EPFL-onderzoekers hebben een compacte en efficiënte middenfrequentietransformator ontwikkeld. Hun apparaat is klaar om de flexibiliteit en efficiëntie van de slimme netten en gelijkstroomdistributienetwerken van morgen te verbeteren. Een door EPFL gemaakt prototype is grondig getest en gepresenteerd in verschillende tutorials die zijn ontworpen voor experts uit de academische en industriële wereld.

Al meer dan 100 jaar, elektriciteitsnetten over de hele wereld hebben met wisselstroom (AC) gewerkt. Echter, gelijkstroom (DC) is nu weer in de mode en wordt – dankzij de vooruitgang in vermogenselektronica – nu al de nieuwe norm.

Vandaag, de meeste van onze apparaten zoals computers, LED's en elektrische auto's rijden allemaal op gelijkstroom. Batterijen en fotovoltaïsche panelen produceren ook gelijkstroom. En hoewel hoogspannings-DC een efficiënte en beproefde methode is om stroom over grote afstanden te transporteren, de interconnectie vereist nog steeds legacy AC-netten. Als we ooit DC-netten willen realiseren die het smart grid-concept kunnen vergemakkelijken, verdere technologische vooruitgang op dit gebied is nog steeds nodig. Deze transitie vraagt ​​om flexibele, efficiënte en krachtige elektronische conversieapparaten voor vermogen - gewoonlijk solid-state transformatoren (SST's) genoemd.

SST's kunnen elke gewenste elektrische energieconversie uitvoeren (d.w.z. AC-AC, wisselstroom-gelijkstroom, gelijkstroom-gelijkstroom, gelijkstroom-wisselstroom), afhankelijk van de behoeften van de toepassing. Op deze manier zijn ze vergelijkbaar met een multifunctioneel Zwitsers zakmes.

Dit is waar EPFL-onderzoekers van het Power Electronics Laboratory (PEL) van de School of Engineering om de hoek komen kijken. Ze hebben een manier ontwikkeld om middenfrequente transformatoren (MFT's) optimaal te ontwerpen en te produceren, die een van de sleuteltechnologieën voor SST's zijn.

De onderzoekers hebben ontworpen, geoptimaliseerd en een werkend MFT-prototype gebouwd, geschikt voor 100 kW en werkt op 10 kHz. Na strenge testen, het dient als basis voor technische tutorials, waarvan sommige al aan verschillende specialisten uit de academische en industriële wereld zijn gegeven.

Beheersbaarheid van elektriciteitsnetten

Volledige beheersbaarheid kan worden bereikt. "We kunnen zeer flexibel zijn en de energiestroom snel veranderen - en dat kunnen we heel efficiënt doen, " legt Marko Mogorovic uit, een van de ontwerpers van het apparaat. "Dit zal erg belangrijk zijn als het gaat om de integratie van de intermitterende energieopwekking uit hernieuwbare bronnen in de slimme netten van morgen."

Hoe hoger de frequentie, hoe kleiner de MFT

Een ander pluspunt is het kleine formaat van het apparaat:"In een AC-systeem, de frequentie waarmee transformatoren werken is afhankelijk van die van het omringende net. In Europa, die frequentie is vastgesteld op 50 Hz, " legt Drazen Dujic uit, directeur van PEL. Aangezien de frequentie niet kan worden gewijzigd, miniaturisering is onmogelijk.

"In een gelijkstroomsysteem, echter, transformatoren werken binnen converters bij zeer hoge frequenties tot enkele tientallen kilohertz, dankzij vermogenselektronica. En hoe hoger de frequentie, hoe compacter het apparaat, ', zegt Dujic.

De kleinere afmetingen van deze transformatoren zullen vooral nuttig zijn in tractiesystemen, in termen van zowel efficiëntie als integratie:"Een lichtere locomotief zou veel minder energie verbruiken, " zegt Mogorovic. In tractiesystemen, het apparaat zou de wisselstroom van de spoorlijnen omzetten in gelijkstroom voor de tractie/voortstuwingsketen. Het spoorwegnet in Zwitserland werkt op 16,7 Hz, wat zich tot nu toe heeft vertaald in nogal omvangrijke transformatoren in de locomotieven.

Tegelijkertijd, echter, miniaturisatie vormt een echte uitdaging voor ingenieurs, die te maken hebben met veel interdisciplinaire beperkingen, inclusief thermische, diëlektrische en magnetische problemen. EPFL-onderzoekers ontwikkelden een reeks geavanceerde en zeer snelle modellen die snel enkele miljoenen ontwerpen kunnen genereren. Het maakt het mogelijk om vervolgens het beste ontwerp te selecteren, afhankelijk van de prestatie die ze willen bereiken.

"Het feit dat we dit type transformator in een laboratorium hebben gemaakt, is een grote stap, gezien de veiligheids- en functiegerelateerde problemen die zich gewoonlijk voordoen, " legt Dujic uit. "We zijn erin geslaagd om het perfect werkend te krijgen. Dat is belangrijk voor experts op dit gebied."

Een bijeenkomst van dergelijke deskundigen is al gepland. Het European Centre for Power Electronics (ECPE) houdt op 14-15 februari 2019 bij EPFL een workshop genaamd "New Technologies for Medium Frequency Solid State Transformers". De workshop, die zal worden voorgezeten door Drazen Dujic (EPFL) en Johann Kolar (ETHZ), heeft een recordaantal deelnemers uit de industrie en de academische wereld aangetrokken.