用於水下應用的可變速驅動器的製作方法

2023-08-22 18:55:11

專利名稱：用於水下應用的可變速驅動器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於水下(subsea)設施、水下容器或水下運載器的可變速 驅動器(VSD)。此外，本發明還涉及水下設施、水下容器和水下運載器。
背景技術：
就涉及到本發明的而言，水下設施、容器和運載器通常被用來在位 於海床的井口處勘探和開採氣田和油田。這裡，可變速驅動器用於需要 通過電動機進行平移或旋轉運動的應用中。
用於這樣的水下設施、容器和運載器的現有技術的可變速驅動器使 用了常見的基於絕緣柵雙極電晶體(IGBT)的電壓控制的交流/交流 (AC/AC)變換器，該變換器包括整流器、由電容器組緩衝的直流環節 (DC link )、以及逆變器。
不利的是，電容器對於環境壓力敏感。因此，現有技術的水下應用 必須採用等於大約1013 hPa ( 1 atm )的標準大氣壓的內部氣壓來提供壓 力補償。典型地，AC/AC變換器及其控制電子裝置被放置在專門的殼體 內，以保持壓力補償的體積小一些。只有該殼體內部必須保持在標準大 氣壓下。因為該殼體必須是抗壓的，以便抵抗水下環境或周圍的主容器 的過壓，所以會發生一些結構問題。安全地承受該壓力需要厚的壁(取 決於壓力和殼體的尺寸，該壁厚可達到100mm以上)和/或支撐杆，這 會佔用太多空間，並且會對該殼體的密封(特別是對進出該殼體的電連 接貫穿接頭)提出較高的先決條件。另外，變換器電路需要複雜的冷卻 系統，以將廢熱從其殼體內消散掉。

發明內容
本發明的一個目的是提出一種在一開始提到的那種類型的可變速 驅動器，其具有較低結構需求。本發明的另一個目的是提出一種相應的 水下設施、水下容器和水下運載器。通過包括權利要求1中所給出特徵的可變速驅動器、包括權利要求 10中所給出特徵的水下設施、包括權利要求11中所給出特徵的水下容
器、以及包括權利要求12或13中所給出特徵的水下運載器，該問題得 以解決。
本發明提出了 一種用於水下設施、水下容器或水下運載器的可變速 驅動器，包括AC/AC變換器，該AC/AC變換器具有電流控制的無電容 器的直流環節。這不僅減少了變換器中電子部件的數目，因而減小了失 效的可能性。而且，由於根據本發明沒有釆用對壓力敏感的電容器，所 以用於壓力補償的複雜措施可以被完全省略掉，或者至少僅被限制到變 換器的控制電子裝置。因此，變換器可以被暴露在過壓下，特別是水下 環境壓力下。該變換器可以被裝備有任何類型的功率開關，例如晶閘管、 金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)、以及絕緣柵雙極電晶體。
優選地，所述直流環節包括平滑電感。平滑電感典型地用於高功率、 電流控制的直流環節。該直流環節可包括其它的耐壓部件。
特別地，所述直流環節可僅僅包括所述電感。這樣，可變速驅動器 就具有簡單的設計和低的失效可能性，並且僅佔用很小的空間。
在優選的實施例中，至少所述變換器被布置在液密的殼體內。該殼 體優選地用液體填滿。因為液體是幾乎不能被壓縮的，所以該液體用來 在所有面上支撐該殼體以抵抗任意外部壓力。因此，該殼體自身即使是 在高外部壓力下(例如，在深海中)也幾乎是不可壓縮的，而且變換器 部件間接地暴露於外部壓力中。因為該原因，殼體的結構複雜性被大大 降低了。由於在殼體內側和外側之間的低壓差，密封件和裝配件(特別 是貫穿接頭的密封件和裝配件)可以更簡單，並且更加可靠。另外，該 液體可用作冷卻液，用以將來自變換器電路的廢熱消散到殼體的外側。
因此，冷卻系統的複雜性也被降低了。由於結構需求比現有技術要低， 所以通過該實施例，緊湊而重量輕的可變速驅動器是可能的。
有利地，用電絕緣液體將所述殼體填滿。在這種情況下，無需採取 預防措施來阻止變換器棵露的電觸點之間的短路。舉例而言，該液體可 以是油。
優選地，所述殼體的壁具有最大10mm的厚度(特別地，最大5mm 的厚度)。因此，該殼體具有低的熱容量和高的熱導性，以用於有效地 消散廢熱。除此之外，在水下應用中，它需要更少的材料和更小的空間。
4通常，所述殼體的壁僅需要具有承受正常操作和工作狀況的設計厚度。
通過位於所述殼體內側的體積補償器(volume compensator)，由洩 漏導致的故障可被延遲。該體積補償器通過在殼體內提供輕度過壓，從 而在特定的 一 段時間中阻止外部液體侵入變換器殼體。
在一個可能的實施例中，所述殼體被布置在液密的主容器中。水下 應用的其它零部件也可被布置在該主容器中。在該實施例中，變換器容 納在該殼體中並與這些零部件以及主容器的內部壓力獨立開來。特別 地，可用液體填充主容器，因此可將變換器殼體的抗壓原理也應用到主 容器。這樣，由於幾乎不可壓縮的液體用來在所有面上支撐該主容器， 所以主容器可以具有降低的結構複雜性。有可能是將變換器的控制電子 裝置定位在該主容器內側或外側的具有小的壓力補償的封閉容器中。特 別地，該壓力補償封閉容器可以布置在該變換器殼體內側。
優選地，採用電絕緣液體(例如油)至少部分地填充所述主容器。 如上面對變換器的殼體所描述的那樣，主容器可包括位於其內部的棵露 的電觸點，所以，這樣就避免了短路。除此之外，在殼體洩漏的情況下， 主容器的液體可進入殼體，而不會在電性方面影響該變換器的工作。
在 一 具體實施例中，所述變換器包括晶閘管控制的整流器以及晶閘 管控制的有源逆變器(line-commutated inverter)。代替晶閘管，其可包括 任意其它的半導體閥。這使得可以採用可變速驅動器來操作同步電機。
另外，本發明包括水下設施、水下容器和水下運載器，其均包括了 如上所述的可變速驅動器。


下面，.結合附圖更詳細地對本發明的示例性實施例進行說明。 在附圖中，
圖1示出了一種可變速驅動器的電路圖2示出了另一種可變速驅動器的電路圖；以及
圖3示出了水下設施。
在所有圖中，由同樣的附圖標記指示同樣的零部件。
具體實施例方式
圖1示出了根據本發明用於水下設施(在該圖中未示出)的可變速驅動器1的範例電路圖。其包括三相AC/AC變換器2、控制電子裝置3、 以及異步感應電動機4。變換器2的輸入被連接到三相電壓源5。變換 器2向電動機4供應脈衝三相交流電。
變換器2包括整流器6、直流環節7和逆變器8。示例性整流器6 是全波三相橋式整流器，其包括六個晶閘管(thyristor)9。示例性直流環 節7是電流控制的，並且僅包括平滑電感IO,而沒有電容器。示例性逆 變器8包括六個晶閘管9，用來產生在電動機4中引起正弦電流的脈寬 調製輸出波形。該脈寬調製由控制電子裝置3來執行。任何用來生成該 輸出波形的算法都可被控制電子裝置3所採用，例如，空間向量調製。
因為沒有用到壓敏的電容器，所以變換器2可以被直接或間接地暴 露於顯著高於或低於1013 hPa的壓力而不影響其功能。
在另一個實施例(未示出)中，變換器2可以被容納在填充有電絕 緣液體的液密殼體中。所填充的電絕緣液體在所有面上支撐該殼體以抵 抗任何外部壓力。因此，殼體內部和外部的壓差是可以被忽略的。結果， 因為外部介質侵入變換器2內的可能性被有力地限制，所以變換器2的 整個設計對於洩漏並不敏感。所以，變換器2可以以低生產成本獲得高 的可靠性。
圖2示出了根據本發明的另一可變速驅動器1的範例電路圖。該可 變速驅動器和圖1中所示的類似。不過，逆變器8包括六個絕緣柵雙極 電晶體11來代替晶閘管，並且電動機4是同步電機。採用絕緣柵雙極 電晶體11允許對逆變器8應用其它調製模式。能在所需時間切斷電流 的能力使得變換器2除了同步電機之外還能夠驅動其它類型的電動機和 負載。
在圖3中，描述了水下設施20的示例。其包括被海水22圍繞且位 於海床23上的液密主容器21。水下設施20是用來鑽井(未示出)到海 床23內的井口的一部分。用於可變速驅動器1的變換器2的液密殼體 24被布置在主容器21內。變換器2位於殼體24內。變換器2的控制電 子裝置3位於分開的、充氣的且壓力補償的封閉容器25內，該封閉容 器位於例如變換器殼體24內。用第一電絕緣液體26填充殼體24。用第 二電絕緣液體27填充主容器21。液體26、 27均是油。
水下設施20連接到水下電力線28,以便以10kV三相交流電的形 式向其提供電能。電力線電壓被轉換為240 V三相設施電壓，而可變速驅動器1的變換器2的輸入則被連接到該設施電壓，其中，該變壓器可 被看作電壓源5。變換器2被設計為如圖1中所示的那樣。然而，在其 它實施例(未示出)中，變換器2可以是任何類型的包括電流控制的無 電容器的直流環節的AC/AC變換器。變換器2輸出3 kV(均方根值) 三相脈寬調製交流電到鑽井電動機4。
上述給出的電壓僅僅是描述示例性水下設施20。分別取決於電力線 28的長度、從電壓源5到變換器2的距離、以及電動機4的所需電壓和 功率，也可以應用其它電壓。如果合適，變壓器也可被省略。
液體26、 27均用作相應電子部件的冷卻液。在殼體24內的變換器 2處出現的廢熱經由第一液體26消散到並通過殼體24。從那裡，經由 第二液體27,廢熱被消散到並通過主容器21,並且最終被消散到海水 22。為此目的，在殼體24內可通過重力或者通過至少一個專用的泵(未 示出)來產生第一液體26的環流。以相同方式，在主容器21內也可產 生第二液體27的環流。換熱裝置可以被布置在第一液體26和/或第二液 體27中以增加效率，其中，液體26和27之一被大範圍地引導穿過這 兩種液體的另 一種而不使它們混合。
液體26、 27分別在所有面上支撐殼體24和主容器21抵抗外部的 水下過壓。由此，在水下設施20的內部(即，在殼體24內以及在主容 器21內)和圍繞的海水22之間的壓差是可以忽略的。因此，殼體24 和主容器21的(特別是貫穿接頭的)密封件和裝配件(未示出)可以 被設計為用於低壓差。因為殼體24位於主容器21內，所以在水下設施 20中海水幾乎不可能侵入到變換器2內。在主容器21發生洩漏的情況 下，沒有海水能夠進入到殼體24中。而在僅殼體24洩漏的情況下，主 容器21的第二液體27能夠進入到殼體24中。不過，因為第二液體27 是電絕緣的，所以它不會如同海水22直接侵入到變換器2中那樣導致 變換器2的故障。這樣，水下設施20將可以維持工作。由於這些原因， 可變速驅動器1適用於寬廣的功率和電壓範圍。
在其它實施例(未示出)中，可變速驅動器1可被用來驅動泵電動 才幾4或者任何其它類型的電動4幾4。
圖4示出了在水下設施(未示出)內可變速驅動器1的典型應用。 電動機4和受驅設備位於遠離變換器2的地方，其中變換器2被布置在 單個液密殼體24內，該殼體24被填充第一液體26。如果需要，則控制電子裝置3優選位於殼體24內的壓力補償封閉容器25中。殼體24被 直接暴露於海水22。殼體24可以裝備有體積補償器29,以使笫一液體 26相對於周圍的海水22具有輕度的過壓。在有任何洩漏的情況下，該 壓差將阻止海水進入殼體。如果必需，可對體積補償器29進行監測。
體積補償器29也可用在包括主容器21的實施例中，例如圖3中所 描述的實施例。體積補償器29—般被布置在殼體24上，或者可替代地 如上所述布置在殼體24內。另外或者可替代地， 一體積補償器可被布 置在主容器21內，且在殼體24的外側。
權利要求
1. 一種可變速驅動器(1)，用於水下設施(20)、水下容器或水下運載器，所述可變速驅動器(1)包括AC/AC變換器(2)，所述AC/AC變換器(2)具有電流控制的無電容器的直流環節(7)。
2. 根據權利要求1所述的可變速驅動器(1),其特徵在於，所述 直流環節(7)包括平滑電感(10)。
3. 根據權利要求2所述的可變速驅動器(1)，其特徵在於，所述 直流環節(7)僅包括所述電感(10)。
4. 根據上述權利要求中任意一項所述的可變速驅動器(1 ),其特 徵在於，至少所述變換器(2)布置在一液密的殼體(24)內。
5. 根據權利要求4所述的可變速驅動器(1),其特徵在於，所述 殼體(24)填充有電絕緣液體(26)。
6. 根據權利要求4或5所述的可變速驅動器(1 ),其特徵在於， 所述殼體(24)的壁具有最大IO隨的厚度。
7. 根據權利要求4到6中任意一項所述的可變速驅動器(1 )，其 特徵在於， 一體積補償器(29)位於所述殼體(24)上。
8. 根據權利要求4到7中任意一項所述的可變速驅動器(1 ),其 特徵在於，所述殼體(24)布置在液密的主容器(n)內。
9. 根據權利要求8所述的可變速驅動器(1)，其特徵在於，所述 主容器(21)至少部分地填充有電絕緣液體(27)。
10. 根據上述權利要求中任意一項所述的可變速驅動器(1)，其特 徵在於，所述變換器(2)包括晶閘管控制的整流器(6)以及晶閘管控 制的有源逆變器(8)。
11. 一種水下設施(20),包括根據權利要求1到10中任意一項所 述的可變速驅動器(1)。
12. —種水下容器，包括根據權利要求1到10中任意一項所述的 可變速驅動器(1 )。
13. —種水下運載器，包括根據權利要求1到10中任意一項所述 的可變速驅動器(1)。
全文摘要
本發明涉及一種用於水下設施(20)、水下容器或水下運載器的可變速驅動器(1)，以及涉及相應的水下設施(20)、水下容器或水下運載器，其中，該可變速驅動器包括具有電流控制的無電容器的直流環節(7)的AC/AC變換器(2)。
文檔編號H05K7/20GK101536304SQ200680056313
公開日2009年9月16日 申請日期2006年11月6日 優先權日2006年11月6日
發明者O·博 申請人:西門子公司