IFEC 2023: “Single-Phase Solid-State Transformer”
Ein Studententeam der TH-Köln nimmt zum elften Mal am Internationalen Studentenwettbewerb „International Future Energy Challenge“ teil um eine galvanische Trennung einer Netzversorgung zu realisieren, die mittels getakteter Netzteile und Hochfrequenztransformator deutlich leichter und kleiner und in der Folge materialsparender und kostengünstiger im Vergleich zu klassischen Transformatoren ist.
Messungen am Resonanzkreis
(Bild: W.Rolf, Teammitglied, TH Köln)
Der Grundgedanke bei der Entwicklung des einphasigen Solid-State-Transformators besteht darin, die 50-Hz-Eingangsspannung in eine sehr hochfrequente Spannung umzuwandeln, sodass wir den Transformator mit deutlich geringeren Abmessungen auslegen können. Die Topologie, die wir im Hinblick auf die obligatorischen Merkmale des Wettbewerbs in Betracht ziehen, besteht hauptsächlich aus 4 H-Brücken, die auf Transistoren basieren.
Auf einen Blick
| Kategorie | Beschreibung |
|---|---|
| Forschungsprojekt | 2023 IEEE International Future Energy Challenge: “Single-Phase Solid-State Transformer” |
| Leitung | Prof. Dr.-Ing. Christian Dick |
| Fakultät | Fakultät Informations- Medien und Elektrotechnik |
| Institut | Institut für Automatisierungstechnik |
| Beteiligte | Ahmed Zayene, Wilhelm Rolf, Kürsat Sanri |
| Fördermittelgeber | PSMA, IEEE PELS, IEEE IAS, IEEE PES, ZES Zimmer, Infineon, Frenetic sowie Unterstützung |
| Laufzeit | 01.07.2022-31.07.2023 |
| Website |
Schaltungstopologie
(Bild: K. Sanri, Teammitglied, TH Köln)
Die erste H-Brücke Q1...Q4 wird immer mit Netzfrequenz betrieben, so dass Udc1 die gleichgerichtete Netzspannung ist.
Es folgt ein resonanter Hochfrequenz-DCX-Wandler, bei dem die Eingangsspannung direkt proportional zur Ausgangsspannung ist. Somit sieht Udc2 ebenfalls wie die gleichgerichtete Netzspannung aus. Eine Entfaltungsbrücke bestehend aus Q13...Q14 ergibt am Ausgang die Wechselspannung Uout.
Hinsichtlich des Spannungsübertragungsverhältnisses wird ein spezielles Modulationsschema auf den DCX-Wandler angewandt, um die Ausgangsspannung von 230 V immer innerhalb der Toleranz zu gewährleisten. Das Modulationsschema zeichnet sich dadurch aus, dass gezielt zu einzelnen Schalthandlungen Freiläufe für ganze Resonanzhalbschwingungen eingestellt werden, wie für u1 im Bild oben ersichtlich ist.
Die Topologie ist vollständig bidirektional. So führt z.B. eine ohmsch-induktive Last auch zu einem nacheilenden Strom des Eingangsnetzes - genau wie bei klassischen Transformatoren.