I ricercatori dell'EPFL hanno sviluppato un trasformatore a media frequenza compatto ed efficiente. Il loro dispositivo è destinato a migliorare la flessibilità e l'efficienza delle reti intelligenti e delle reti di distribuzione dell'alimentazione CC di domani. Un prototipo realizzato dall'EPFL è stato accuratamente testato e presentato in diversi tutorial progettati per esperti del mondo accademico e industriale.

Da più di 100 anni, le reti elettriche di tutto il mondo hanno funzionato con corrente alternata (AC). Però, la corrente continua (DC) è tornata di moda e, grazie ai progressi dell'elettronica di potenza, sta già diventando la nuova norma.

Oggi, la maggior parte dei nostri elettrodomestici come computer, I LED e le auto elettriche funzionano tutte a corrente continua. Batterie e pannelli fotovoltaici producono anche corrente continua. E mentre l'alta tensione CC è un metodo efficiente e collaudato per trasportare energia su grandi distanze, l'interconnessione richiede ancora reti CA legacy. Se un giorno vogliamo realizzare reti DC che possano facilitare il concetto di smart grid, sono ancora necessari ulteriori progressi tecnologici in questo settore. Questa transizione richiederà flessibilità, dispositivi di conversione elettronica di potenza efficienti e ad alte prestazioni - comunemente indicati come trasformatori a stato solido (SST).

Gli SST possono eseguire qualsiasi conversione di energia elettrica desiderata (ad es. AC-AC, AC-DC, CC-CC, DC-AC), a seconda delle esigenze dell'applicazione. In questo modo sono simili a un coltellino svizzero multiuso.

È qui che entrano in gioco i ricercatori dell'EPFL del Power Electronics Laboratory (PEL) della School of Engineering. Hanno sviluppato un modo per progettare e produrre in modo ottimale trasformatori a media frequenza (MFT), che sono una delle principali tecnologie abilitanti per gli SST.

I ricercatori hanno progettato, ottimizzato e costruito un prototipo MFT funzionante, valutato per 100kW e operato a 10kHz. A seguito di rigorosi test, serve come base per tutorial tecnici, alcuni dei quali sono già stati affidati a vari specialisti del mondo accademico e industriale.

Controllabilità delle reti elettriche

È possibile ottenere la piena controllabilità. "Possiamo essere altamente flessibili e modificare rapidamente il flusso di energia, e possiamo farlo in modo molto efficiente, " spiega Marko Mogorovic, uno dei progettisti del dispositivo. "Questo sarà molto importante quando si tratta di integrare la generazione intermittente di energia da fonti rinnovabili nelle reti intelligenti di domani".

Maggiore è la frequenza, più piccolo è il MFT

Un altro vantaggio è la piccola dimensione del dispositivo:"In un sistema AC, la frequenza di funzionamento dei trasformatori dipende da quella della rete circostante. In Europa, quella frequenza è fissata a 50Hz, " spiega Drazen Dujic, direttore del PEL. Poiché la frequenza non può essere modificata, la miniaturizzazione è impossibile.

"In un sistema DC, però, i trasformatori funzionano all'interno di convertitori a frequenze molto elevate fino a diverse decine di kilohertz, grazie all'elettronica di potenza. E maggiore è la frequenza, più compatto è il dispositivo, "dice Dujic.

Le ridotte dimensioni di questi trasformatori saranno particolarmente utili nei sistemi di trazione, sia in termini di efficienza che di integrazione:"Una locomotiva più leggera consumerebbe molta meno energia, " dice Mogorovic. Nei sistemi di trazione, il dispositivo trasformerebbe la corrente alternata delle linee ferroviarie in corrente continua per la catena di trazione/propulsione. La rete ferroviaria in Svizzera funziona a 16,7 Hz, che fino ad ora si è tradotto in trasformatori piuttosto ingombranti all'interno delle locomotive.

Allo stesso tempo, però, la miniaturizzazione rappresenta una vera sfida per gli ingegneri, che devono fare i conti con molti vincoli interdisciplinari, compreso termico, problemi dielettrici e magnetici. I ricercatori dell'EPFL hanno sviluppato una serie di modelli sofisticati e molto veloci in grado di generare rapidamente diversi milioni di progetti. Permette poi di selezionare il miglior design, a seconda delle prestazioni che vogliono ottenere.

"Il fatto che abbiamo realizzato questo tipo di trasformatore all'interno di un laboratorio è un passo importante, dati i problemi di sicurezza e funzionali che di solito si presentano, " spiega Dujic. "Siamo riusciti a farlo funzionare perfettamente. Questo è ciò che è importante per gli esperti in questo campo".

È già prevista una riunione di tali esperti. Il Centro europeo per l'elettronica di potenza (ECPE) terrà un seminario intitolato "Nuove tecnologie per trasformatori a stato solido a media frequenza" dal 14 al 15 febbraio 2019 presso l'EPFL. L'officina, che sarà presieduto da Drazen Dujic (EPFL) e Johann Kolar (ETHZ), ha attirato un numero record di partecipanti provenienti dall'industria e dal mondo accademico.