Des chercheurs de l'EPFL ont mis au point un transformateur moyenne fréquence compact et efficace. Leur appareil est prêt à améliorer la flexibilité et l'efficacité des réseaux intelligents et des réseaux de distribution d'énergie CC de demain. Un prototype réalisé par l'EPFL a été minutieusement testé et présenté dans plusieurs tutoriels conçus pour des experts du monde académique et industriel.

Depuis plus de 100 ans, les réseaux électriques du monde entier fonctionnent avec du courant alternatif (AC). Cependant, Le courant continu (DC) est maintenant de retour à la mode et, grâce aux progrès de l'électronique de puissance, devient déjà la nouvelle norme.

Aujourd'hui, la plupart de nos appareils tels que les ordinateurs, Les LED et les voitures électriques fonctionnent toutes au courant continu. Les batteries et les panneaux photovoltaïques produisent également du courant continu. Et tandis que le courant continu haute tension est une méthode efficace et éprouvée pour transporter l'énergie sur de grandes distances, l'interconnexion nécessite toujours des réseaux AC existants. Si nous voulons un jour réaliser des réseaux à courant continu qui peuvent faciliter le concept de réseau intelligent, de nouveaux progrès technologiques dans ce domaine sont encore nécessaires. Cette transition nécessitera de la flexibilité, dispositifs de conversion électronique de puissance efficaces et hautes performances – communément appelés transformateurs à semi-conducteurs (SST).

Les SST peuvent effectuer n'importe quelle conversion d'énergie électrique souhaitée (c'est-à-dire, AC-AC, AC DC, CC-CC, CC-CA), selon les besoins de l'application. De cette façon, ils sont similaires à un couteau suisse polyvalent.

C'est là qu'interviennent les chercheurs de l'EPFL du Laboratoire d'électronique de puissance (PEL) de l'École d'ingénieurs. Ils ont mis au point un moyen de concevoir et de produire de manière optimale des transformateurs moyenne fréquence (MFT), qui sont l'une des principales technologies habilitantes pour les SST.

Les chercheurs ont conçu, optimisé et construit un prototype MFT fonctionnel, évalué pour 100kW et exploité à 10kHz. Après des tests rigoureux, il sert de base aux tutos techniques, dont certaines ont déjà été confiées à divers spécialistes du monde académique et industriel.

Contrôlabilité des réseaux électriques

Une contrôlabilité totale peut être obtenue. "Nous pouvons être très flexibles et modifier rapidement le flux de puissance - et nous pouvons le faire très efficacement, " explique Marko Mogorovic, l'un des concepteurs de l'appareil. "Ce sera très important lorsqu'il s'agira d'intégrer la production d'énergie intermittente à partir de sources renouvelables dans les réseaux intelligents de demain."

Plus la fréquence est élevée, plus le MFT est petit

Un autre plus est la petite taille de l'appareil :« Dans un système AC, la fréquence à laquelle fonctionnent les transformateurs dépend de celle du réseau environnant. En Europe, cette fréquence est fixée à 50Hz, " explique Drazen Dujic, directeur de PEL. Comme la fréquence ne peut pas être modifiée, la miniaturisation est impossible.

"Dans un système à courant continu, cependant, les transformateurs fonctionnent au sein de convertisseurs à des fréquences très élevées pouvant atteindre plusieurs dizaines de kilohertz, grâce à l'électronique de puissance. Et plus la fréquence est élevée, plus l'appareil est compact, " dit Dujic.

La taille réduite de ces transformateurs sera particulièrement utile dans les systèmes de traction, en termes d'efficacité et d'intégration :« Une locomotive plus légère consommerait beaucoup moins d'énergie, " dit Mogorovic. Dans les systèmes de traction, le dispositif transformerait le courant alternatif des voies ferrées en courant continu pour la chaîne de traction/propulsion. Le réseau ferroviaire en Suisse fonctionne à 16,7 Hz, ce qui jusqu'à présent s'est traduit par des transformateurs assez volumineux à l'intérieur des locomotives.

À la fois, cependant, la miniaturisation représente un véritable défi pour les ingénieurs, qui doivent faire face à de nombreuses contraintes transversales, y compris thermique, problèmes diélectriques et magnétiques. Les chercheurs de l'EPFL ont développé un ensemble de modèles sophistiqués et très rapides pouvant générer rapidement plusieurs millions de designs. Il permet ensuite de sélectionner le meilleur design, en fonction des performances qu'ils souhaitent atteindre.

"Le fait que nous ayons fabriqué ce type de transformateur à l'intérieur d'un laboratoire est une étape majeure, compte tenu des problèmes de sécurité et de fonctionnement qui surviennent habituellement, " explique Dujic. " Nous avons réussi à le faire fonctionner parfaitement. C'est ce qui est important pour les experts dans ce domaine."

Une réunion de ces experts est déjà prévue. Le Centre européen d'électronique de puissance (ECPE) organisera un atelier intitulé "Nouvelles technologies pour les transformateurs à semi-conducteurs à moyenne fréquence" les 14 et 15 février 2019 à l'EPFL. L'atelier, qui sera présidée par Drazen Dujic (EPFL) et Johann Kolar (ETHZ), a attiré un nombre record de participants de l'industrie et du monde universitaire.