Hybridafbrydere kan gøre jævnstrøm praktisk i applikationer med høj effekt

Jævnstrøm (DC) driver lommelygter, smartphones og elbiler, men større strømbrugere afhænger af vekselstrøm (AC), som tænder og slukker 60 gange i sekundet. Blandt årsagerne:AC er let at slukke, når der er et problem - kendt som en fejl - såsom et træ, der falder på en elledning.

Men DC har iboende fordele i forhold til sin alternerende fætter, blandt dem højere effektivitet og evnen til at bære mere kraft over længere afstande. Det kan blive stadig vigtigere, da vindmølleparker i landdistrikterne producerer strøm, der er nødvendig i befolkningscentre. Og fremtidige elektriske fly og skibe vil sandsynligvis blive drevet af DC-systemer med høj effekttæthed.

Vekselstrøm kan lukkes ned, når effektniveauet rammer nul i løbet af en cyklus - nulgennemgangspunktet for en sinusbølge - hvilket er grundlaget for afbrydere, der beskytter moderne strømsystemer overalt fra transformerstationer til hjemmeinstallationer. Uden disse skiftende cyklusser, imidlertid, jævnstrøm har ingen passende tid til at slukke for strømmen.

Ny teknologi finansieret af en pris på $3,3 millioner fra ARPA-E's BREAKERS-program kan hjælpe med at løse dette problem ved hjælp af innovationer inden for kraftelektronik, piezoelektriske aktuatorer, og nye isoleringsmaterialer for at gøre højeffekt DC-afbrydere mulige. Forskere fra Georgia Institute of Technology og Florida State University (FSU) forventer at muliggøre switchhastigheder ti gange hurtigere end eksisterende udstyr og kommercialisere teknologien gennem et konsortium af branchepartnere.

"Overgangen fra AC til DC, hvilket allerede sker, vil åbne op for et nyt paradigme for effektiv og kontrollerbar styring af strøm i fremtidige elektriske systemer og militære platforme, " sagde Michael "Mischa" Steurer, et forskningsfakultetsmedlem ved Florida State University's Center for Advanced Power Systems. "Dette vil blive muliggjort af den fantastiske udvikling, der er sket i løbet af de sidste to årtier inden for kraftelektronik."

Hybridafbryderen, der er under udvikling af forskerholdet, vil bruge stakke af meget store transistorer til at slukke for DC'en, når det er nødvendigt. Halvledere er mindre effektive til at lede strøm end konventionelle mekaniske kontakter, så under almindelige forhold, strømmen vil løbe gennem mekaniske kontakter. Men når strømmen skal slukkes, Strømmen ledes kortvarigt gennem strømelektronikken, indtil de mekaniske afbrydere kan åbnes.

"Vi foreslår en hybrid DC-afbryder, hvor strømmen vil have to veje, " forklarede Lukas Graber, en assisterende professor ved School of Electrical and Computer Engineering ved Georgia Tech. "En vej vil være gennem halvlederne, som kan afbryde strømmen, når det er nødvendigt. Den anden vej vil være gennem mekaniske kontakter, som vil give en meget mindre resistiv vej, der vil være mere effektiv til normale operationer."

I almindelige forbrugerelektronikapplikationer, transistorer er for små til at se og håndtere kun få volt. Transistorerne, der vil blive brugt i DC-omskiftning, er meget større - en kvadratcentimeter - og dusinvis eller hundredvis af dem ville blive kombineret i seriel eller parallel for at give tilstrækkelig kapacitet til at skifte tusindvis af volt. Efter at strømmen er blevet flyttet til solid-state transistorvejen, piezoelektriske aktuatorer vil hurtigt adskille kontakterne i de mekaniske kontakter, før strømmen stiger for højt i transistorerne. Når de er adskilt, strømmen gennem transistorerne kan slås fra.

"Vi skal være ekstremt hurtige, " sagde Graber. "Vi er nødt til at adskille kontakterne inden for 250 mikrosekunder og fuldstændig bryde strømmen inden for 500 mikrosekunder - kun et halvt millisekund. Af den grund, vi kan ikke bruge fjederbelastede eller hydrauliske aktuatorer, der er fælles for vekselstrømsafbrydere. Enheder, der er afhængige af den piezoelektriske effekt, kan gøre det for os."

Georgia Tech og FSU-forskerne har udviklet intellektuel ejendomsret til komponenter i de foreslåede DC-afbrydere, og vil arbejde sammen om at kombinere teknologierne. Projektet er kendt som Efficient DC Interrupter with Surge Protection (EDISON).

"Vi vil kombinere styrkerne ved væsentligt forskellige teknologier - solid state og mekaniske - til et system, der fungerer bedre generelt end dets individuelle komponenter, " sagde Steurer. "Bykkerne i systemet skal arbejde sømløst sammen inden for et halvt millisekund for at nå vores mål."

Forskerne - inklusive lektor Maryam Saeedifard, VentureLab-rektor Jonathan Goldman, og postdoc-stipendiat Chanyeop Park ved Georgia Tech og professor Fang Peng, Forskningsfakultetet Karl Schoder, og adjunkt Yuan Li ved FSU - forventer at bygge en prototype, der vil blive testet på FSU's fem-megawatt testfacilitet inden for tre år. Udviklingen og afprøvningen sker i samarbejde med et team af industrielle partnere, der i sidste ende vil overføre DC -afbrydere til kommerciel brug.

Jævnstrøm kan være særlig nyttig, da mere vedvarende energi kommer online. Solcelleanlæg i vest kan stadig producere strøm, efter solen går ned i øst. Vindmøller kan producere strøm midt i landet, mens skyer dækker andre dele af landet. Overførsel af strøm fra et sted til et andet kan derfor blive vigtigere.

"Der er store afstande, der skal forbindes med vedvarende energikilder, " sagde Graber. "Når vi genovervejer, hvordan det næste gitter vil være, DC kan spille en større rolle."

For dem, der kender historien om elektrisk kraft, værket åbner et nyt kapitel i en historie, der går næsten halvandet århundrede tilbage til to af de mest berømte opfindere nogensinde.

De relative fordele ved DC versus AC udgjorde grundlaget for "Current War" mellem opfinderne Thomas Edison og Nickolas Tesla i 1880'erne. Edison, en fortaler for DC, tabte i sidste ende til Teslas AC. Men havde Edison været i stand til at bruge moderne kraftelektronik, historien kunne være blevet anderledes.

"Edison havde ret, men på det tidspunkt tog han fejl " sagde Graber. "DC kommer stærkt tilbage, og vi vil være med til at gøre det praktisk."