel i jernbanelokomotiver.

De fleste elnet til jernbaneapplikationer leverer vekselstrøm på mellemspændingsniveau. Lokomotiverne trapper så spændingen ned til en lavere værdi. "Af tekniske årsager, jo lavere frekvensen af ​​vekselstrømmen er, jo større transformer kræves for at sænke spændingen. Og ved 16,7 Hertz, hyppigheden af ​​jernbanetransport i Schweiz og flere andre europæiske lande er relativt lav, " forklarer Daniel Rothmund, en af ​​de to ph.d.-studerende i ETH Professor Johann Kolars gruppe, der byggede den nye transformer.

For at komme uden om dette størrelsesproblem, smarte transformere har et trick i ærmet:Først, en front-end konverter øger frekvensen af ​​vekselstrømmen markant, hvilket betyder, at transformeren selv kan være meget mindre. Derefter producerer en efterfølgende konverter vekselstrøm ved den ønskede frekvens.

Skifter ved ekstremt høje frekvenser

Rothmund og hans kollega Thomas Guillod skulle selv udvikle mange af komponenterne til deres transformer, da der er få komponenter tilgængelige fra hylden til mellemspændingen på 10, 000 volt de arbejder med. Komponenter fremstillet af siliciumcarbid, der muliggør ekstremt hurtigt skift - prototyper fremstillet af et amerikansk firma - var særligt vigtige. Ved at bruge disse, ETH-ph.d.-studerende var i stand til at konvertere mellemspænding til en meget høj frekvens på 75, 000 hertz; som resultat, det transformersystem, de byggede, er kun en tredjedel af størrelsen af ​​tidligere smarte transformere med lignende effekt. Og mens tidligere systemer opnåede en energieffektivitet på omkring 96 procent, Rothmund og Guillod klarede 98 procent – ​​med andre ord, de var i stand til at halvere energitabet fra 4 procent til blot 2 procent.

Deres forskningsarbejde blev udført som en del af det schweiziske nationale forskningsprogram "Energy Turnaround" (NRP 70), som er fokuseret på at forske i de teknologier, der er nødvendige for at implementere landets energistrategi 2050.

Ensretter vekselstrøm

Skinnelokomotiver er blot en af ​​mange anvendelsesmuligheder for disse nye transformere. "I modsætning til konventionelle transformere, smarte transformere kan styres, " forklarer Rothmund. De kan bruges i fremtidige elnet, kendt som smart grids, aktivt at styre fordelingen af ​​strøm og udligne udsving i elproduktion og -efterspørgsel.

Det nye system er ikke kun i stand til at ændre frekvensen af ​​vekselstrømmen på nettet, men også at konvertere vekselstrøm (AC) til jævnstrøm (DC). En applikation kan være fremtidige storskala hurtigladestationer, som kan oplade flere elbiler samtidigt. Disse ladepladser kan derefter forbindes direkte til det eksisterende mellemspændingsnetværk, med de effektive kompakte transformere, der derefter trapper mellemspændingen ned til den ønskede spænding. "Batterier oplades ved hjælp af en forholdsvis lav jævnspænding, Rothmund forklarer, tilføjer:"Sammenlignet med den konventionelle teknologi, smarte transformere har fordelen, når det kommer til at producere jævnstrøm fra et mellemspændingsnetværk."

En anden klasse af storforbrugere, der kan drage fordel af denne udvikling, er datacentre. At give dem mere effektive strømforsyningssystemer ville reducere ikke kun deres elregninger, men også mængden af ​​produceret spildvarme, dermed minimere den energi, der kræves til afkøling.

Ironisk, den nye teknologi kan meget vel gøre mere end at lette vendingen til en ny energiøkonomi, der er dekarboniseret og elektrificeret; det kunne også gøre det lettere at udnytte svært tilgængelige reserver af fossile brændstoffer. Olie- og gasindustrien arbejder i øjeblikket på måder at få adgang til offshore-aflejringer placeret i de dybe oceaner ved hjælp af undersøiske fabrikker i stedet for boreplatforme. Disse vil have pumper, kompressorer og robotter placeret på havbunden og trækker strøm fra en "navlestreng", der strækker sig flere kilometer til land. Den nye teknologi betyder, at kablerne kan bære DC, som kan overføres mere effektivt end AC over lange afstande, mens en relativt lille konverter på havbunden kunne omdanne DC til den AC, som maskinerne kræver.