专利名称：用于水下应用的可变速驱动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于水下(subsea)设施、水下容器或水下运载器的可变速 驱动器(VSD)。此外，本发明还涉及水下设施、水下容器和水下运载器。
背景技术：
就涉及到本发明的而言，水下设施、容器和运载器通常被用来在位 于海床的井口处勘探和开采气田和油田。这里，可变速驱动器用于需要 通过电动机进行平移或旋转运动的应用中。
用于这样的水下设施、容器和运载器的现有技术的可变速驱动器使 用了常见的基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的电压控制的交流/交流 (AC/AC)变换器，该变换器包括整流器、由电容器组緩冲的直流环节 (DC link )、以及逆变器。
不利的是，电容器对于环境压力敏感。因此，现有技术的水下应用 必须采用等于大约1013 hPa ( 1 atm )的标准大气压的内部气压来提供压 力补偿。典型地，AC/AC变换器及其控制电子装置被放置在专门的壳体 内，以保持压力补偿的体积小一些。只有该壳体内部必须保持在标准大 气压下。因为该壳体必须是抗压的，以便抵抗水下环境或周围的主容器 的过压，所以会发生一些结构问题。安全地承受该压力需要厚的壁(取 决于压力和壳体的尺寸，该壁厚可达到100mm以上)和/或支撑杆，这 会占用太多空间，并且会对该壳体的密封(特别是对进出该壳体的电连 接贯穿接头)提出较高的先决条件。另外，变换器电路需要复杂的冷却 系统，以将废热从其壳体内消散掉。
发明内容
本发明的一个目的是提出一种在一开始提到的那种类型的可变速 驱动器，其具有较低结构需求。本发明的另一个目的是提出一种相应的 水下设施、水下容器和水下运载器。通过包括权利要求1中所给出特征的可变速驱动器、包括权利要求 10中所给出特征的水下设施、包括权利要求11中所给出特征的水下容
器、以及包括权利要求12或13中所给出特征的水下运载器，该问题得 以解决。
本发明提出了 一种用于水下设施、水下容器或水下运载器的可变速 驱动器，包括AC/AC变换器，该AC/AC变换器具有电流控制的无电容 器的直流环节。这不仅减少了变换器中电子部件的数目，因而减小了失 效的可能性。而且，由于根据本发明没有釆用对压力敏感的电容器，所 以用于压力补偿的复杂措施可以被完全省略掉，或者至少仅被限制到变 换器的控制电子装置。因此，变换器可以被暴露在过压下，特别是水下 环境压力下。该变换器可以被装备有任何类型的功率开关，例如晶闸管、 金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、以及绝缘栅双极晶体管。
优选地，所述直流环节包括平滑电感。平滑电感典型地用于高功率、 电流控制的直流环节。该直流环节可包括其它的耐压部件。
特别地，所述直流环节可仅仅包括所述电感。这样，可变速驱动器 就具有简单的设计和低的失效可能性，并且仅占用很小的空间。
在优选的实施例中，至少所述变换器被布置在液密的壳体内。该壳 体优选地用液体填满。因为液体是几乎不能被压缩的，所以该液体用来 在所有面上支撑该壳体以抵抗任意外部压力。因此，该壳体自身即使是 在高外部压力下(例如，在深海中)也几乎是不可压缩的，而且变换器 部件间接地暴露于外部压力中。因为该原因，壳体的结构复杂性被大大 降低了。由于在壳体内侧和外侧之间的低压差，密封件和装配件(特别 是贯穿接头的密封件和装配件)可以更简单，并且更加可靠。另外，该 液体可用作冷却液，用以将来自变换器电路的废热消散到壳体的外侧。
因此，冷却系统的复杂性也被降低了。由于结构需求比现有技术要低， 所以通过该实施例，紧凑而重量轻的可变速驱动器是可能的。
有利地，用电绝缘液体将所述壳体填满。在这种情况下，无需采取 预防措施来阻止变换器棵露的电触点之间的短路。举例而言，该液体可 以是油。
优选地，所述壳体的壁具有最大10mm的厚度(特别地，最大5mm 的厚度)。因此，该壳体具有低的热容量和高的热导性，以用于有效地 消散废热。除此之外，在水下应用中，它需要更少的材料和更小的空间。
4通常，所述壳体的壁仅需要具有承受正常操作和工作状况的设计厚度。
通过位于所述壳体内侧的体积补偿器(volume compensator)，由泄 漏导致的故障可被延迟。该体积补偿器通过在壳体内提供轻度过压，从 而在特定的 一 段时间中阻止外部液体侵入变换器壳体。
在一个可能的实施例中，所述壳体被布置在液密的主容器中。水下 应用的其它零部件也可被布置在该主容器中。在该实施例中，变换器容 纳在该壳体中并与这些零部件以及主容器的内部压力独立开来。特别 地，可用液体填充主容器，因此可将变换器壳体的抗压原理也应用到主 容器。这样，由于几乎不可压缩的液体用来在所有面上支撑该主容器， 所以主容器可以具有降低的结构复杂性。有可能是将变换器的控制电子 装置定位在该主容器内侧或外側的具有小的压力补偿的封闭容器中。特 别地，该压力补偿封闭容器可以布置在该变换器壳体内侧。
优选地，采用电绝缘液体(例如油)至少部分地填充所述主容器。 如上面对变换器的壳体所描述的那样，主容器可包括位于其内部的棵露 的电触点，所以，这样就避免了短路。除此之外，在壳体泄漏的情况下， 主容器的液体可进入壳体，而不会在电性方面影响该变换器的工作。
在 一 具体实施例中，所述变换器包括晶闸管控制的整流器以及晶闸 管控制的有源逆变器(line-commutated inverter)。代替晶闸管，其可包括 任意其它的半导体阀。这使得可以采用可变速驱动器来操作同步电机。
另外，本发明包括水下设施、水下容器和水下运载器，其均包括了 如上所述的可变速驱动器。
下面，.结合附图更详细地对本发明的示例性实施例进行说明。 在附图中，
图1示出了一种可变速驱动器的电路图2示出了另一种可变速驱动器的电路图；以及
图3示出了水下设施。
在所有图中，由同样的附图标记指示同样的零部件。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明用于水下设施(在该图中未示出)的可变速驱动器1的范例电路图。其包括三相AC/AC变换器2、控制电子装置3、 以及异步感应电动机4。变换器2的输入被连接到三相电压源5。变换 器2向电动机4供应脉冲三相交流电。
变换器2包括整流器6、直流环节7和逆变器8。示例性整流器6 是全波三相桥式整流器，其包括六个晶闸管(thyristor)9。示例性直流环 节7是电流控制的，并且仅包括平滑电感IO,而没有电容器。示例性逆 变器8包括六个晶闸管9，用来产生在电动机4中引起正弦电流的脉宽 调制输出波形。该脉宽调制由控制电子装置3来执行。任何用来生成该 输出波形的算法都可被控制电子装置3所采用，例如，空间向量调制。
因为没有用到压敏的电容器，所以变换器2可以被直接或间接地暴 露于显著高于或低于1013 hPa的压力而不影响其功能。
在另一个实施例(未示出)中，变换器2可以被容纳在填充有电绝 缘液体的液密壳体中。所填充的电绝缘液体在所有面上支撑该壳体以抵 抗任何外部压力。因此，壳体内部和外部的压差是可以被忽略的。结果， 因为外部介质侵入变换器2内的可能性被有力地限制，所以变换器2的 整个设计对于泄漏并不敏感。所以，变换器2可以以低生产成本获得高 的可靠性。
图2示出了根据本发明的另一可变速驱动器1的范例电路图。该可 变速驱动器和图1中所示的类似。不过，逆变器8包括六个绝缘栅双极 晶体管11来代替晶闸管，并且电动机4是同步电机。采用绝缘栅双极 晶体管11允许对逆变器8应用其它调制模式。能在所需时间切断电流 的能力使得变换器2除了同步电机之外还能够驱动其它类型的电动机和 负载。
在图3中，描述了水下设施20的示例。其包括被海水22围绕且位 于海床23上的液密主容器21。水下设施20是用来钻井(未示出)到海 床23内的井口的一部分。用于可变速驱动器1的变换器2的液密壳体 24被布置在主容器21内。变换器2位于壳体24内。变换器2的控制电 子装置3位于分开的、充气的且压力补偿的封闭容器25内，该封闭容 器位于例如变换器壳体24内。用第一电绝缘液体26填充壳体24。用第 二电绝缘液体27填充主容器21。液体26、 27均是油。
水下设施20连接到水下电力线28,以便以10kV三相交流电的形 式向其提供电能。电力线电压被转换为240 V三相设施电压，而可变速驱动器1的变换器2的输入则被连接到该设施电压，其中，该变压器可 被看作电压源5。变换器2被设计为如图1中所示的那样。然而，在其 它实施例(未示出)中，变换器2可以是任何类型的包括电流控制的无 电容器的直流环节的AC/AC变换器。变换器2输出3 kV(均方根值) 三相脉宽调制交流电到钻井电动机4。
上述给出的电压仅仅是描述示例性水下设施20。分别取决于电力线 28的长度、从电压源5到变换器2的距离、以及电动机4的所需电压和 功率，也可以应用其它电压。如果合适，变压器也可被省略。
液体26、 27均用作相应电子部件的冷却液。在壳体24内的变换器 2处出现的废热经由第一液体26消散到并通过壳体24。从那里，经由 第二液体27,废热被消散到并通过主容器21,并且最终被消散到海水 22。为此目的，在壳体24内可通过重力或者通过至少一个专用的泵(未 示出)来产生第一液体26的环流。以相同方式，在主容器21内也可产 生第二液体27的环流。换热装置可以被布置在第一液体26和/或第二液 体27中以增加效率，其中，液体26和27之一被大范围地引导穿过这 两种液体的另 一种而不使它们混合。
液体26、 27分别在所有面上支撑壳体24和主容器21抵抗外部的 水下过压。由此，在水下设施20的内部(即，在壳体24内以及在主容 器21内)和围绕的海水22之间的压差是可以忽略的。因此，壳体24 和主容器21的(特别是贯穿接头的)密封件和装配件(未示出)可以 被设计为用于低压差。因为壳体24位于主容器21内，所以在水下设施 20中海水几乎不可能侵入到变换器2内。在主容器21发生泄漏的情况 下，没有海水能够进入到壳体24中。而在仅壳体24泄漏的情况下，主 容器21的第二液体27能够进入到壳体24中。不过，因为第二液体27 是电绝缘的，所以它不会如同海水22直接侵入到变换器2中那样导致 变换器2的故障。这样，水下设施20将可以维持工作。由于这些原因， 可变速驱动器1适用于宽广的功率和电压范围。
在其它实施例(未示出)中，可变速驱动器1可被用来驱动泵电动 才几4或者任何其它类型的电动4几4。
图4示出了在水下设施(未示出)内可变速驱动器1的典型应用。 电动机4和受驱设备位于远离变换器2的地方，其中变换器2被布置在 单个液密壳体24内，该壳体24被填充第一液体26。如果需要，则控制电子装置3优选位于壳体24内的压力补偿封闭容器25中。壳体24被 直接暴露于海水22。壳体24可以装备有体积补偿器29,以使笫一液体 26相对于周围的海水22具有轻度的过压。在有任何泄漏的情况下，该 压差将阻止海水进入壳体。如果必需，可对体积补偿器29进行监测。
体积补偿器29也可用在包括主容器21的实施例中，例如图3中所 描述的实施例。体积补偿器29—般被布置在壳体24上，或者可替代地 如上所述布置在壳体24内。另外或者可替代地， 一体积补偿器可被布 置在主容器21内，且在壳体24的外侧。
权利要求
1. 一种可变速驱动器(1)，用于水下设施(20)、水下容器或水下运载器，所述可变速驱动器(1)包括AC/AC变换器(2)，所述AC/AC变换器(2)具有电流控制的无电容器的直流环节(7)。
2. 根据权利要求1所述的可变速驱动器(1),其特征在于，所述 直流环节(7)包括平滑电感(10)。
3. 根据权利要求2所述的可变速驱动器(1)，其特征在于，所述 直流环节(7)仅包括所述电感(10)。
4. 根据上述权利要求中任意一项所述的可变速驱动器(1 ),其特 征在于，至少所述变换器(2)布置在一液密的壳体(24)内。
5. 根据权利要求4所述的可变速驱动器(1),其特征在于，所述 壳体(24)填充有电绝缘液体(26)。
6. 根据权利要求4或5所述的可变速驱动器(1 ),其特征在于， 所述壳体(24)的壁具有最大IO隨的厚度。
7. 根据权利要求4到6中任意一项所述的可变速驱动器(1 )，其 特征在于， 一体积补偿器(29)位于所述壳体(24)上。
8. 根据权利要求4到7中任意一项所述的可变速驱动器(1 ),其 特征在于，所述壳体(24)布置在液密的主容器(n)内。
9. 根据权利要求8所述的可变速驱动器(1)，其特征在于，所述 主容器(21)至少部分地填充有电绝缘液体(27)。
10. 根据上述权利要求中任意一项所述的可变速驱动器(1)，其特 征在于，所述变换器(2)包括晶闸管控制的整流器(6)以及晶闸管控 制的有源逆变器(8)。
11. 一种水下设施(20),包括根据权利要求1到10中任意一项所 述的可变速驱动器(1)。
12. —种水下容器，包括根据权利要求1到10中任意一项所述的 可变速驱动器(1 )。
13. —种水下运载器，包括根据权利要求1到10中任意一项所述 的可变速驱动器(1)。
全文摘要
本发明涉及一种用于水下设施(20)、水下容器或水下运载器的可变速驱动器(1)，以及涉及相应的水下设施(20)、水下容器或水下运载器，其中，该可变速驱动器包括具有电流控制的无电容器的直流环节(7)的AC/AC变换器(2)。
文档编号H05K7/20GK101536304SQ200680056313
公开日2009年9月16日 申请日期2006年11月6日 优先权日2006年11月6日
发明者O·博 申请人:西门子公司