En ny, smart mellanspänningstransformator utvecklad vid ETH Zürich har banbrytande halvledarteknik, vilket gör den extremt kompakt och energieffektiv. Framtida tillämpningar sträcker sig från lokomotiv till snabbladdningsstationer för elfordon och från strömförsörjning till datacenter att använda i framtida elnät.

ETH Zürichs elektriska ingenjörer har utvecklat en smart elektronisk transformator som fungerar extremt effektivt för att omvandla mellanspänning till lågspänning. Smarta transformatorer av detta slag är också mycket mindre än vanliga transformatorer. Detta gör dem särskilt lämpliga för användning där utrymmet är begränsat eller vikten måste hållas till ett minimum, vilket är fallet till exempel i järnvägslok.

De flesta elnät för järnvägstillämpningar levererar växelström på mellanspänningsnivå. Loken trappar sedan ner spänningen till ett lägre värde. "Av tekniska skäl, ju lägre frekvensen på växelströmmen är, desto större transformator krävs för att sänka spänningen. Och vid 16,7 Hertz, frekvensen som används inom järnvägstransporter i Schweiz och flera andra europeiska länder är relativt låg, " förklarar Daniel Rothmund, en av de två doktoranderna i ETH Professor Johann Kolars grupp som byggde den nya transformatorn.

För att komma runt detta storleksproblem, smarta transformatorer har ett trick i rockärmen:Först, en front-end-omvandlare ökar kraftigt frekvensen av växelströmmen, vilket innebär att transformatorn i sig kan vara mycket mindre. Sedan producerar en efterföljande omvandlare växelström vid önskad frekvens.

Växlar vid extremt höga frekvenser

Rothmund och hans kollega Thomas Guillod fick utveckla många av komponenterna till sin transformator själva, eftersom det finns få komponenter tillgängliga från hyllan för mellanspänningen 10, 000 volt jobbar de med. Komponenter gjorda av kiselkarbid som möjliggör extremt snabb växling – prototyper tillverkade av ett amerikanskt företag – var särskilt viktiga. Genom att använda dessa, ETH doktorander kunde konvertera mellanspänning till en mycket hög frekvens på 75, 000 hertz; som ett resultat, transformatorsystemet de byggde är bara en tredjedel så stort som tidigare smarta transformatorer med liknande effekt. Och medan tidigare system uppnådde en energieffektivitet på cirka 96 procent, Rothmund och Guillod klarade 98 procent – ​​med andra ord, de kunde halvera energiförlusterna från 4 procent till bara 2 procent.

Deras forskningsarbete utfördes som en del av det schweiziska nationella forskningsprogrammet "Energy Turnaround" (NRP 70), som är inriktat på att forska om de teknologier som behövs för att implementera landets energistrategi 2050.

Likriktande växelström

Rälslok är bara en av många applikationer för dessa nya transformatorer. "Till skillnad från konventionella transformatorer, smarta transformatorer kan styras, " förklarar Rothmund. De kan användas i framtida elnät, känd som smarta nät, att aktivt hantera fördelningen av kraft och balansera ut fluktuationer i elproduktion och efterfrågan.

Det nya systemet kan inte bara ändra frekvensen på växelströmmen på nätet, men också att omvandla växelström (AC) till likström (DC). En applikation kan vara framtida storskaliga snabbladdningsstationer, som kan ladda flera elfordon samtidigt. Dessa laddningsplatser kan sedan anslutas direkt till det befintliga mellanspänningsnätet, med de effektiva kompakttransformatorerna som sedan trappar mellanspänningen ner till önskad spänning. "Batterier laddas med en jämförelsevis låg likspänning, Rothmund förklarar, tillägger:"Jämfört med den konventionella tekniken, smarta transformatorer har fördelen när det gäller att producera DC från ett mellanspänningsnät för växelström."

En annan klass av storskaliga konsumenter som kan dra nytta av denna utveckling är datacenter. Att förse dem med effektivare strömförsörjningssystem skulle minska inte bara deras elräkningar utan också mängden spillvärme som produceras, vilket minimerar energin som krävs för kylning.

Ironiskt, den nya tekniken kan mycket väl göra mer än att underlätta vändningen till en ny energiekonomi som är koldioxidfri och elektrifierad; det skulle också kunna göra det lättare att exploatera svåråtkomliga reserver av fossila bränslen. Olje- och gasindustrin arbetar för närvarande på sätt att komma åt havsbaserade fyndigheter som ligger i de djupa haven med hjälp av undervattensfabriker istället för borrplattformar. Dessa skulle ha pumpar, kompressorer och robotar placerade på havsbotten och drar elektricitet från en "navelsträng" som sträcker sig flera kilometer till land. Den nya tekniken innebär att kablarna kan bära DC, som kan överföras mer effektivt än AC över långa avstånd, medan en relativt liten omvandlare på havsbotten skulle kunna omvandla DC till den AC som maskinerna kräver.