專利名稱：用于水下應用的可變速驅(qū)動器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于水下(subsea)設施、水下容器或水下運載器的可變速 驅(qū)動器(VSD)。此外，本發(fā)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(fā)明的而言，水下設施、容器和運載器通常被用來在位 于海床的井口處勘探和開采氣田和油田。這里，可變速驅(qū)動器用于需要 通過電動機進行平移或旋轉(zhuǎn)運動的應用中。
用于這樣的水下設施、容器和運載器的現(xiàn)有技術的可變速驅(qū)動器使 用了常見的基于絕緣柵雙極晶體管(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、由電容器組緩沖的直流環(huán)節(jié) (DC link )、以及逆變器。
不利的是，電容器對于環(huán)境壓力敏感。因此，現(xiàn)有技術的水下應用 必須采用等于大約1013 hPa ( 1 atm )的標準大氣壓的內(nèi)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(nèi)，以保持壓力補償?shù)捏w積小一些。只有該殼體內(nèi)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(huán)境或周圍的主容器 的過壓，所以會發(fā)生一些結(jié)構(gòu)問題。安全地承受該壓力需要厚的壁(取 決于壓力和殼體的尺寸，該壁厚可達到100mm以上)和/或支撐桿，這 會占用太多空間，并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，變換器電路需要復雜的冷卻 系統(tǒng)，以將廢熱從其殼體內(nèi)消散掉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(qū)動器，其具有較低結(jié)構(gòu)需求。本發(fā)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(quán)利要求1中所給出特征的可變速驅(qū)動器、包括權(quán)利要求 10中所給出特征的水下設施、包括權(quán)利要求11中所給出特征的水下容
器、以及包括權(quán)利要求12或13中所給出特征的水下運載器，該問題得 以解決。
本發(fā)明提出了 一種用于水下設施、水下容器或水下運載器的可變速 驅(qū)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(huán)節(jié)。這不僅減少了變換器中電子部件的數(shù)目，因而減小了失 效的可能性。而且，由于根據(jù)本發(fā)明沒有釆用對壓力敏感的電容器，所 以用于壓力補償?shù)膹碗s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(huán)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晶體管(MOSFET)、以及絕緣柵雙極晶體管。
優(yōu)選地，所述直流環(huán)節(jié)包括平滑電感。平滑電感典型地用于高功率、 電流控制的直流環(huán)節(jié)。該直流環(huán)節(jié)可包括其它的耐壓部件。
特別地，所述直流環(huán)節(jié)可僅僅包括所述電感。這樣，可變速驅(qū)動器 就具有簡單的設計和低的失效可能性，并且僅占用很小的空間。
在優(yōu)選的實施例中，至少所述變換器被布置在液密的殼體內(nèi)。該殼 體優(yōu)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 部件間接地暴露于外部壓力中。因為該原因，殼體的結(jié)構(gòu)復雜性被大大 降低了。由于在殼體內(nèi)側(cè)和外側(cè)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，并且更加可靠。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(cè)。
因此，冷卻系統(tǒng)的復雜性也被降低了。由于結(jié)構(gòu)需求比現(xiàn)有技術要低， 所以通過該實施例，緊湊而重量輕的可變速驅(qū)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，無需采取 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(yōu)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，以用于有效地 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。
通過位于所述殼體內(nèi)側(cè)的體積補償器(volume compensator)，由泄 漏導致的故障可被延遲。該體積補償器通過在殼體內(nèi)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 納在該殼體中并與這些零部件以及主容器的內(nèi)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，由于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(jié)構(gòu)復雜性。有可能是將變換器的控制電子 裝置定位在該主容器內(nèi)側(cè)或外側(cè)的具有小的壓力補償?shù)姆忾]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(nèi)側(cè)。
優(yōu)選地，采用電絕緣液體(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，主容器可包括位于其內(nèi)部的棵露 的電觸點，所以，這樣就避免了短路。除此之外，在殼體泄漏的情況下， 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。這使得可以采用可變速驅(qū)動器來操作同步電機。
另外，本發(fā)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(qū)動器。


下面，.結(jié)合附圖更詳細地對本發(fā)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(qū)動器的電路圖2示出了另一種可變速驅(qū)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(jù)本發(fā)明用于水下設施(在該圖中未示出)的可變速驅(qū)動器1的范例電路圖。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供應脈沖三相交流電。
變換器2包括整流器6、直流環(huán)節(jié)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(huán) 節(jié)7是電流控制的，并且僅包括平滑電感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(chǎn)生在電動機4中引起正弦電流的脈寬 調(diào)制輸出波形。該脈寬調(diào)制由控制電子裝置3來執(zhí)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所采用，例如，空間向量調(diào)制。
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 露于顯著高于或低于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(nèi)部和外部的壓差是可以被忽略的。結(jié)果， 因為外部介質(zhì)侵入變換器2內(nèi)的可能性被有力地限制，所以變換器2的 整個設計對于泄漏并不敏感。所以，變換器2可以以低生產(chǎn)成本獲得高 的可靠性。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的另一可變速驅(qū)動器1的范例電路圖。該可 變速驅(qū)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 晶體管11來代替晶閘管，并且電動機4是同步電機。采用絕緣柵雙極 晶體管11允許對逆變器8應用其它調(diào)制模式。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(qū)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 于海床23上的液密主容器21。水下設施20是用來鉆井(未示出)到海 床23內(nèi)的井口的一部分。用于可變速驅(qū)動器1的變換器2的液密殼體 24被布置在主容器21內(nèi)。變換器2位于殼體24內(nèi)。變換器2的控制電 子裝置3位于分開的、充氣的且壓力補償?shù)姆忾]容器25內(nèi)，該封閉容 器位于例如變換器殼體24內(nèi)。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(zhuǎn)換為240 V三相設施電壓，而可變速驅(qū)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(huán)節(jié)的AC/AC變換器。變換器2輸出3 kV(均方根值) 三相脈寬調(diào)制交流電到鉆井電動機4。
上述給出的電壓僅僅是描述示例性水下設施20。分別取決于電力線 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(nèi)的變換器 2處出現(xiàn)的廢熱經(jīng)由第一液體26消散到并通過殼體24。從那里，經(jīng)由 第二液體27,廢熱被消散到并通過主容器21,并且最終被消散到海水 22。為此目的，在殼體24內(nèi)可通過重力或者通過至少一個專用的泵(未 示出)來產(chǎn)生第一液體26的環(huán)流。以相同方式，在主容器21內(nèi)也可產(chǎn) 生第二液體27的環(huán)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之一被大范圍地引導穿過這 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(nèi)部(即，在殼體24內(nèi)以及在主容 器21內(nèi))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 被設計為用于低壓差。因為殼體24位于主容器21內(nèi)，所以在水下設施 20中海水幾乎不可能侵入到變換器2內(nèi)。在主容器21發(fā)生泄漏的情況 下，沒有海水能夠進入到殼體24中。而在僅殼體24泄漏的情況下，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。由于這些原因， 可變速驅(qū)動器1適用于寬廣的功率和電壓范圍。
在其它實施例(未示出)中，可變速驅(qū)動器1可被用來驅(qū)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(nèi)可變速驅(qū)動器1的典型應用。 電動機4和受驅(qū)設備位于遠離變換器2的地方，其中變換器2被布置在 單個液密殼體24內(nèi)，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(yōu)選位于殼體24內(nèi)的壓力補償封閉容器25中。殼體24被 直接暴露于海水22。殼體24可以裝備有體積補償器29,以使笫一液體 26相對于周圍的海水22具有輕度的過壓。在有任何泄漏的情況下，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(jiān)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(nèi)。另外或者可替代地， 一體積補償器可被布 置在主容器21內(nèi)，且在殼體24的外側(cè)。
權(quán)利要求
1. 一種可變速驅(qū)動器(1)，用于水下設施(20)、水下容器或水下運載器，所述可變速驅(qū)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(huán)節(jié)(7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可變速驅(qū)動器(1),其特征在于，所述 直流環(huán)節(jié)(7)包括平滑電感(10)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的可變速驅(qū)動器(1)，其特征在于，所述 直流環(huán)節(jié)(7)僅包括所述電感(10)。
4. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項所述的可變速驅(qū)動器(1 ),其特 征在于，至少所述變換器(2)布置在一液密的殼體(24)內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的可變速驅(qū)動器(1),其特征在于，所述 殼體(24)填充有電絕緣液體(26)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的可變速驅(qū)動器(1 ),其特征在于， 所述殼體(24)的壁具有最大IO隨的厚度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4到6中任意一項所述的可變速驅(qū)動器(1 )，其 特征在于， 一體積補償器(29)位于所述殼體(24)上。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4到7中任意一項所述的可變速驅(qū)動器(1 ),其 特征在于，所述殼體(24)布置在液密的主容器(n)內(nèi)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的可變速驅(qū)動器(1)，其特征在于，所述 主容器(21)至少部分地填充有電絕緣液體(27)。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任意一項所述的可變速驅(qū)動器(1)，其特 征在于，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(jù)權(quán)利要求1到10中任意一項所 述的可變速驅(qū)動器(1)。
12. —種水下容器，包括根據(jù)權(quán)利要求1到10中任意一項所述的 可變速驅(qū)動器(1 )。
13. —種水下運載器，包括根據(jù)權(quán)利要求1到10中任意一項所述 的可變速驅(qū)動器(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于水下設施(20)、水下容器或水下運載器的可變速驅(qū)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(qū)動器包括具有電流控制的無電容器的直流環(huán)節(jié)(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(yōu)先權(quán)日2006年11月6日
發(fā)明者O·博 申請人:西門子公司