En transformer til at drive overgangen fra AC til DC

EPFL-forskere har udviklet en kompakt og effektiv mellemfrekvent transformer. Deres enhed er klar til at øge fleksibiliteten og effektiviteten i morgendagens smarte net og jævnstrømsdistributionsnet. En EPFL-fremstillet prototype er blevet grundigt testet og præsenteret i adskillige tutorials designet til eksperter fra den akademiske og industrielle verden.

I mere end 100 år, elnet rundt om i verden har arbejdet med vekselstrøm (AC). Imidlertid, jævnstrøm (DC) er nu tilbage på mode, og - takket være fremskridt inden for effektelektronik - er allerede ved at blive den nye norm.

I dag, de fleste af vores apparater såsom computere, LED'er og elbiler kører alle på DC. Batterier og solcellepaneler producerer også jævnstrøm. Og mens højspændings-DC er en effektiv og gennemprøvet metode til at transportere strøm over store afstande, sammenkoblingen kræver stadig ældre AC-net. Hvis vi en dag skal opnå DC-net, der kan lette konceptet med smart grid, yderligere teknologiske fremskridt på dette område er stadig nødvendig. Denne overgang vil kræve fleksibel, effektive og højtydende strømelektroniske konverteringsenheder - almindeligvis omtalt som solid-state transformere (SST'er).

SST'er kan udføre enhver ønsket elektrisk energikonvertering (dvs. AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC), afhængigt af applikationens behov. På denne måde ligner de en multifunktionel schweizisk hærkniv.

Det er her, EPFLs forskere fra Ingeniørskolens Power Electronics Laboratory(PEL) kommer ind i billedet. De har udviklet en måde at designe og producere mellemfrekvente transformere (MFT'er) optimalt på. som er en af ​​de vigtigste muliggørende teknologier for SST'er.

Forskerne har designet, optimeret og bygget en fungerende MFT-prototype, normeret til 100kW og drevet ved 10kHz. Efter strenge tests, det tjener som grundlag for tekniske tutorials, hvoraf nogle allerede er givet til forskellige specialister fra den akademiske og industrielle verden.

Styrbarhed af elnet

Fuld kontrollerbarhed kan opnås. "Vi kan være meget fleksible og hurtigt ændre strømstrømmen – og det kan vi gøre meget effektivt, " forklarer Marko Mogorovic, en af ​​enhedens designere. "Dette vil være meget vigtigt, når det kommer til at integrere den intermitterende energiproduktion fra vedvarende kilder i morgendagens smarte net."

Jo højere frekvens, jo mindre MFT

Et andet plus er den lille størrelse af enheden:"I et AC-system, frekvensen, som transformere arbejder med, afhænger af det omgivende nets frekvens. I Europa, denne frekvens er fastsat til 50 Hz, " forklarer Drazen Dujic, direktør for PEL. Da frekvensen ikke kan ændres, miniaturisering er umulig.

"I et DC-system, imidlertid, transformere fungerer i omformere ved meget høje frekvenser på op til flere titusvis af kilohertz, takket være kraftelektronik. Og jo højere frekvens, jo mere kompakt enheden er, " siger Dujic.

Den reducerede størrelse af disse transformere vil være særlig nyttig i traktionssystemer, med hensyn til både effektivitet og integration:"Et lettere lokomotiv ville forbruge meget mindre energi, " siger Mogorovic. I traktionssystemer, enheden ville transformere vekselstrømmen fra jernbanelinjerne til jævnstrøm til trækkraft/fremdriftskæden. Jernbanenettet i Schweiz kører ved 16,7 Hz, hvilket indtil nu har udmøntet sig i ret omfangsrige transformere inde i lokomotiverne.

På samme tid, imidlertid, miniaturisering repræsenterer en reel udfordring for ingeniører, som skal håndtere mange tværfaglige begrænsninger, herunder termisk, dielektriske og magnetiske problemer. EPFL -forskere udviklede et sæt sofistikerede og meget hurtige modeller, der hurtigt kan generere flere millioner designs. Det gør det muligt derefter at vælge det bedste design, afhængig af den præstation, de ønsker at opnå.

"Det faktum, at vi har lavet denne type transformer inde i et laboratorium, er et stort skridt, i betragtning af de sikkerheds- og funktionsrelaterede problemer, der normalt opstår, " forklarer Dujic. "Det lykkedes os at få det til at fungere perfekt. Det er det, der er vigtigt for eksperter på dette område."

En samling af sådanne eksperter er allerede planlagt. European Center for Power Electronics (ECPE) afholder en workshop kaldet "New Technologies for Medium Frequency Solid State Transformers" den 14.-15. februar 2019 på EPFL. Værkstedet, som vil blive ledet af Drazen Dujic (EPFL) og Johann Kolar (ETHZ), har tiltrukket rekordmange deltagere fra industri og akademi.