JP4971354B2 - 海中システム用の電力システム - Google Patents

Description

本発明は、海中システム用の電力システムに関する。本発明はまた、海中アプリケーションで少なくとも１つの電気的負荷を動作させる方法、たとえば電動機を動作させる方法にも関する。さらに本発明は、海中遠隔操作車両にも関する。

海中システムはたとえば、海底油田設備または海中遠隔操作車両（ＲＯＶ）である。遠隔操作車両（ＲＯＶ）は大抵は無人であり、もっぱら、海底油田設備の査察および保守に使用される。海中システムはまた、海底採鉱にも使用される。海底油田または別の海洋アプリケーションのための海中設備、とりわけ海底資源の探査に関与するアプリケーションのための海中設備には、可能な限り大きなアンビリカルによって給電することができる。このアンビリカルは、通常は１つまたは複数の給電ケーブルと少なくとも１つの制御ケーブルとを有する。海中システム、とりわけＲＯＶは通常、高電圧の電気またはハイドロリックオイルによってパワー供給される。

海中システムの電気的コンポーネントは、絶縁して海水から保護し、深海レベルの水圧から保護しなければならない。それゆえ公知の海中システムは、１大気圧で与圧された容器を有することがある。このような与圧容器のハウジングは非常に高重量であることが多いので、海中システムの操作性を制限することが多い。既存のシステムにおいてハウジングの質量を低減することは、保護が縮小され、損傷の可能性が増大することに繋がる。このようなリスクは、海中システムが深海中で動作するか、変化する深度で動作する場合に増大する。

本発明の課題は、海中システム用の次のような電力システム、すなわち、従来技術の欠点を回避するかまたは低減し、電力システムを有する海中システムの操作性および操作上のフレキシビリティを向上する電力システムを提供することである。

本発明によれば、前記課題は海中システム用の次のような電力システムによって解決される。すなわち、電力を電源から受け取る少なくとも１つの海中配電システムを有し、該海中配電システムは少なくとも１つの電気的機能コンポーネントと、少なくとも１つの電気的負荷に対する少なくとも１つの接続エレメントとを有し、該少なくとも１つの電気的負荷はたとえば、海中動作のための推進システムまたはモータであり、該海中配電システムに対して、与圧された外部ケーシングが設けられており、該少なくとも１つの電気的機能コンポーネントに対して少なくとも１つの与圧された内部ケーシングが設けられていることを特徴とする電力システムによって解決される。このような構成により、操作の容易性が上昇し、海中システムの低重量の構成が可能になり、海中システムおよび電力システムのモジュールの標準化レベルを高くすることができる。本発明によって、２段階の圧力補償が可能になる。

有利には、海中配電システムは複数の電気的機能コンポーネントを有し、少なくとも１つの電気的機能コンポーネントまたは該少なくとも１つの電気的機能コンポーネントの部品のうち少なくとも１つの部品に与圧するために、少なくとも１つの与圧された内部ケーシングが設けられる。

有利には、前記少なくとも１つの与圧された内部ケーシングは流動性である。

電気的機能コンポーネントにさらなる保護を提供するために、前記少なくとも１つの与圧された内部ケーシングに、少なくとも部分的に液体を充填することができる。

熱損失を低減すると同時に効率的な圧力補償を提供するために、前記少なくとも１つの与圧された内部ケーシングに少なくとも部分的にオイルを充填するか、または、成分の１つとしてオイルを有する液体物質を充填することができる。

有利には、与圧された外部ケーシングには少なくとも部分的に、ガスまたは複数のガスの混合物が充填される。これはとりわけ、低水深での用途に有利である。

有利には、与圧された外部ケーシングに少なくとも部分的に窒素が充填される。

少なくとも１つの電気的機能コンポーネントが半導体エレメントを有する場合、電気的機能コンポーネントの与圧された内部ケーシングはとりわけ有利である。

有利には、半導体エレメントを有する少なくとも１つの電気的機能コンポーネントはサイクロコンバータである。

有利には、少なくとも１つの半導体エレメントはサイリスタである。

有利には、半導体エレメントを有する１つの電気的機能コンポーネントは、与圧された内部ケーシング内に配置され、海中システムの各接続エレメントに対して設けられる。

有利には、半導体エレメントを有する少なくとも１つの電気的機能コンポーネントは、与圧された内部ケーシング内に配置され、電源との接続のために設けられる。

有利には、少なくとも１つの電気的負荷に対する少なくとも１つの接続エレメントは海中用プラグである。

有利には、海中配電システムはスタティックである。

有利には電力システムは、本発明または本発明の実施形態のうち１つまたは複数の実施形態による海中電力システムと、海中システムへ伝送すべき少なくとも１００Ｈｚの出力周波数を供給する少なくとも１つのトップサイドコンバータと、該海中システムへの電力伝送を行うための少なくとも１つのケーブルとを有し、該ケーブルは該トップサイドコンバータに接続されており、かつ該海中システムに接続されている。海中システムへの高周波電力伝送を使用することにより、送電ケーブルの質量およびインダクタンスを格段に低減することができる。さらに、海中で使用される電気的装置の使用スペースおよび質量も低減することができ、とりわけ、より軽量かつより小型のトランスを使用できるようになる。高周波電力伝送を使用することにより、海中システムの操作性および操作上のフレキシビリティを向上することができる。

有利には、コンバータの出力周波数は少なくとも２００Ｈｚである。

有利には、コンバータの出力周波数は少なくとも３００Ｈｚである。

有利には、コンバータの出力周波数は少なくとも３８０Ｈｚである。

本発明はまた、海中アプリケーションにおいて本発明による電力システムまたは本発明の実施形態のうち１つの実施形態による電力システムを海中配電システムへの電力伝送に使用して少なくとも１つの電気的負荷を動作させる方法も提供する。

本発明はまた、本発明による電力システムまたは本発明の実施形態のうち１つまたは複数の実施形態による電力システムを有する次のような海中遠隔操作車両（ＲＯＶ）、すなわち、該海中遠隔操作車両に対する推進システムである少なくとも１つの電気的負荷を有し、該推進システムは電力を海中配電システムから受け取る海中遠隔操作車両を提供する。

本発明の別の有利な構成、詳細および利点を、例として添付図面を参照して説明する。

図１ 海中システム用の電力システムの概略図である。

図１は、海中システム１０用の電力システムの概略図である。海中システム自体は、抽象的な概略図で示されている。この図は全体の電気的構成に焦点を当てており、包括的とはされていない。

海中システム１０は、海中で動作するための遠隔操作車両（ＲＯＶ）とすることができる。このようなＲＯＶは通常は無人であり、低水深で動作でき、かつ１０００ｍを上回り最大３０００ｍ、最大５０００ｍ以上の水深の高水深で動作できるように構成されている。海中システム１０は少なくとも１つの電気的負荷７を有するか、または少なくとも１つの電気的負荷７に接続できるように構成されている。図中の実施例では、電気的負荷７は電動機である。このような電動機は、海中システムの推進および／または海中アプリケーション用のマニピュレータおよび／またはコントローラに使用することができる。

海中システム１０の電力システムは配電システム５を有する。海中配電システム５は電気的機能エレメント６を有し、該電気的機能エレメント６は有利には、該配電システム５の入力側および／または出力側に設けられる。海中条件で動作するのに安全である接続を提供するため、電気的負荷７を海中配電システム５と電気的機能エレメント６とに接続するための接続エレメントとして海中用プラグ８が使用される。

この海中システム１０は、定置型または移動型とすることができる。海中システム１０の海中電力システムを、該海中システム１０に機械的に取り付けられているかまたは少なくとも一時的に該海中システム１０の一部を形成する電気的負荷７に接続することができる。海中システム１０の海中電力システムは、別の定置型または移動型の海中設備の一部である電気的負荷７に接続することもできる。電気的負荷７を配電システム５に接続および／または接続解除することも可能である。電気的負荷７は、海底の油田または採鉱用途で使用できるポンプシステムで動作することができ、たとえばブースタポンプまたは水噴射ポンプで動作することができる。

海中システム１０に対する電力、たとえば油田海中設備またはＲＯＶに対する電力は、トップサイド電力システム３から少なくとも１つのケーブル９を使用して供給される。このトップサイド電力システム３は、通常は海水面１１より上に位置決めされる。また、トップサイド電力システム３をほぼ海水面１１に位置決めするか、または少なくとも部分的に海水面１１より下に位置決めすることもできる。トップサイド電力システム３は、図１には明確に示されていない海岸‐海用ケーブルおよび／または１つまたは複数のジェネレータ１を含むことができる。トップサイド電力システム３はプラットフォーム上に位置決めすることができる。トップサイド電力システムは通常、約５０Ｈｚ〜約６０Ｈｚの周波数で動作する。

一例として図示されたこの実施形態では、トップサイド電力システム３と、海中システム１０に対して電力を伝送するための少なくとも１つの電力ケーブル９との間に、少なくとも１つのコンバータ２が設けられている。このコンバータ２は有利には、電力システム３の比較的低周波の電力を高周波に変換するように構成された高周波コンバータであり、たとえば、約１００Ｈｚ〜４００Ｈｚの領域内の周波数に変換するように構成された高周波コンバータである。ケーブル９は、トップサイド電力システム３から海中システム１０へ高周波電力を伝送するように構成されている。１つまたは複数の送電ケーブル９を、海中システム１０および該海中システム１０の配電システム５をトップサイド設備に接続するアンビリカル内に配置することができる。トップサイド設備は、たとえばプラットフォーム、容器または海岸‐海用ケーブルとすることができる。前記アンビリカルは、１つまたは複数の海中システム１０および／または接続される負荷７に対する１つまたは複数の制御ケーブルを含むこともできる。

少なくとも１つのケーブル９のトップサイドにトランス４ａを設けることができる。少なくとも１つのトランス４ｂを海中側に設けることもできる。海中システム１０への高周波送電が使用される場合、海中システム１０に含まれるトランス４ｂは、海中システム１０で従来使用されていたトランスより著しく軽量にすることができる。

電気的機能エレメント６は、配電システム５と電源に対する接続部との間、たとえばトップサイド電力システム３に対する接続部との間に配置することができる。また、電気的機能エレメント６を、配電システム５と海中動作用の電気的負荷７との間に配置することもできる。海中用プラグ８を接続エレメントの一部として使用することができる。電気的機能エレメント６は、たとえばスイッチおよび／またはコンバータとして動作することができる。配電システム５は有利には、可動部分を有さないスタティックな配電システムである。

有利には、電気的機能エレメント６は半導体エレメントを有する。この半導体エレメントは、ブレーカ、海中プロセス負荷７すなわち電気的負荷に対するソフトスタート制御部および／または周波数制御部、たとえば電動機に対するソフトスタート制御部および／または周波数制御部として動作する半導体エレメントとすることができる。

電気的機能エレメント６は、与圧された内部ケーシング１３を使用して圧力補償される。海中配電システム５および／または海中システムの別の部分は、与圧された外部ケーシング１２を使用して与圧される。有利には、各電気的機能エレメント６ごとに、または電気的機能エレメント６のグループに対し、または少なくとも電気的機能エレメント６に含まれる半導体に対して個別に、個別の与圧された内部ケーシング１３が設けられる。

電気的機能エレメント６および／または該電気的機能エレメントの半導体コンポーネントは、内部与圧ケーシング１３内の液体に封入される。有利には、前記液体は少なくとも部分的にオイルから成る。有利には、外部与圧ケーシング１２には少なくとも部分的に、ガスまたは複数のガスの混合物が充填され、たとえば窒素が充填される。このようにして、海中システム１０の海中電力システムに対して２段階の圧力システムを提供することができる。

海中配電システム５には、浅海から超深海まで種々異なる水深に設置される電気的負荷７に対する高信頼性の多機能のコントローラとして動作する電気的機能エレメント６が設けられている。外部与圧ケーシング１２は、少なくとも部分的に実質的に円筒形を有するキャニスタとして形成することができる。

半導体エレメントを含む電気的機能エレメント６は、直接的なオンラインスタート、ソフトスタートすなわち低トルクスタートを実現し、複数の電気的負荷７に対して可変周波数制御を実現することができる。モータの反転もこのような制御に含むことができる。電気的機能エレメント６は直接的な駆動装置として動作することもできる。

電気的機能エレメント６は、たとえば分岐ヒューズを有するサイクロコンバータ接続を含むか、スター接続を含むことができ、このスター接続はヒューズレスとすることができる。電気的負荷７に接続される各相ごとのケーブルの数を制限することは、海中用途では有利である。たとえばサイクロコンバータの機能性を提供するために、１つまたは複数の電気的コンポーネント６を１つの内部与圧ケーシング１３内部に設置することができる。

電気的機能エレメント６がとりわけスタティックなスイッチング素子として構成される場合、該電気的機能エレメント６は半導体エレメントとして少なくとも１つのサイリスタを有することができ、有利には複数のサイリスタを有する。１つまたは複数のサイリスタをブレーカおよび／またはソフトスタータおよび／またはサイクロコンバータにおいて使用することができる。

海中電力システムは有利には、約３ＭＶＡ〜約３０ＭＶＡの出力範囲を提供する。電気的機能エレメント６は、オープン接続またはスター接続で配置することができる。海中電力システムの給電電圧はたとえば約１１８０Ｖであり、制御され、絶縁されたモータ相を有する。直列に配置される多数の電気的負荷７に対して構成される場合、より高い給電電圧が有利である。高い短時間過負荷容量、たとえば６０秒で２００％の短時間過負荷容量が設けられる。

可動海中システム１０の領域は、高周波送電を使用する場合にはより狭くなる可能性があるが、この可動海中システム１０の動作上のフレキシビリティは、構造および構成の軽量化および簡略化によって強化される。

本発明の本質的な観点は以下のようにまとめられる。

本発明は、定置型または可動型の海中負荷７のための電力システムに関し、個別に制御可能である複数の電動機に対して１つの共通の給電装置を提供する。変動する水深で動作するためにより高い動作フレキシビリティとより向上された動作確実性を実現するために、海中配電システム５を有する海中電力システムの電気的機能エレメント６を個別またはグループで封止する。電気的機能エレメント６および該電気的機能エレメント６の半導体エレメントは、少なくとも１つの流動性の内部圧力ケーシング１３内に配置される。付加的に、海中配電システム５および／または海中システムの別のコンポーネントに対して外部圧力ケーシング１２も設けられる。上記の構成に対して付加的または択一的に、与圧された半導体コンポーネントを有する与圧された海中配電システム５へ高周波送電を行うことにより、海中システム１０で使用される海中トランス４ｂおよび海中ケーブル９の重量およびサイズを低減することができる。

海中システム用の電力システムの概略図である。

Claims (19)

1. 海中システム（１０）用の電力システムであって、
   電力を電源から受け取る少なくとも１つの海中配電システム（５）を有し、
   該海中配電システム（５）は、少なくとも１つの電気的機能コンポーネント（６）と、海中で動作するための少なくとも１つの電気的負荷（７）に対する少なくとも１つの接続エレメントとを有する電力システムにおいて、
   該海中配電システム（５）は、少なくとも１つの与圧された外部ケーシング（１２）によって包囲されており、
   該少なくとも１つの電気的機能コンポーネント（６）に対して個別に、少なくとも１つの与圧された内部ケーシング（１３）が設けられており、
   前記少なくとも１つの与圧された内部ケーシング（１３）は流動性であることを特徴とする、電力システム。
2. 前記海中配電システム（５）は複数の電気的機能コンポーネント（６）を有する、請求項１記載の電力システム。
3. 前記少なくとも１つの与圧された内部ケーシング（１３）には、少なくとも部分的に液体が充填されている、請求項２記載の電力システム。
4. 前記少なくとも１つの与圧された内部ケーシング（１３）には、少なくとも部分的にオイルが充填されているか、またはオイルを含有する液体が充填されている、請求項３記載の電力システム。
5. 前記与圧された外部ケーシング（１２）には少なくとも部分的にガスまたは複数のガスの混合物が充填されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の電力システム。
6. 前記与圧された外部ケーシング（１２）には少なくとも部分的に窒素が充填されている、請求項５記載の電力システム。
7. 前記少なくとも１つの電気的機能コンポーネント（６）は半導体エレメントを含む、請求項１から６までのいずれか１項記載の電力システム。
8. 半導体エレメントを含む前記少なくとも１つの電気的機能コンポーネント（６）はサイクロコンバータである、請求項７記載の電力システム。
9. 少なくとも１つの半導体エレメントはサイリスタである、請求項７または８記載の電力システム。
10. 前記海中システムの各接続エレメントに対して、半導体エレメントを含む１つの電気的機能コンポーネント（６）が設けられており、
    該１つの電気的機能コンポーネント（６）は、与圧された内部ケーシング（１３）内に配置されている、請求項７から９までのいずれか１項記載の電力システム。
11. 前記電源との接続のために、半導体エレメントを含む少なくとも１つの電気的機能コンポーネント（６）が設けられており、
    該少なくとも１つの電気的機能コンポーネント（６）は、与圧された内部ケーシング（１３）内に配置されている、請求項７から１０までのいずれか１項記載の電力システム。
12. 前記少なくとも１つの電気的負荷（７）に対する少なくとも１つの接続エレメントは海中用プラグである、請求項７から１１までのいずれか１項記載の電力システム。
13. 前記海中配電システム（５）はスタティックである、請求項７から１２までのいずれか１項記載の電力システム。
14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の海中用の電力システムを含む電力システムにおいて、
    前記海中システム（１０）へ伝送すべき少なくとも１００Ｈｚの出力周波数を供給する少なくとも１つのトップサイドコンバータ（２）と、
    該海中システム（１０）への電力伝送を行うための少なくとも１つのケーブル（９）
    とを有し、
    該ケーブル（９）は該トップサイドコンバータ（２）に接続されており、かつ該海中システム（１０）に接続されていることを特徴とする、電力システム。
15. 前記トップサイドコンバータ（２）の出力周波数は少なくとも２００Ｈｚである、請求項１４記載の電力システム。
16. 前記トップサイドコンバータ（２）の出力周波数は少なくとも３００Ｈｚである、請求項１４または１５記載の電力システム。
17. 前記トップサイドコンバータ（２）の出力周波数は少なくとも３８０Ｈｚである、請求項１４から１６までのいずれか１項記載の電力システム。
18. 海中アプリケーションにおいて、海中配電システム（５）へ送電するために請求項１から１７までのいずれか１項記載の電力システムを使用して少なくとも１つの電気的負荷（７）を動作させる方法。
19. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の電力システムを有する海中遠隔操作車両において、
    該海中遠隔操作車両に対する推進システムである少なくとも１つの電気的負荷（７）を有し、
    該推進システムは前記海中配電システム（５）から電力を受け取ることを特徴とする、海中遠隔操作車両。

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