EPFL-forskare har utvecklat en kompakt och effektiv medelfrekvent transformator. Deras enhet är beredd att öka flexibiliteten och effektiviteten i morgondagens smarta nät och likströmsspridningsnät. En EPFL-tillverkad prototyp har testats noggrant och presenterats i flera självstudier avsedda för experter från den akademiska och industriella världen.

I mer än 100 år har elnät runt om i världen har arbetat med växelström (AC). Dock, likström (DC) är nu tillbaka på modet och - tack vare framsteg inom kraftelektronik - börjar redan bli den nya normen.

I dag, de flesta av våra apparater som datorer, Lysdioder och elbilar körs på likström. Batterier och fotovoltaiska paneler producerar också likström. Och medan högspännings DC är en effektiv och beprövad metod för att transportera kraft över stora avstånd, sammankopplingen kräver fortfarande gamla AC -nät. Om vi ​​en dag ska uppnå DC -nät som kan underlätta konceptet smart grid, ytterligare tekniska framsteg på detta område behövs fortfarande. Denna övergång kräver flexibel, effektiva och högpresterande kraftelektroniska konverteringsenheter-vanligen kallade solid-state-transformatorer (SST).

SST kan utföra vilken önskad elektrisk energiomvandling som helst (dvs. AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC), beroende på applikationens behov. På detta sätt liknar de en multifunktionell schweizisk armékniv.

Det är här EPFL:s forskare från School of Engineering Power Electronics Laboratory (PEL) kommer in. De har utvecklat ett sätt att optimalt designa och producera medelfrekventa transformatorer (MFT), som är en av de viktigaste möjliggörande teknikerna för SST.

Forskarna har utformat, optimerade och byggde en fungerande MFT -prototyp, märkt för 100kW och drivs vid 10kHz. Efter noggranna tester, det fungerar som grund för tekniska handledning, varav några har redan getts till olika specialister från den akademiska och industriella världen.

Kontrollerbarhet av elnät

Full kontrollerbarhet kan uppnås. "Vi kan vara mycket flexibla och snabbt ändra effektflödet - och vi kan göra det mycket effektivt, "förklarar Marko Mogorovic, en av enhetens designers. "Detta kommer att vara mycket viktigt när det gäller att integrera intermittent energiproduktion från förnybara källor i morgondagens smarta nät."

Ju högre frekvens, desto mindre MFT

Ett annat plus är enhetens lilla storlek:"I ett AC -system, frekvensen vid vilken transformatorer fungerar beror på frekvensen hos det omgivande nätet. I Europa, att frekvensen är fast vid 50Hz, "förklarar Drazen Dujic, direktör för PEL. Eftersom frekvensen inte kan ändras, miniatyrisering är omöjligt.

"I ett likströmssystem, dock, transformatorer fungerar inom omvandlare vid mycket höga frekvenser på upp till flera tiotals kilohertz, tack vare kraftelektronik. Och ju högre frekvens, ju mer kompakt enheten, säger Dujic.

Den minskade storleken på dessa transformatorer kommer att vara särskilt användbar i dragsystem, när det gäller både effektivitet och integration:"Ett lättare lok skulle förbruka mycket mindre energi, "säger Mogorovic. I dragsystem, enheten skulle omvandla AC från järnvägslinjerna till DC för drag-/framdrivningskedjan. Järnvägsnätet i Schweiz fungerar med 16,7 Hz, som hittills har översatts till ganska skrymmande transformatorer inne i loken.

På samma gång, dock, miniatyrisering utgör en verklig utmaning för ingenjörer, som måste hantera många tvärvetenskapliga begränsningar, inklusive termisk, dielektriska och magnetiska problem. EPFL -forskare utvecklade en uppsättning sofistikerade och mycket snabba modeller som snabbt kan generera flera miljoner mönster. Det gör det möjligt att sedan välja den bästa designen, beroende på prestanda de vill uppnå.

"Det faktum att vi har gjort den här typen av transformatorer i ett labb är ett stort steg, med tanke på de säkerhets- och funktionsrelaterade problemen som vanligtvis uppstår, "förklarar Dujic." Vi lyckades få det att fungera perfekt. Det är det som är viktigt för experter inom detta område. "

En samling av sådana experter är redan planerad. European Center for Power Electronics (ECPE) kommer att hålla en workshop som heter "New Technologies for Medium Frequency Solid State Transformers" den 14–15 februari 2019 på EPFL. Verkstaden, som kommer att ledas av Drazen Dujic (EPFL) och Johann Kolar (ETHZ), har lockat rekordmånga deltagare från industri och akademi.