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WO2012003971A2 - Unterwasserantriebseinheit für offshore-einsatz mit hochspannungsgleichstromversorgung sowie unterwasserantriebssystem - Google Patents

Unterwasserantriebseinheit für offshore-einsatz mit hochspannungsgleichstromversorgung sowie unterwasserantriebssystem Download PDF

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WO2012003971A2
WO2012003971A2 PCT/EP2011/003349 EP2011003349W WO2012003971A2 WO 2012003971 A2 WO2012003971 A2 WO 2012003971A2 EP 2011003349 W EP2011003349 W EP 2011003349W WO 2012003971 A2 WO2012003971 A2 WO 2012003971A2
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WO
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power
drive
underwater
electric motor
power converter
Prior art date
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PCT/EP2011/003349
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WO2012003971A3 (de
Inventor
Johann Neiszer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Andritz Ritz GmbH
Original Assignee
Andritz Ritz GmbH
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Publication date
Application filed by Andritz Ritz GmbH filed Critical Andritz Ritz GmbH
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Publication of WO2012003971A3 publication Critical patent/WO2012003971A3/de
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    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections

Definitions

  • Underwater propulsion unit for offshore use with high voltage direct current power supply and underwater propulsion system
  • the invention relates to an underwater drive for offshore use according to claim 1.
  • the invention further relates to an underwater engine system according to claim 18.
  • the invention relates in particular to an underwater drive and an underwater engine system for use in deep water, in particular of 1000 m water depth and more, for providing mechanical drive power, preferably of several 100 kW, more preferably of 1 MW and more, for example on the seabed installed underwater pumps for crude oil or natural gas production.
  • a challenge of the technical equipment required for this is the extreme conditions of use due to being in such high water depths of over 1000 m and more prevailing pressures of correspondingly more 100 bar and more. Because of this technical field, few experience with the use of electrical equipment such as electric drive motors and the associated control electronics at these water pressures, there are numerous challenges regarding the technical implementation and especially with regard to their reliability.
  • a use of currently conventional transmission technology in AC transmission is questionable due to the inductive or capacitive line coverings.
  • the leakage currents in the transmission cable in AC transmission are known to be dependent on the transmission frequency, a cable can be easily understood as a large capacitor. If an input voltage is applied to a cable at the open end, then flows a corresponding charging current, which leads as reactive current in each half-wave to the corresponding charging and discharging in the cable, this alternating charging current linearly with the height of the transmission voltage, the length of the transmission cable and the Frequency of the applied voltage increases.
  • the transmission cable for transmitting the necessary electrical power to the sea-based propulsion engine is a bottleneck due to the high leakage currents in the cable. Furthermore, dangerous traveling waves can occur in the AC cables, which can lead to insulation damage to the sea-aided AC motor due to the extremely difficult Maintenance is a difficult calculable risk. Furthermore, there may be resonances and instabilities between the frequency converter and the impedance of the transmission cable, which can lead to failure of the frequency converter and, in turn, to failure of the engine used at the seabed.
  • an underwater propulsion system and an underwater propulsion system especially for offshore use, especially in deep water of 1000 m and more, for the transmission of electrical energy for drive power of several 1000 kW, preferably over 1 MW, for example to propose to drive an underwater pump.
  • the system should be particularly suitable for use in areas far away from the coast, d. H. An efficient transmission of the required electrical energy should be possible even over 100 km and more.
  • the above object is achieved with an underwater drive according to claim 1 and with respect to the underwater propulsion system according to claim 18.
  • Advantageous embodiments and / or further developments of the invention are specified in the respective subsequent subclaims.
  • the underwater drive according to the invention or the underwater drive system according to the invention makes it possible to provide the drive energy required in the region of the seabed by means of high-voltage direct current transmission (HVDC).
  • HVDC high-voltage direct current transmission
  • An underwater drive according to the invention for offshore use has for this purpose: a drive module with an electric motor in a drive housing and at least one power converter module with power and control electronics arranged in a pressure housing for converting direct current into a current suitable for the electric motor, i. with suitable for the electric motor used frequency, current and voltage level, according to the invention electronic components with high power loss, such as power semiconductors of the power converter module are thermally coupled via heat conduction to the inner wall of the pressure housing for loss heat dissipation.
  • a circuit arrangement for converting a first type of electrical current into another is designated by means of electronic components, in particular power semiconductors such as transistors, diodes and thyristors.
  • the high-voltage direct current supplied on the input side is used as the first electrical current which is converted by the power converter into a suitable current for the electric motor used, ie with the frequency, current intensity and voltage level suitable for the electric motor used.
  • the other type of current can therefore be a direct current but also an alternating current, depending on the motor used.
  • a converter according to the invention is therefore not only an inverter or inverter for the conversion of direct current into alternating current but also a converter for the conversion of direct current into direct current.
  • the power converter can be designed so that the power converter can work as needed without modifications as inverter or inverter.
  • the electrical energy supplied on the input side can be stored in the form of the high-voltage direct current in a DC voltage intermediate circuit, for example in DC link capacitors.
  • the HVDC submarine cable is already part of this DC intermediate circuit.
  • semiconductors which are particularly suitable for the power semiconductors are those which permit high currents at high voltages substantially without expensive control electronics in order to enable a power converter with particularly low space requirements. IGBT semiconductor switches are particularly suitable for this.
  • An IGBT is a substantially insulated-gate bipolar transistor (IGBT) bipolar transistor in which advantages of a bipolar transistor such as good on-state behavior, high blocking voltage and robustness combine with advantages of a field-effect transistor such as an almost powerless control. Since IGBT semiconductors have only an electrically insulated bottom plate, such IGBT semiconductors with the side to be cooled can be mounted in a particularly simple and advantageous manner on the coolants according to the invention, in order to dissipate the heat loss arising during operation. Other suitable power semiconductor switches such as IGCT semiconductors may be used in the power converter.
  • An IGCT is essentially a thyristor (Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT) and a further development of the Gate Turn-Off (GTO) thyristor.
  • the IGCT can be switched on with a positive current pulse at a control input and switched off again by means of a negative current pulse. This switch-off simplifies the control electronics and avoids the so-called cancellation circuits classic thyristor electronics.
  • At least one of the following secondary or auxiliary units can be arranged in the pressure housing of the power converter module: intermediate circuit filter, output filter, current sensors, voltage sensors, auxiliary power supplies, control electronics, electronic interfaces, one or more intermediate circuit capacitors and the like.
  • the heat conduction for the electronic components with high power dissipation as the power semiconductors of the power converter module mentioned above may be formed as a complementary to the inner wall of the pressure housing heat conducting body.
  • thermally conductive material such as copper, aluminum or the like or a corresponding alloy.
  • the interior of the drive housing or parts thereof is filled with a fluid, i. a liquid such as an oil, water, glycol, a mixture of water and glycol and the like, or a gas such as a protective gas or a conveying medium such as natural gas filled.
  • a fluid i. a liquid such as an oil, water, glycol, a mixture of water and glycol and the like, or a gas such as a protective gas or a conveying medium such as natural gas filled.
  • the fluid may be provided as cooling fluid, wherein the electric motor is arranged substantially in the cooling fluid and is preferably almost completely surrounded by cooling fluid.
  • the cooling fluid may additionally have lubricating properties, so that bearings of the motor shaft are lubricated during operation of the cooling fluid.
  • the fluid may also be a gas, wherein the electric motor is substantially surrounded by the gas, i. the drive housing is filled with gas. The gas essentially serves to lubricate the engine mounts.
  • portions of the drive housing are filled with the cooling fluid to dissipate the heat loss occurring during operation of the electric motor and portions of the drive housing in which bearings of the electric motor are encapsulated and filled with a gas for bearing lubrication.
  • the interior of the pressure housing is pressure-free and / or the interior of the drive housing is subjected essentially to the respective ambient pressure.
  • the housings of the drive module and of the power converter can be designed to be separate from one another, ie to be arranged close to one another in the seabed such that the distance between drive module and power converter module to be bridged by means of an electrical connection, ie at least by means of power supply line (s) Compared to the HVDC cable route is negligible.
  • the AC cable lengths required in the overall system can be kept within a length range in which the disadvantages of the AC transmission described above are not yet significant.
  • the at least one pressure housing of the at least one power converter and the drive housing of the electric motor are coupled by means of a mechanical interface or connection, for example in the form of respective flange connections adapted to each other.
  • the electrical connection between the drive module and the at least one power converter module can be integrated into this mechanical interface or connection and executed in a correspondingly protected manner.
  • pressure-resistant feedthroughs for power supply lines and possibly control and / or sensor lines for the electric motor can be provided in the flange connection.
  • About the power supply line (s) is supplied by the power converter for the electric motor suitably generated drive current to the electric motor.
  • the drive module and the at least one power converter module form an underwater drive unit.
  • the interior of the drive housing is hydraulically coupled to a heat exchanger.
  • the heat loss of the electric motor by means of the cooling fluid can be dissipated more effectively via the, preferably outside the Antriebsgephaseu- arranged heat exchanger to the environment, in particular to seawater.
  • the cooling fluid circulates in a cooling circuit, which consists of the interior of the drive housing and the heat exchanger and the corresponding connecting lines.
  • the cooling fluid may be a cooling fluid, which is preferably chemically and / or electrically inactive.
  • a cooling fluid which is preferably chemically and / or electrically inactive.
  • a water-glycol mixture can be used as the cooling liquid.
  • the pressure housing of the power converter module can be actively cooled by the cooling system for the electric motor.
  • the cooling channels can also extend into the heat conducting means as carriers of the power semiconductors of the alternating current converter module for improving the thermal coupling.
  • the pressure housing is substantially cylindrical.
  • the installation space for the power converter module is essentially a pressure cylinder with a corresponding cylindrical inner wall.
  • the drive housing is also formed substantially cylindrical.
  • the housing can be dimensioned on condition that, during use, it is acted upon by the respective ambient pressure prevailing in the operating depth.
  • the pressure housing for the power converter is designed for pressure-free use, i.
  • the pressure housing is preferably designed for an external pressure of 500 to 600 bar, more preferably up to 1000 bar.
  • the electric motor it should be noted that for the preferred applications, such as, for example, underwater pumps, it can have a power consumption of several 100 kW, particularly preferably more than 1 MW, in particular about 5 MW of power. Consequently, the drive unit must be supplied with a corresponding electrical power from the power converter, the power converter in turn being supplied according to the invention by means of its high-voltage direct current connection.
  • an electric motor may preferably be an AC motor such as an asynchronous motor or a hybrid synchronous motor, or a DC motor are used.
  • the electric motor has a rotor with permanent magnets.
  • the power converter module is designed in accordance with the electric motor used in each case, ie, in an AC motor, the power converter is an inverter which forms the alternating current suitable for the AC motor from the high-voltage direct current supplied on the input side.
  • the power converter converts the input high-voltage direct current into the required DC current for the electric motor.
  • the underwater This drive is especially flexible for the respective application. This is favored in particular by the modular design of the drive and the power converter.
  • the at least one pressure housing of the at least one power converter preferably has a pressure-resistant connection terminal, via which the power converter can be supplied from the outside with direct current particularly preferably from a high-voltage direct current cable (HVDC cable).
  • HVDC cable high-voltage direct current cable
  • a plurality of power converter modules - optionally via corresponding flange on the drive housing - coupled to the electric motor according to the power requirements of the electric motor used.
  • the total power of the converter modules can be scaled so particularly flexible according to the power requirement of the electric motor used.
  • An underwater propulsion system comprises at least one underwater unit or submarine unit according to the invention, wherein the power converter (s) is preferably connected to a land or sea based DC converter unit via a high voltage direct current transmission line for transmitting electrical power.
  • the DC converter unit may be connected to a high voltage power grid or stand alone grid, such as an offshore wind farm or a generator installed on a platform.
  • a core idea of the invention is u.a. It is a frequency converter which is arranged in the supply station at present conventional systems, from which the required electric drive power is transmitted by means of AC cable connection to a arranged on the seabed AC motor to split the frequency converter arranged in front of the supply cable.
  • the rectifier of the frequency converter is located at the input of the cable connection for converting the electrical energy taken from the supply network in the form of alternating voltage into direct current with high voltage.
  • This high voltage direct current (HVDC) is transmitted via a suitable cable connection to the power converter module, which is coupled to the particular electric motor used.
  • the high-voltage direct current transmission cable thereby forms the DC intermediate circuit of the frequency converter, the once DC-charged cable capacitance serving as additional DC link capacitance in the system according to the invention.
  • HVDC high-voltage direct-current transmission
  • the system according to the invention can also cover distances of more than 120 km. Furthermore, no traveling waves occur on the cable at HVDC.
  • underwater can also be constructed, for example in the field of oil or gas production, to provide a subsea supply network to which a number of systems according to the invention can be connected.
  • FIG. 1 shows a sketch of the typical field of use for an underwater drive according to the invention
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the construction of an underwater propulsion system according to the invention with the essential components.
  • FIG. 3 is a sectional view through an embodiment of an underwater drive unit according to the invention.
  • FIGS. 4a-4d is a perspective view of the structure of a power converter module for an underwater drive according to the invention.
  • FIGS. 5a, 5b each show a perspective view of the underwater drive unit of FIG. 3;
  • Fig. 6 is a perspective view of another embodiment of an underwater propulsion unit according to the invention with several power converter modules.
  • FIG. 1 is a sketch of the typical field of use for an underwater drive according to the invention, which provides a rough overview of the operating space of an underwater drive or underwater drive system according to the present invention. shows. On the top left, mainland 1 or possibly an island with a coastline 3 is shown, followed by an offshore area with predominantly or moderate water depths 5. At a greater distance from the coastline, deeper waters 7 are reached, which in the sense of the present application is understood to mean water depths of several 100 m, in particular more than 1000 m and more.
  • FIG. 1 also shows a high-voltage line section 10 (transmission line) for connection to a conventional high-voltage supply network (not shown), which ends at a head station 20.
  • a submarine cable 30 runs to an underwater pump 45 arranged on the seabed 9, which is driven by an underwater drive 40 according to the invention.
  • the underwater drive 40 in FIG. 1 is designed as an underwater drive unit consisting of a power converter module and a drive module.
  • the underwater pump 45 is in the illustrated scenario adjacent to a floating on the sea platform 50 for the promotion of under the seabed 9 befindli- ehern petroleum or natural gas.
  • Components of the head station 20, the submarine cable 30 and the underwater drive unit 40 according to the invention together form an underwater drive system according to the invention.
  • An underwater drive 100 essentially consists of a drive module 110 with an electric motor, which according to the invention is supplied by a converter module 120 in spatial proximity with the required electrical drive power.
  • the underwater drive 100 according to the invention can be supplied on the input side with high-voltage direct current, which is reorganized by the power converter module 120 into a suitable current for driving the electric motor of the drive module 110.
  • the high-voltage direct current is supplied to the underwater propulsion unit 100 at the seafloor, ie at depths of several 100 m, in particular more than 1000 m below sea level 130, by means of a high-voltage direct current transmission, HVDC, submarine cable 140 with high-voltage direct current.
  • HVDC high-voltage direct current transmission
  • the system is, for example, in the manner shown in FIG. known high voltage AC power grid 150, ie an AC network with voltages above 100 kV, for example.
  • a switching device 160 for disconnection from or connection to the high-voltage AC power supply network 150, a matching transformer 170 and a current rectifier (AC / DC) 180 for rectifying the transformed alternating current from in the example shown in FIG
  • the components current rectifier 180, HVDC submarine cable 140 and power converter module 120 functionally correspond essentially to an inverter which has been spatially split, the DC voltage intermediate circuit essentially being from the HVDC -Seetent 140 is formed.
  • the underwater drive unit 200 consists of a drive module 250 with an electric motor 256 to which, according to the invention, a power converter module 210 is flanged for integration into the underwater drive unit 100 by means of a mechanical interface / connection.
  • the power converter module 210 is located in a cylindrical pressure housing 212 in the interior 226 of which the interconnected electronic components or components of the power converter module are located. It is generally assumed that the circuit technology required here, that is to say for converting a power converter which forms an alternating current suitable for driving an electric motor 256 from a high-voltage direct current, is known to the person skilled in the art and therefore need not be described in detail here .
  • On the left side of the pressure housing 212 are bushings 214 for a the implementation of the power supply terminals 213 of the submarine cable (Fig. 1, 30) for supplying the power converter module 210 with high-voltage direct current and one or more communication terminals 215 possibly for external control signals or over- monitoring / sensor signals of the converter provided.
  • the power supply terminals 213 are connected to a DC voltage intermediate circuit 217 of the power converter and the communication terminal or terminals 215 are connected to the terminal 219 of a control and / or sensor unit. Furthermore, an additional DC link capacitor 216 is indicated in the interior 226, which is connected substantially directly to the DC link 217.
  • power semiconductors 218 for example IGBT modules
  • heat conducting means 220 are shown, which are mounted on heat conducting means 220 in order to dissipate the heat loss occurring during operation of the power converter in the power semiconductors 218.
  • the heat conducting means 220 are formed on the side opposite the power semiconductors 218 complementary to the shape of the inner wall of the pressure housing 212, so that the power semiconductors 218 supporting heat conducting means 220 are positively connected to the inner wall of the pressure housing 212 in contact. This ensures optimum heat dissipation from the power semiconductors 218 to the pressure housing jacket in contact with the surrounding seawater.
  • output lines 222 of the converter module 210 are indicated which lead via suitable high-voltage high-pressure feedthroughs 224 from the pressure housing 212 of the converter module 210 into the drive housing 252 of the drive module 250.
  • a corresponding flange connection 254 is designed as a mechanical interface, which is configured to hermetically connect the pressure housing 212 of the power converter module 210 to the pressure housing 252 of the electric motor 256.
  • the interior 226 (interior) of the pressure housing 212 of the power converter module 210 is designed substantially without pressure, d. H. in the interior 226 of the power converter module 210 there is a lower pressure than the prevailing external pressure due to the water depth in the field of use.
  • the interior 226 may also be equipped with a shielding gas such as e.g. Be filled with argon.
  • the drive module 250 is shown with the in-side electric motor 256, which may be, for example, an asynchronous machine, a synchronous machine, a hybrid synchronous machine, a reluctance machine, a stepping motor or a permanent-magnet synchronous motor. All of these motors consist essentially of a drive housing 252 arranged in the th stator 258 and a rotatably mounted in the stator rotor 260, which is at least in two places with corresponding bearing means, such as radial bearings 262, 264, stored.
  • bearing means such as radial bearings 262, 264
  • the interior 266 of the drive housing 252 is preferably filled with a cooling fluid such as a mixture of water and glycol, or alternatively, a suitable oil.
  • a cooling fluid such as a mixture of water and glycol, or alternatively, a suitable oil.
  • a heat exchanger 268 or cooler is additionally provided in the exemplary embodiment shown in FIG. 3, which is provided outside the drive housing 252, d. H. in accordance with the operation in seawater, is arranged.
  • the heat exchanger 268 is hydraulically connected to the interior 266 of the drive housing 252 via corresponding fluid lines 270, 272.
  • the occurring during operation in the engine heat loss absorbing fluid can be transported via the fluid line 270 to the heat exchanger 268 as an active cooling element, there transfer the heat loss to the surrounding seawater and then returned cooled in the fluid line 262 back into the interior 266 of the drive housing 252 become.
  • the active cooling could take place with the cooler or heat exchanger 268 with a corresponding arrangement also inherently dynamic as in a gravity heating.
  • a Axialspurlagercase designed as impeller 274 on the right side of the electric motor 256 a Axialspurlagercase designed as impeller 274, so that during operation of the electric motor 256, a conveying effect for the cooling fluid is generated, whereby the fluid is forced through the fluid line 270 into the heat exchanger 268 and is pushed back from there via the fluid line 272 into the interior of the drive housing 255.
  • FIG. 4 illustrates in subsections a) to d) the schematic structure of the power converter of an underwater drive according to the present invention in a perspective view.
  • the focus is particularly on the aspect of dissipation of the heat loss occurring during operation of the power converter, in particular the power semiconductors 306 and braking resistors (310) for the electric motor directed.
  • the interior of the power converter 300 is optimized essentially with regard to optimum loss of power dissipation.
  • cooling element 302, 304 is complementary to the shape of the inner surface of the pressure housing (whose inner contour 330 is indicated in section d) of the power converter are adapted.
  • These cooling elements 302, 304 are essentially heat conductors produced from a good heat-conducting material, to which the power semiconductors 306 and braking resistors 310 are mounted with a thermally conductive contact surface, so that loss heat occurring in the interior of these components during operation is immediately dissipated without heat accumulation to the respective cooling element 302, 304 is discharged, which in turn form-fitting and large area, in particular a significantly larger effective area with the inner wall of the pressure housing in contact than the corresponding components 302, 304 on the entire contact surface with the respective cooling element 302 and 304 have.
  • the cooling elements 302 and 304 are optimized in terms of their heat conduction and therefore preferably made of copper or aluminum or a similarly good heat conducting metal or a good heat conducting metal alloy.
  • the braking resistors 310 serve to implement the generator power generated during braking of the electric motor, ie when it is operating in generator mode, in heat. To avoid overheating of the components of the power converter, this power loss is similar to the power loss of the power semiconductor 306 discharged via the corresponding cooling element 304 to the wall of the pressure housing for the power converter.
  • the representations in FIG. 4 show the optimized use of space according to the invention with simultaneous optimized heat dissipation in the power converter module according to the invention for the underwater drive according to the invention.
  • FIGS. 5a and 5b each show an exemplary embodiment of an underwater drive unit 500 according to the invention in a perspective view.
  • 5a shows the cylindrical pressure housing of a power converter module 510, in which, according to the present invention, a power converter is arranged, which converts the DC current provided by a high-voltage direct current transmission path and transmitted by high voltage into a suitable, preferably three-phase, alternating current, FIG. which is suitable for applying an electric motor arranged in the drive module 520.
  • the housings of the power converter module 510 and of the drive module 520 are connected to a mechanical interface by means of a flange connection 530, so that the electrical supply lines and optionally control and / or sensor lines of the power converter module 510 can be carried out within the entire arrangement in the interior of the drive module 520.
  • the heat exchanger 540 or cooler arranged outside the drive module 520 is fluidically coupled to the interior of the drive module 520 with respective fluid lines 542, 544, so that the electric motor is actively cooled by the circulating fluid during operation.
  • the underwater drive unit 500 On the right side is still the emerging from the underwater drive unit 500 drive shaft 550 can be seen, which can be mechanically connected to a driven working unit.
  • the underwater drive unit 500 according to the invention can be used as a drive for an underwater pump as a working unit.
  • FIG. 5 b shows the underwater drive unit 500 of FIG. 5 a from a different angle, so that the feedthroughs 570 for the connections for the high-voltage direct current supply 572 and possibly also communication connections 574 for a control and / or monitoring line are shown.
  • 6 is a perspective view of an underwater propulsion unit 600 according to the invention in which a total of four power converter modules 510a, 510b, 510c, 510d are used to provide a higher power converter output power.
  • a power converter module 510 according to the invention can in principle be optimized with respect to the space requirement on the size (ie as small or as compact as possible).
  • the power of a power converter module is essentially determined by the current capacity of the available power semiconductors (for example, IGBTs or IGCTs), and therefore, within certain limits, can only be designed for a certain maximum power at a certain available installation space.
  • the electrical drive power required for this purpose can now be represented by a corresponding scaling by means of the number of power converters used, depending on the power requirement of the electric motor used.
  • a central power judge module 510a next to the flange 530 for connection to the drive module 520 further flange 531, 532, 533 provided to the according to the power demand more - in Fig. 6 three -. Power converters are connected. As a result, a total power of four times the amount of a single power converter can be achieved in the illustrated embodiment.
  • the scalable embodiment of FIG. 6 nevertheless provides a central interface for connecting the high-voltage direct current supply or a communication connection for control, sensor, and / or communication lines.

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Abstract

Unterwasserantriebseinheit für Offshore-Einsatz umfassend ein Antriebsmodul mit einem Elektromotor in einem Antriebsgehäuse, wenigstens ein Stromrichtermodul mit in einem Druckgehäuse angeordneter Leistungs- und Steuerelektronik zur Wandlung von Gleichstrom in Wechselstrom für den Elektromotor, wobei das Innere des Druckgehäuses druckfrei und das Innere des Antriebsgehäuses im Wesentlichen mit dem jeweiligen Umgebungsdruck beaufschlagt ist, und wobei Leistungshalbleiter des Stromrichtermoduls thermisch über Wärmeleitmittel an die Innenwandung des Druckgehäuses zur Verlustwärmeabfuhr gekoppelt sind. Unterwassermotorsystem mit einer erfindungsgemäßen Unterwasserantriebseinheit, wobei die Unterwasserantriebseinheit, nämlich der oder die Stromrichter über eine Hochspannungsgleichstromübertragungsleitung zur Übertragung elektrischer Leistung mit einer Land- oder See-gestützten Gleichstromrichtereinheit verbunden ist/sind.

Description

Unterwasserantriebseinheit für Offshore-Einsatz mit Hochspannungsgleichstromversorgung sowie Unterwasserantriebssystem
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft einen Unterwasserantrieb für den Offshore-Einsatz gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft weiter ein Unterwassermotorsystem gemäß Anspruch 18.
Die Erfindung betrifft besonders einen Unterwasserantrieb und ein Unterwassermotorsys- tem für einen Einsatz in großen Wassertiefen, insbesondere von 1000 m Wassertiefe und mehr, zur Bereitstellung mechanischer Antriebsleistung, bevorzugt von mehreren 100 kW, besonders bevorzugt von 1 MW und mehr, für beispielsweise auf dem Meeresgrund installierten Unterwasserpumpen zur Erdöl bzw. Erdgasförderung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Auf dem Gebiet der Offshore-Öl- und Gasförderung vollzieht sich zurzeit aufgrund rückgängiger Öl- bzw. Erdgasvorkommen an Land bzw. im küstennahen Bereichen ein Trend zur Erschließung von Vorkommen im entfernteren Offshore-Bereich, insbesondere darüber hinaus in den Bereich großer Wassertiefen, d.h. von 1000 m Wassertiefe und mehr.
Eine Herausforderung der hierfür benötigen technischen Einrichtungen besteht in den extremen Anwendungsbedingungen aufgrund der in solch hohen Wassertiefen von über 1000 m und mehr herrschenden Drücke von entsprechend mehren 100 bar und mehr. Aufgrund auf diesem technischen Gebiet noch wenigen Erfahrungen mit dem Einsatz elektrischer Einrichtungen wie elektrischer Antriebsmotoren und der zugehörigen Steuerungselektronik bei diesen Wasserdrücken, bestehen zahlreiche Herausforderungen bzgl. der technischen Umsetzung und vor allem hinsichtlich deren Zuverlässigkeit.
Eine der technischen Herausforderungen besteht in der Übertragung bzw. dem Transport der benötigten elektrischen Energie zu auf dem Meeres- bzw. Seegrund eingesetzten Antriebsmotoren für unterschiedlichste Anwendungen wie beispielsweise den Antrieb von Unterwasserpumpen. Dabei müssen mit steigenden Entfernungen beim Offshore-Einsatz von der landgestützten Versorgungsstation sowie zunehmender Wassertiefe bis zum Unterwassermotor Distanzen von 100 km und mehr überbrückt werden.
Ein Einsatz derzeit üblicher Übertragungstechnik bei Wechselstromübertragung ist aufgrund der induktiven bzw. kapazitiven Leitungsbeläge fraglich. Die Ableitströme im Übertragungskabel bei Wechselstromübertragung sind bekanntlich abhängig von der Übertra- gungsfrequenz, wobei ein Kabel vereinfacht als großer Kondensator verstanden werden kann. Wird an ein Kabel bei offenem Ende eine Eingangsspannung eingelegt, so fließt ein entsprechender Ladestrom, der als Blindstrom in jeder Halbwelle zur entsprechenden Aufladungs- und Entladevorgängen im Kabel führt, wobei dieser wechselnde Ladestrom linear mit der Höhe der Übertragungsspannung, der Länge des Übertragungskabels sowie der Frequenz der angelegten Spannung ansteigt. Dieser Umladestrom als kapazitiver Blindstrom ist zwar ein echter messbarer Strom, der auch zu entsprechenden Verlusten im Kabel führt, überträgt jedoch keine Wirkleistung sondern verdrängt sogar den mit der Wirkleistung assoziierten Wirkstrom im Kabel. Theoretisch kann der Blindstrom bei entsprechend benötigten Kabellängen bis zur Höhe des Kabelnennstromes anstei- gen, was dazuführt, dass eine Wirkleistungsübertragung ohne entsprechend aufwendige Kompensationsmaßnahmen auf der Kabelstrecke ausgeschlossen ist. Praktisch lässt sich zeigten, dass ein sinnvoller Einsatz einer Wechselstromleistungsübertragung auf Kabellängen je nach Rahmenbedingung der zu übertragenden Wechselspannung auf Distanzen von 90 bis 130 km beschränkt ist. Eine grundsätzliche Möglichkeit die bekannte Wechselstromübertragung zu verbessern, besteht darin, die Übertragungsfrequenz des Wechselstroms zu verringern, um die kapazitive Wirkung des Kabels zu reduzieren. Bei Halbierung der Frequenz wäre grundsätz- lieh eine Halbierung des kapazitiven Ableitstroms des Kabels möglich, was ca. zu einer Verdopplung der möglichen Kabelgrenzlänge in der Praxis führen würde.
Derzeit praktisch verfügbare und bekannte Unterwasserlösungen bestehen daher im Wesentlichen in einer landgestützten oder Seeplattform gestützten Ankopplung an ein Hochspannungsversorgungsnetz bzw. Inselnetzt über einen Anpasstransformator, wobei über eine Frequenzumrichter die dem Netz entnommene elektrische Energie als Wechselstrom über ein Wechselstromseekabel zu einem am Meeresgrund befindlichen Wechselstrommotor transportiert wird.
Wie vorstehend erwähnt, stellt das Übertragungskabel zur Übertragung der notwendigen elektrischen Leistungen zum seegrundgestützten Antriebsmotor aufgrund der hohen Ableitströme im Kabel einen Flaschenhals dar. Des Weiteren können im Wechselstrom Kabel gefährliche Wanderwellen auftreten, die zu Isolationsschäden am seegestützten Wechselstrommotor führen können, was aufgrund der extrem schwierigen Wartungsmöglichkeiten ein schwer kalkulierbares Risiko darstellt. Des Weiteren kann es zu Resonan- zen und Instabilitäten zwischen dem Frequenzumrichter und der Impedanz des Übertragungskabels kommen, was zu Ausfall des Frequenzumrichters und in Folge dessen wiederum zum Ausfall des am Meeresgrund eingesetzten Motors führen kann.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Unterwasserantrieb sowie ein Unterwasserantriebssystem, besonders für den Offshore-Einsatz, insbesondere in großen Wassertiefen von 1000 m und mehr, für die Übertragung von elektrischer Energie für Antriebsleistungen von mehreren 1000 kW, bevorzugt über 1 MW, beispielsweise zum Antrieb einer Unterwasserpumpe vorzuschlagen. Dabei soll sich das System insbesondere für den Einsatz in weit von der Küste entfernten Bereichen eignen, d. h. eine effiziente Übertragung der benötigten elektrischen Energie sollte auch über 100 km und mehr möglich sein.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorstehende Aufgabe wird mit einem Unterwasserantrieb gemäß dem Anspruch 1 und hinsichtlich des Unterwasserantriebsystems gemäß dem Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den sich jeweils anschließenden Unteransprüchen angegeben. Der erfindungsgemäße Unterwasserantrieb bzw. das erfindungsgemäße Unterwasserantriebssystem ermöglicht die Bereitstellung der im Bereich des Meeresbodens benötigten Antriebsenergie mittels Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ). Damit ist insbesondere die Übertragung elektrischer Antriebsenergie über größere Entfernungen, d.h. über die bei Wechselstromübertragung technisch bedingte Grenze von 120 km und mehr von einer landgestützten oder auch seeplattform- bzw. schiffgestützten Energieversorgungsstation über ein HGÜ-Kabel zum Unterwasserantrieb als bisher möglich.
Ein erfindungsgemäßer Unterwasserantrieb für den Offshore-Einsatz weist hierzu auf: ein Antriebsmodul mit einem Elektromotor in einem Antriebsgehäuse und wenigstens ein Stromrichtermodul mit in einem Druckgehäuse angeordneter Leistungs- und Steuerelektronik zur Wandlung von Gleichstrom in für den Elektromotor geeignete Stromart, d.h. mit der für den eingesetzten Elektromotor geeigneten Frequenz, Stromstärke und Spannungshöhe, wobei erfindungsgemäß elektronische Bauteile mit hoher Verlustleistung wie Leistungshalbleiter des Stromrichtermoduls thermisch über Wärmeleitmittel an die In- nenwandung des Druckgehäuses zur Verlustwärmeabfuhr gekoppelt sind.
Hinsichtlich des Stromrichters sei angemerkt, dass hier im Wesentlichen eine Schaltungsanordnung zur Umformung einer ersten elektrischen Stromart in eine andere mit Hilfe elektronischer Bauelemente, insbesondere Leistungshalbleiter wie Transistoren, Dioden und Thyristoren bezeichnet wird. Im Sinne der Erfindung wird als die erste elektri- sehe Stromart eingangsseitig zugeführter Hochspannungsgleichstrom verwendet, der vom Stromrichter in für den verwendeten Elektromotor geeigneten Strom, d.h. mit der für den eingesetzten Elektromotor geeigneten Frequenz, Stromstärke und Spannungshöhe, umgewandelt wird. Die andere Stromart kann daher je nach eingesetztem Motor wiederum ein Gleichstrom aber auch ein Wechselstrom sein. Ein Stromrichter im Sinne der Erfindung ist daher nicht nur ein Wechselrichter oder Inverter für die Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom sondern auch ein Umrichter zur Umwandlung von Gleichstrom in Gleichstrom. Besonders bevorzugt kann der Stromrichter so ausgeführt werden, dass der Stromrichter je nach Bedarf ohne Umbauten als Wechselrichter oder Umrichter arbeiten kann. Dazu kann die eingangsseitig zugeführte elektrische Energie in Form des Hochspannungsgleichstroms in einem Gleichspannungszwischenkreis, zum Beispiel in Zwischenkreiskondensatoren gespeichert werden. Bei der Erfindung ist bereits das HGÜ-Seekabel ein Teil dieses Gleichspannungszwischenkreises. Hinsichtlich des Stromrichtermoduls sei noch angemerkt, dass sich für die Leistungshalbleiter besonders solche Halbleiter eignen, die hohe Ströme bei hohen Spannungen im Wesentlichen ohne aufwändige Ansteuerelektronik ermöglichen, um einen Stromrichter mit besonders geringer Raumanforderung zu ermöglichen. Dafür eigenen sich IGBT- Halbleiterschalter besonders gut. Ein IGBT ist ein im Wesentlichen ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT), bei dem sich Vorteile eines Bipolartransistors wie gutes Durchlassverhalten, hohe Sperrspannung und Robustheit mit Vorteilen eines Feldeffekttransistors wie eine nahezu leistungslose Ans- teuerung vereinen. Da IGBT-Halbleiter nur eine elektrisch isolierte Bodenplatte besitzen, lassen sich derartige IGBT-Halbleiter mit der zu kühlenden Seite besonders einfach und vorteilhaft auf die erfindungsgemäßen Kühlmittel montieren, um die im Betrieb entstehende Verlustwärme abzuführen. Es können auch andere geeignete Leistungshalbleiterschalter wie z.B. IGCT-Halbleiter im Stromrichter verwendet werden. Ein IGCT ist im Wesentlichen ein Thyristor (Integrated Gate Commutated Thyristor, IGCT) und eine Weiterentwicklung des Gate-Turn-Off (GTO) Thyristor. Der IGCT kann mit einem positiven Stromimpuls an einem Steuereingang eingeschaltet und mittels eines negativen Stromimpulses wieder ausgeschaltet werden. Diese Abschaltmöglichkeit vereinfacht die Ansteuerelektronik und vermeidet die sogenannten Löschschaltungen klassischer Thyristorelektronik. Im Zusammenhang mit der Verlustleistungsabfuhr ist anzumerken, dass im Druckgehäuse des Stromrichters weitere elektrische Bauelemente mit hoher Verlustleistungsabgabe wie zum Beispiel Bremswiderstände für den Elektromotor angeordnet werden können, die ebenfalls thermisch prinzipiell in der gleichen Weise wie die Leistungshalbleiter über die Wärmeleitmittel an die Innenwandung des Druckgehäuses zur Verlustwärmeabfuhr gekoppelt sind.
In das Druckgehäuse des Stromrichtermoduls können neben dem Stromrichtermodul weiter wenigstens eines der folgenden Neben- bzw. Hilfseinheiten angeordnet sein: Zwischenkreisfilter, Ausgangsfilter, Stromsensoren, Spannungssensoren, Hilfsspan- nungsversorgungen, Steuerelektronik, elektronische Schnittstellen, einen oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren und dergleichen.
Die Wärmeleitmittel für die elektronischen Bauteile mit hoher Verlustleistung wie die oben genannten Leistungshalbleiter des Stromrichtermoduls können als komplementär an die Innenwandung des Druckgehäuses angepasste Wärmeleitkörper ausgebildet sein. Für die Wärmeleitkörper eignet sich besonders gut wärmeleitendes Material, wie Kupfer, Aluminium oder dergleichen bzw. eine entsprechende Legierung. So können die Leistungshalbleiter des Stromrichtermoduls über die an die Innenwandung des Druckzylinders angepassten Wärmeleitmittel thermisch an den Druckzylinder gekoppelt werden. Die im Betrieb des Stromrichtermoduls sich besonders in den Leistungshalbleitern entwickelnde Verlustleistungswärme kann somit über die Außenfläche des Druckzylinders an die Umgebung, d. h. das Meerwasser abgeführt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Innenraum des Antriebsgehäuse oder Teilebereiche davon mit einem Fluid, d.h. einer Flüssigkeit wie zum Beispiel einem Öl, Wasser, Glykol, eine Mischungen aus Wasser und Glykol und dergleichen, oder einem Gas wie zum Beispiel einem Schutzgas oder Fördermedium wie beispielsweise Erdgas befüllt.
Das Fluid kann als Kühlfluid vorgesehen sein, wobei der Elektromotor im Wesentlichen im Kühlfluid angeordnet und bevorzugt nahezu vollständig von Kühlfluid umgeben ist. So kann im Betrieb des Elektromotors entstehende Verlustleistung schnell an das Kühlfluid und von diesem über die Wandung des Antriebsgehäuses wiederum an das umgebenden Meerwasser abgegeben werden. Auch kann das Kühlfluid zusätzlich Schmiereigenschaften aufweisen, sodass Lager der Motorwelle im Betrieb vom Kühlfluid geschmiert werden. Das Fluid kann auch ein Gas sein, wobei der Elektromotor im Wesentlichen vom Gas umgeben ist, d.h. das Antriebsgehäuse ist gasbefüllt. Das Gas dient dabei im Wesentli- chen der Schmierung der Motorlager. Es ist auch möglich, dass Teilbereiche des Antriebsgehäuses mit dem Kühlfluid gefüllt sind, um die im Betrieb des Elektromotors auftretende Verlustwärme abzuführen und Teilbereiche des Antriebsgehäuses, in denen sich Lager des Elektromotors befinden, gekapselt und mit einem Gas zur Lagerschmierung befüllt sind. In bestimmten Ausführungen ist das Innere des Druckgehäuses druckfrei und/oder ist das Innere des Antriebsgehäuses im Wesentlichen mit dem jeweiligen Umgebungsdruck beaufschlagt.
Grundsätzlich können die Gehäuse des Antriebmoduls und des Stromrichters voneinander getrennt ausgeführt werden, d.h. am Meeresboden derart in räumlicher Nähe zuei- nander angeordnet sein, dass die mittels einer elektrischen Verbindung, d.h. wenigstens mittels Stromversorgungsleitung(en), zu überbrückende Distanz zwischen Antriebsmodul und Stromrichtermodul im Vergleich zur HGÜ-Kabelstrecke vernachlässigbar ist. Selbst beim Einsatz von Wechselstrommotoren können dabei die im Gesamtsystem benötigten Wechselstromkabelstrecken in einem Längenbereich gehalten werden, bei dem die eingangs geschilderten Nachteile der Wechselstromübertragung noch nicht ins Gewicht fallen. In einer bevorzugten Ausführung sind das wenigstens eine Druckgehäuse des wenigstens einen Stromrichters und das Antriebsgehäuse des Elektromotor mittels einer mechanischen Schnittstelle bzw. Verbindung, z.B. in Form jeweiliger aneinander angepass- ter Flanschverbindungen, gekoppelt. Dabei kann die elektrische Verbindung zwischen dem Antriebsmodul und dem wenigstens einen Stromrichtermodul in diese mechanische Schnittstelle bzw. Verbindung integriert und entsprechend geschützt ausgeführt werden. Hierzu können in der Flanschverbindung beispielsweise druckfeste Durchführungen für Stromversorgungsleitungen und ggf. Steuer- und/oder Sensorleitungen für den Elektromotor vorgesehen sein. Über die Stromversorgungsleitung(en) wird vom Stromrichter für den Elektromotor geeignet erzeugter Antriebsstrom dem Elektromotor zugeführt. Bei dieser integrierten Ausführung bilden das Antriebsmodul und das wenigstens eine Stromrichtermodul eine Unterwasserantriebseinheit.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Innenraum des Antriebsgehäuses mit einem Wärmetauscher hydraulisch gekoppelt. Damit kann die Verlustwärme des Elektromotors mittels des Kühlfluids noch effektiver über den, bevorzugt außerhalb des Antriebsgehäu- ses angeordneten, Wärmetauscher an die Umgebung, insbesondere an Meerwasser, abgeführt werden. Hierzu zirkuliert das Kühlfluid in einem Kühlkreislauf, der aus dem Innenraum des Antriebsgehäuses und den Wärmetauscher sowie den entsprechenden Verbindungsleitungen besteht.
Das Kühlfluid kann eine Kühlflüssigkeit sein, die bevorzugt chemisch und/oder elektrisch inaktiv ist. Beispielsweise kann als Kühlflüssigkeit eine Wasser-Glykol-Mischung verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Ausführung, bei der das wenigstens eine Druckgehäuse des wenigstens einen Stromrichters und das Antriebsgehäuse des Elektromotor mittels einer mechanischen Schnittstelle bzw. Verbindung gekoppelt sind, weist die Wandung des Druckgehäuses für das Stromrichtermodul Kühlkanälen auf, die mit dem Kühlkreislauf für den Elektromotor kommunizieren. Somit kann das Druckgehäuse des Strom richtermoduls vom Kühlsystem für den Elektromotor aktiv gekühlt werden. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung können die Kühlkanäle sich auch in die Wärmeleitmittel als Träger der Leistungshalbleiter des Wechselstromrichtermoduls zur Verbesserung der thermischen Ankopplung erstrecken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Druckgehäuse im Wesentlichen zylinderförmig. Somit ist der Einbauraum für das Stromrichtermodul im Wesentlichen ein Druckzylinder mit entsprechend zylinderförmiger Innenwandung. Zusätzlich oder alternativ ist das Antriebsgehäuse ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet.
Hinsichtlich der Dimensionierung des Antriebsgehäuse für den Elektromotor ist anzumerken, dass das Gehäuse unter der Voraussetzung dimensioniert werden kann, dass es im Einsatz mit dem jeweiligen in der Einsatztiefe herrschenden Umgebungsdruck beaufschlagt ist. Beispielsweise wird es in 1000 m Wassertiefe mit ca. 101 bar Innendruck beaufschlagt. Bevorzugt ist das Druckgehäuse für den Stromrichter für einen druckfreie Verwendung ausgelegt, d.h. für den Einsatz in großen Wassertiefen von 1000 m und mehr, ist das Druckgehäuse bevorzugt für einen Außendruck von 500 bis 600 bar, be- sonders bevorzugt bis zu 1000 bar ausgelegt.
Hinsichtlich des Elektromotors ist anzumerken, dass dieser für die bevorzugten Anwendungen wie beispielsweise Unterwasserpumpen eine Leistungsaufnahme von mehreren 100 kW, besonders bevorzugt über 1 MW, insbesondere ca. 5 MW Leistung besitzen kann. Folglich muss der Antriebseinheit vom Stromrichter eine entsprechende elektrische Leistung zugeführt werden, wobei der Stromrichter wiederum erfindungsgemäß mittels seines Hochspannungsgleichstromanschlusses versorgt wird.
Als Elektromotor kann bevorzugt ein Wechselstrommotor wie ein Asynchronmotor bzw. ein Hybridsynchronmotor, oder auch ein Gleichstrommotor zur Anwendung kommen. Besonders bevorzugt besitzt der Elektromotor einen Rotor mit Permanentmagneten. Selbstverständlich sind auch andere Motorarten denkbar. Wie bereits erläutert, ist das Stromrichtermodul entsprechend dem jeweils zum Einsatz kommenden Elektromotor ausgelegt, d.h. bei einem Wechselstrommotor ist der Stromrichter ein Wechselrichter, der aus dem eingangsseitig zugeführten Hochspannungsgleichstrom den für den Wechselstrommotor passenden Wechselstrom formt. Im Falle eines Gleichstrommotors wandelt der Stromrichter den eingangsseitig zugeführten Hochspannungsgleichstrom in den benötigten Gleichstrom für den Elektromotor. Damit ist der erfindungsgemäße Unterwas- serantrieb besonders für die jeweilige Anwendung flexible auslegbar. Dies wird insbesondere durch die modulare Ausführung des Antriebs und des Stromrichters begünstigt.
Das wenigstens eine Druckgehäuse des wenigstens einen Stromrichters weist bevorzugt ein druckfestes Anschlussterminal auf, über das der Stromrichter von Außen mit Gleich- ström besonders bevorzugt aus einem Hochspannungsgleichstromkabel (HGÜ-Kabel) gespeist werden kann.
In einer besonderen Weiterbildung sind mehrere Strom richtermodule - gegebenenfalls über entsprechende Flanschverbindungen am Antriebsgehäuse - mit dem Elektromotor entsprechend des Leistungsbedarfs des eingesetzten Elektromotors gekoppelt. Die Gesamtleistung der Stromrichtermodule kann so besonders flexibel entsprechend dem Leistungsbedarf des verwendeten Elektromotors skaliert werden.
Ein erfindungsgemäßes Unterwasserantriebsystem weist wenigstens einen Unterwasserantrieb bzw. eine Unterwasserseinheit gemäß der Erfindung auf, wobei der oder die Stromrichter bevorzugt über eine Hochspannungsgleichstromübertragungsleitung zur Übertragung elektrischer Leistung mit einer Land- oder See-gestützten Gleichstromrichtereinheit verbunden ist. Die Gleichstromrichtereinheit kann mit einem Hochspannungsversorgungsnetz oder Inselnetz, beispielsweise einem Offshore-Windpark oder einem auf einer Plattform installierten Generator verbunden sein.
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht u.a. darin, einen bei derzeit üblichen Systemen in der Versorgungsstation angeordneten Frequenzumrichter, von dem die benötigte elektrische Antriebsleistung mittels Wechselstromkabelverbindung zu einem am Meeresboden angeordneten Wechselstrommotor übertragen wird, den vor dem Versorgungskabel angeordneten Frequenzumrichter aufzuspalten. Am Eingang der Kabelverbindung sitzt erfindungsgemäß nur der Gleichrichter des Frequenzumrichters zur Wandlung der vom Versorgungsnetz entnommenen elektrischen Energie in Form von Wechselspannung in Gleichstrom mit Hochspannung. Dieser Hochspannungsgleichstrom (engl. High Voltage Direct Current, HVDC) wird über eine geeignete Kabelverbindung zum Stromrichtermodul, das mit dem jeweils eingesetzten Elektromotor gekoppelt ist, übertragen.
Das Hochspannungsgleichstromübertragungskabel bildet dabei den Gleichstromzwi- schenkreis des Frequenzumrichters, wobei die einmal gleichstromaufgeladene Kabelkapazität im erfindungsgemäßen System als zusätzliche Zwischenkreiskapazität dient. Mit dem erfindungsgemäßen System können aufgrund der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) auch Entfernungen von über 120 km überbrückt werden. Weiter treten bei HGÜ keine Wanderwellen auf dem Kabel auf. Darüberhinaus kann bei der HGÜ-Technik auch Unterwasser beispielsweise im Bereich der Öl- oder Gasförderung ein Unterwas- serversorgungsnetzt aufgebaut werden, an das mehrere erfindungsgemäße Systeme angebunden werden können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Zeichnungsfiguren, die lediglich mögliche Ausführungsbeispiele veranschaulichen und keinesfalls die vorliegende Erfindung auf die dargestellten Ausführungen beschränken sollen, erläutert. Dabei bedeuten Begriffe wie „oben", „unten" bzw. „rechts", „links" Richtungsangaben, die sich auf die Zeichnungsdarstellung mit normal lesbaren Bezugszeichen beziehen. In den Zeichnungsfiguren zeigen:
Fig. 1 eine Skizze des typischen Einsatzgebiets für einen erfindungsgemäßen Unterwasserantrieb;
Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Unterwasserantriebssystems mit den wesentlichen Komponenten;
Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Unterwasserantriebseinheit;
Fign. 4a - 4d eine perspektivische Darstellung des Aufbaus eines Stromrichtermoduls für einen erfindungsgemäßen Unterwasserantrieb;
Fign. 5a, 5b je eine perspektivische Darstellung der Unterwasserantriebseinheit der Fig. 3;
Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Unterwasserantriebseinheit mit mehreren Strom richtermodulen .
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN DER ERFINDUNG
Fig. 1 ist eine Skizze des typischen Einsatzgebiets für einen erfindungsgemäßen Unterwasserantrieb, welche einen groben Überblick über den Einsatzraum eines Unterwasserantriebs bzw. Unterwasserantriebssystems gemäß der vorliegenden Erfindung veran- schaulicht. Links oben ist Festland 1 oder ggf. eine Insel mit einer Küstenlinie 3 dargestellt, an die sich ein küstennaher Bereich mit vorwiegend oder moderaten Gewässertiefen 5 anschließt. Mit weiterem Abstand von der Küstenlinie werden tiefere Gewässer 7 erreicht, wobei hierunter im Sinne der vorliegenden Anmeldung Wassertiefen von mehreren 100 m, insbesondere über 1000 m und mehr verstanden wird. In der Fig. 1 ist weiter eine Hochspannungsleitungsstrecke 10 (Überlandleitung) zur Anbindung an ein übliches Hochspannungsversorgungsnetz (nicht dargestellt) dargestellt, die an einer Kopfstation 20 enden.
Von der Kopfstation 20 läuft ein Seekabel 30 zu einer am Meeresgrund 9 angeordneten Unterwasserpumpe 45, die mit einem erfindungsgemäßen Unterwasserantrieb 40 angetrieben wird. Der Unterwasserantrieb 40 in Fig. 1 ist als Unterwasserantriebseinheit bestehend aus einem Stromrichtermodul und einem Antriebsmodul ausgeführt. Die Unterwasserpumpe 45 befindet sich im dargestellten Szenario benachbart zu einer auf dem Meer schwimmenden Plattform 50 zur Förderung von unter dem Meeresgrund 9 befindli- ehern Erdöl bzw. Erdgas. Bestandteile der Kopfstation 20, das Seekabel 30 sowie die erfindungsgemäße Unterwasserantriebseinheit 40 bilden zusammen ein erfindungsgemäßes Unterwasserantriebssystem.
In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung des Aufbaus eines erfindungsgemäßen Unterwasserantriebssystems (vgl. Fig. 1 ) mit den wesentlichen Komponenten mit Symbolen für die wesentlichen Bestandteile als schematisches Blockdiagramm veranschaulicht. Ein Unterwasserantrieb 100 besteht im Wesentlichen aus einem Antriebsmodul 110 mit einem Elektromotor, der erfindungsgemäß von einem Stromrichtermodul 120 in räumlicher Nähe mit der benötigten elektrischen Antriebsleistung versorgt wird. Mittels des Stromrichtermoduls 120 kann der erfindungsgemäße Unterwasserantrieb 100 ein- gangsseitig mit Hochspannungsgleichstrom versorgt werden, der vom Strom richtermo- duls 120 in einen für den Antrieb des Elektromotors des Antriebsmoduls 110 geeignete Stromart umgerichtet wird.
Der Hochspannungsgleichstrom wird der am Meeresboden, d. h. im Sinne der vorliegenden Anmeldung in Wassertiefen von mehreren 100 m, insbesondere über 1000 m unter dem Meeresspiegel 130, angeordneten Unterwasserantriebseinheit 100 mittels eines Hochspannungsgleichstromübertragungs-, HGÜ-, Seekabels 140 mit Hochspannungsgleichstrom versorgt. Zur Bereitstellung des hierfür notwendigen Hochspannungsgleichstroms wird das System beispielsweise in der in Fig. 1 dargestellten Weise an ein be- kanntes Hochspannungswechselstromversorgungsnetz 150, d.h. ein Wechselstromnetz mit Spannungen über z.B. 100 kV, angebunden.
In der exemplarisch in der Fig. 1 dargestellten Kopfstation 20 sind gemäß Fig. 2 eine Schalteinrichtung 160 zur Trennung vom bzw. Verbindung mit dem Hochspannungs- wechselstromversorgungsnetz 150, ein Anpassungstrafo 170 sowie ein Stromgleichrichter (AC/DC) 180 zur Gleichrichtung des transformierten Wechselstroms aus dem Hochspannungsversorgungsnetz 150 in den benötigten Hochspannungsgleichstrom zur Weiterleitung über das HGÜ-Seekabel 140 zur Unterwasserantriebseinheit 100. Die Bestandteile Stromgleichrichter 180, HGÜ-Seekabel 140 und Stromrichtermodul 120 entsprechen funktional im Wesentlichen einem Wechselrichter, der räumlich aufgespalten wurde, wobei der Gleichspannungszwischenkreis im Wesentlichen vom HGÜ-Seekabel 140 gebildet ist.
Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Unterwasserantriebseinheit 200. Die Unterwasserantriebseinheit 200 besteht aus einem Antriebsmodul 250 mit einem Elektromotor 256, an das erfindungsgemäß ein Stromrichtermodul 210 zur Integration in die Unterwasserantriebseinheit 100 mittels einer mechanischen Schnittstelle/Verbindung angeflanscht ist.
Das Stromrichtermodul 210 befindet sich in einem zylinderförmigen Druckgehäuse 212 in dessen Inneren 226 sich die verschalteten elektronischen Komponenten bzw. Bauteile des Stromrichtermoduls befinden. Es wird grundsätzlich davon ausgegangen, dass die hier benötigte Schaltungstechnik, d.h. die zur Umsetzung eines Stromrichters, der aus einem Hochspannungsgleichstrom einen für den Antrieb eines Elektromotors 256 geeigneten Wechselstrom formt, für den Fachmann bekannt ist und daher an dieser Stelle nicht im Detail beschrieben werden muss. An der linken Seite des Druckgehäuses 212 sind Durchführungen 214 für zum einen die Durchführung der Stromversorgungsanschlüsse 213 des Seekabels (Fig. 1 , 30) zur Versorgung des Stromrichtermoduls 210 mit Hochspannungsgleichstrom als auch ein oder mehrere Kommunikationsanschlüsse 215 ggf. für externe Steuersignale bzw. Über- wachungs-/Sensor-Signale des Stromrichters vorgesehen. Im Stromrichtermodul 210 sind die Stromversorgungsanschlüsse 213 mit einem Gleichspannungszwischenkreis 217 des Stromrichters und der bzw. die Kommunikationsanschlüsse 215 mit dem Anschluss 219 einer Steuer- und/oder Sensoreinheit verbunden. Weiteren ist im Inneren 226 ein zusätzlicher Zwischenkreiskondensator 216 angedeutet, der im Wesentlichen direkt mit dem Zwischenkreis 217 verschaltet ist. Als weitere wesentliche Bestandteile des Stromrichtermoduls 210 sind Leistungshalbleiter 218 (beispielsweise IGBT-Module) dargestellt, die auf Wärmeleitmittel 220 montiert sind, um die im Betrieb des Stromrichters in den Leistungshalbleitern 218 auftretende Verlustwärme abzuführen.
Die Wärmeleitmittel 220 sind auf der den Leistungshalbleitern 218 gegenüberliegende Seite komplementär zur Form der Innenwand des Druckgehäuses 212 ausgebildet, sodass die die Leistungshalbleiter 218 tragenden Wärmeleitmittel 220 formschlüssig mit der Innenwand des Druckgehäuses 212 in Kontakt stehen. Damit ist eine optimale Wärmeableitung von den Leistungshalbleitern 218 zum mit dem umgebenden Meerwasser in Kontakt stehenden Druckgehäusemantel gewährleistet.
Weiter sind Ausgangsleitungen 222 des Stromrichtermoduls 210 angedeutet die über geeignete Hochspannungs-Hochdruckdurchführungen 224 vom Druckgehäuse 212 des Stromrichtermoduls 210 in das Antriebsgehäuse 252 des Antriebmoduls 250 führen.
Zwischen dem Druckgehäuse 212 des Stromrichtermoduls 210 und dem Druckgehäuse 252 des Antriebmoduls 250 ist als mechanische Schnittstelle eine entsprechende Flanschverbindung 254 ausgebildet, die eingerichtet ist, das Druckgehäuse 212 des Stromrichtermoduls 210 hermetisch mit dem Druckgehäuse 252 des Elektromotors 256 zu verbinden.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass das Innere 226 (Innenraum) des Druckgehäuses 212 des Stromrichtermoduls 210 im Wesentlichen drucklos ausgeführt ist, d. h. im Inneren 226 des Stromrichtermoduls 210 herrscht ein niedrigerer Druck als der aufgrund der Wassertiefe im Einsatzgebiet vorherrschende Außendruck. Das Innere 226 kann auch mit einem Schutzgas wie z.B. Argon gefüllt sein.
Auf der rechten Seite der Fig. 3 ist das Antriebsmodul 250 mit dem im innenliegenden Elektromotor 256 dargestellt, bei dem es sich beispielsweise um eine Asynchronmaschine, eine Synchronmaschine, eine Hybridsynchronmaschine, eine Reluktanzmaschine, einen Schrittmotor oder einen permanent erregten Synchronmotor handeln kann. Alle diese Motoren bestehen im Wesentlichen aus einem im Antriebsgehäuse 252 angeordne- ten Stator 258 sowie einen in dem Stator drehbar gelagerten Rotor 260, der wenigstens an zwei Stellen mit entsprechenden Lagermitteln, wie Radiallagern 262, 264, gelagert ist.
Der Innenraum 266 des Antriebsgehäuses 252 ist bevorzugt mit einem Kühlfluid wie beispielsweise einem Gemisch aus Wasser und Glykol oder alternativ einem hierfür geeigneten Öl gefüllt. Durch diese Maßnahmen ist der Elektromotor 256 im Wesentlichen mit all seinen Teilen vollständig vom Kühlfluid umspült, wodurch die im Betrieb in den Wicklungen des Motors auftretende Verlustwärme als Kühlmedium abgeführt werden kann.
Grundsätzlich kann ähnlich wie die im Stromrichtermodul 210 auftretende Verlustwärme über die dort vorgesehenen Kühlmittel an die Wandung des Druckgehäuses 212 abgeführt wird, die Verlustwärme des Elektromotors 256 auch im Antriebsgehäuse 252 über das Kühlmedium an die Wandung des Antriebsgehäuses übertragen und somit an das das Antriebsgehäuse umgebene Meerwasser abgegeben werden.
Zur Verbesserung der Kühlleistung ist jedoch im in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbei- spiel zusätzlich ein Wärmetauscher 268 bzw. Kühler vorgesehen, der außerhalb des Antriebsgehäuses 252, d. h. im stimmungsgemäßen Betrieb im Meerwasser, angeordnet ist. Der Wärmetauscher 268 ist über entsprechende Fluidleitungen 270, 272 hydraulisch mit dem Innenraum 266 des Antriebsgehäuses 252 verbunden. Somit kann das die im Betrieb im Motor auftretende Verlustwärme aufnehmende Fluid über beispielsweise die Fluidleitung 270 zum Wärmetauscher 268 als aktives Kühlelement transportiert werden, dort die Verlustwärme an das umgebende Meerwasser abgeben und anschließend gekühlt in der Fluidleitung 262 wieder in das Innere 266 des Antriebsgehäuses 252 zurückgeführt werden.
Grundsätzlich könnte die aktive Kühlung mit dem Kühler bzw. Wärmetauscher 268 bei entsprechender Anordnung auch eigendynamisch wie bei einer Schwerkraftheizung erfolgen. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch an der rechten Seite des Elektromotors 256 eine Axialspurlagerscheibe als Laufrad 274 ausgeführt, sodass im Betrieb des Elektromotors 256 eine Förderwirkung für das Kühlfluid erzeugt wird, wodurch das Fluid durch die Fluidleitung 270 in den Wärmetauscher 268 gedrückt und von dort über die Fluidleitung 272 in den Innenraum des Antriebsgehäuses 255 zurück gedrückt wird. Dadurch ergibt sich ein optimaler Kühlfluidkreislauf, der eine ausreichende Verlustwärmeabfuhr sicherstellt. Fig. 4 veranschaulicht in Teilabschnitten a) bis d) den schematischen Aufbau des Stromrichters eines Unterwasserantriebs gemäß der vorliegenden Erfindung in einer perspektivischen Darstellung. Es sei angemerkt, dass in den Teilabschnitten a) bis d) der Fig. 4 der Augenmerk besonders auf den Aspekt der Abfuhr der im Betrieb des Stromrichters auftretenden Verlustwärme, insbesondere der Leistungshalbleiter 306 bzw. Bremswiderstände (310) für den Elektromotor, gerichtet ist. Das Innere des Stromrichters 300 ist erfindungsgemäß im Wesentlichen hinsichtlich einer optimalen Verlustleistungsabfuhr optimiert.
Hierzu zeigen die Teilabschnitte der Fig. 4, dass Kühlelement 302, 304 komplementär zur Form der Innenoberfläche des Druckgehäuses (dessen Innenkontur 330 in Teilabschnitt d) angedeutet ist) des Stromrichters angepasst sind. Diese Kühlelemente 302, 304 sind im Wesentlichen aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellte Wärmeleitmittel, auf die mit einer wärmeleitenden Kontaktfläche die Leistungshalbleiter 306 bzw. Bremswiderstände 310 montiert sind, sodass im Inneren dieser Bauelemente im Betrieb auftretende Verlustwärme sofort ohne Wärmestau an das jeweiligen Kühlelement 302, 304 abgeführt wird, welche wiederrum formschlüssig und großflächig, insbesondere einer deutlich größeren Wirkfläche mit der Innenwandung des Druckgehäuses in Kontakt steht als die entsprechenden Bauelemente 302, 304 an gesamter Kontaktfläche mit dem jeweiligen Kühlelement 302 bzw. 304 besitzen. Die Kühlelemente 302 bzw. 304 sind hinsichtlich ihres Wärmeleitverhaltens optimiert und daher bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium oder einem ähnlich gut wärmeleitenden Metall bzw. einer gut wärmeleitenden Metalllegierung hergestellt.
Des Weiteren ist in der Fig. 4 gezeigt, dass beispielsweise ein Zwischenkreiskondensator 308, beispielsweise ein Ultracap, der direkt mit der eingangs zugeführten Hochspan- nungsgleichspannung verschaltet ist, zentral im Inneren des Stromrichters sandwichartig zwischen den beiden Baugruppen mit hohen Verlustleistungen (Leistungshalbleiter 306, Bremswiderstände 310) angeordnet ist.
Die Bremswiderstände 310 dienen zur Umsetzung der beim Abbremsen des Elektromotors, d.h. wenn dieser im Generatorbetrieb arbeitet, erzeugte Generatorleistung in Wär- me. Zur Vermeidung einer Überhitzung der Komponenten des Stromrichters wird diese Verlustleistung ähnlich wie die Verlustleistung der Leistungshalbleiter 306 über das entsprechende Kühlelement 304 an die Wandung des Druckgehäuses für den Stromrichter abgeführt. Damit zeigen die Darstellungen in Fig. 4 die erfindungsgemäße optimierte Raumnutzung bei gleichzeitiger optimierter Verlustwärmeabfuhr im erfindungsgemäßen Stromrichtermodul für den erfindungsgemäßen Unterwasserantrieb.
Die Figuren 5a und 5b zeigen jeweils ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Unterwasserantriebseinheit 500 in einer perspektivischen Darstellung. Fig. 5a zeigt das zylinderförmige Druckgehäuse eines Stromrichtermoduls 510, in dem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Stromrichter angeordnet ist, der den seitens einer Hochspan- nungsgleichstromübertragungsstrecke zur Verfügung gestellten und mittels Hochspannung übertragenen Gleichstrom in einen geeigneten, bevorzugt drei-phasigen Wechsel- ström umrichtet, der geeignet ist, einen im Antriebsmodul 520 angeordneten Elektromotor anzureiben.
Die Gehäuse des Stromrichtermoduls 510 und des Antriebsmoduls 520 sind an einer mechanischen Schnittstelle mittels einer Flanschverbindung 530 verbunden, sodass die elektrischen Versorgungsleitungen und gegebenenfalls Steuer- und/oder Sensorleitungen des Stromrichtermoduls 510 innerhalb der gesamten Anordnung in den Innenraum des Antriebsmoduls 520 durchgeführt werden können.
Des Weiteren ist der außerhalb des Antriebsmoduls 520 angeordnete Wärmetauscher 540 bzw. Kühler zu erkennen der mit jeweiligen Fluidleitungen 542, 544 mit dem Innenraum des Antriebsmoduls 520 fluidisch gekoppelt ist, sodass der Elektromotor im Betrieb durch das zirkulierende Fluid aktiv gekühlt wird.
Auf der rechten Seite ist noch die aus der Unterwasserantriebseinheit 500 austretende Antriebswelle 550 zu erkennen, die mit einer anzutreibenden Arbeitseinheit mechanisch verbunden werden kann. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Unterwasserantriebseinheit 500 als Antrieb für eine Unterwasserpumpe als Arbeitseinheit verwendet werden.
Fig. 5b zeigt die Unterwasserantriebseinheit 500 der Fig. 5a aus einem anderen Blickwinkel, sodass die Durchführungen 570 für die Anschlüsse für die Hochspannungsgleichstromversorgung 572 sowie ggf. Kommunikationsanschlüsse 574 für eine Steuer- und/oder Überwachungsleitung gezeigt sind. Fig. 6 ist eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Unterwasserantriebseinheit 600, bei der zur Bereitstellung einer höheren Stromrichterausgangsleistung insgesamt vier Stromrichtermodule 510a, 510b, 510c, 510d eingesetzt werden. Damit kann ein erfindungsgemäßes Stromrichtermodul 510 grundsätzlich hinsichtlich des Platzbedarfes auf Baugröße (d.h. so klein bzw. kompakt wie mögliche) optimiert werden.
Die Leistung eines Stromrichtermoduls wird im Wesentlichen durch die Strom- bzw. Spannungsbelastbarkeit der zur Verfügung stehenden Leistungshalbleiter (z.B. IGBTs oder IGCTs) bestimmt und kann daher in bestimmten Grenzen bei einem bestimmten zur Verfügung stehenden Einbauraum nur für eine bestimmte maximal Leistung ausgelegt werden. Erfindungsgemäß kann nun je nach Leistungsbedarf des eingesetzten Elektromotors die hierfür notwendige elektrische Antriebsleistung durch eine entsprechende Skalierung mittels der Anzahl der eingesetzten Stromrichter dargestellt werden.
Hierzu sind bei dem Ausführungsbeispiel für die Unterwasserantriebseinheit 600 der Fig. 6 ein zentrales Strom richtermodul 510a neben der Flanschverbindung 530 zur Verbindung mit dem Antriebsmodul 520 weitere Flanschverbindungen 531 , 532, 533 vorgesehen, an die entsprechend dem Leistungsbedarf weitere - in Fig. 6 drei - Stromrichter angeschlossen sind. Dadurch kann im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Gesamtleistung vom vierfachen Betrag eines einzelnen Stromrichters erreicht werden.
Des Weiteren ist bei der skalierbaren Ausführung der Fig. 6 trotzdem eine zentrale Schnittstelle zum Anschluss der Hochspannungsgleichstromsversorgung bzw. ein Kom- munikationsanschluss für Steuer-, Sensor-, und/oder Kommunikationsleitungen vorgesehen.

Claims

A n s p r ü c h e
Unterwasserantrieb (100; 200; 500; 600) für Offshore-Einsatz aufweisend:
ein Antriebsmodul (1 10; 250; 520) mit einem Elektromotor (256) in einem Antriebsgehäuse (252),
wenigstens ein Stromrichtermodul (120; 210; 300; 510) mit in einem Druckgehäuse (212) angeordneter Leistungs- und Steuerelektronik zur Wandlung von Gleichstrom in eine zum Antrieb des Elektromotors (256) geeignete Stromart, wobei Leistungshalbleiter (218; 306) des Stromrichtermoduls (120; 210; 300; 510) thermisch über Wärmeleitmittel (220; 302) an die Innenwandung des Druckgehäuses (212) zur Verlustwärmeabfuhr gekoppelt sind.
Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) nach Anspruch 1 ,
wobei der Innenraum (226) des Druckgehäuses (212) druckfrei und/oder der Innenraum (266) des Antriebsgehäuses (252) im Wesentlichen mit dem jeweiligen Umgebungsdruck beaufschlagt ist.
Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei die Wärmeleitmittel (220; 302) komplementär an die Innenwandung des Druckgehäuses (212) angepasst sind und aus wärmeleitendem Material, bevorzugt Kupfer, Aluminium oder dergleichen bzw. einer Legierung davon bestehen.
Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Druckgehäuse (212) und/oder das Antriebsgehäuse (252) im Wesentlichen zylinderförmig ist bzw. sind.
Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Innenraum (226) des Antriebsgehäuse (252) zumindest teilweise mit einem Fluid oder einem Gas befüllt ist.
Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) nach Anspruch 5,
wobei das Antriebsgehäuse mit einem Kühlfluid wie beispielsweise einem Öl, Wasser, Glykol, einer Wasser-Glykol-Mischung oder dergleichen befüllt ist, sodass der Elektromotor (256) bevorzugt nahezu vollständig im Kühlfluid liegt, und
wobei der Innenraum (226) des Antriebsgehäuses (252) bevorzugt weiter mit einem Wärmetauscher (268; 540) hydraulisch gekoppelt ist, zur Abgabe von Verlustwärme des Elektromotors (256) mittels des Kühlfluids über den Wärmetauscher (268; 540) an die Umgebung, insbesondere an Meerwasser.
7. Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß Anspruch 6,
wobei die Wandung des Druckgehäuses (212) für das Stromrichtermodul (120; 210; 300; 510) Kühlkanälen aufweist, die mit dem Kühlkreislauf des Elektromotors (256) kommunizieren.
8. Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei im Druckgehäuse (212) weiter Bremswiderstände (310) für den Elektromotor (256) thermisch über die oder zusätzliche Wärmeleitmittel (304) an die Innenwandung des Druckgehäuses (212) zur Verlustwärmeabfuhr gekoppelt sind.
9. Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei im Druckgehäuse (212) neben der Leistungs- und Steuerelektronik des Stromrichtermoduls weiter wenigstens eine der folgenden Neben- bzw. Hilfseinheiten angeordnet ist:
Zwischenkreisfilter, Ausgangsfilter, Stromsensoren, Spannungssensoren, Hilfsspannungsversorgungen, Steuerelektronik, elektronische Schnittstellen, einen oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren und dergleichen.
10. Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Antriebsgehäuse (252) des Elektromotors (256) unter der Voraussetzung dimensioniert ist, dass es im Einsatz mit dem jeweiligen in der Einsatztiefe herrschenden Umgebungsdruck beaufschlagt wird.
11. Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Druckgehäuse (212) druckfrei ausgelegt ist, insbesondere für Einsatztiefen von über 1000 m, bevorzugt für einen Außendruck von 500 bis 600 bar, besonders bevorzugt von 1000 bar dimensioniert ist.
12. Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (256) eine Leistung von bevorzugt mehreren 100 kW, besonders bevorzugt mehreren Megawatt, insbesondere ca. 5 MW Leistung ausgelegt ist.
Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Elektromotor (256) ein Gleichstrommotor oder ein Asynchronmotoroder ein Hybridsynchronmotor, insbesondere ein Motor mit einem Rotor mit Permanentmagneten ist.
Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Druckgehäuse (212) und das Antriebsgehäuse (252) mittels aneinander angepasster Flanschverbindungen (254; 530) verbunden sind, und
wobei in die Flanschverbindung (254; 530) druckfeste Durchführungen (224) für die Stromversorgungsleitungen (222) des Elektromotors (256) für die vom Stromrichtermodul (120; 210; 300; 510) erzeugte Stromart integriert sind.
Unterwasserantriebseinheit (100; 200; 500; 600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das Druckgehäuse (212) ein druckfestes Anschlussterminal aufweist, um das Stromrichtermodul (120; 210; 300; 510) von Außen mit Gleichstrom aus einem Hochspannungsgleichstromkabel (30; 140) zu versorgen.
Unterwasserantriebseinheit (600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Stromrichtermodule (510a, 510b, 510c, 51 Od) über entsprechende Flanschverbindungen (530, 531 , 532, 533) mit dem Antriebsgehäuse des Antriebmoduls (520) entsprechend des Leistungsbedarfs des eingesetzten Elektromotors gekoppelt sind.
Unterwasserantriebseinheit (600) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15,
wobei ein erstes Strom richtermodul (510a) mit dem Antriebsgehäuse des Antriebmoduls (520) über eine erste Flanschverbindung (530) verbunden ist,
wobei das erste Stromrichtermodul (510a) weitere Flanschverbindungen (531 , 532, 533) zur Verbindung weiterer Stromrichtermodule (510b, 510c, 51 Od) aufweist, und
wobei entsprechend dem Leistungsbedarf des im Antriebsmodul (520) einge- setzten Elektromotors eine entsprechende Anzahl von Stromrichtermodulen (510b, 510c, 51 Od) an das erste Stromrichtermodul (510a) verbunden ist, deren Ausgangsleitungen im ersten Stromrichtermodul (510a) mit Stromversorgungsleitungen für den Elektromotor gekoppelt sind.
18. Unterwassermotorsystem (100; 200; 500; 600) mit einer Unterwasserantriebseinheit gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Unterwasserantriebseinheit, nämlich der wenigstens eine Stromrichter über eine Hochspannungsgleichstromübertragungsleitung (30, 140) zur Übertragung elektrischer Leistung mit einer Land- oder See-gestützten Gleichstromrichtereinheit (180) verbunden ist.
19. Unterwassermotorsystem (100; 200; 500; 600) gemäß Anspruch 18,
wobei die Gleichstromrichtereinheit (180) mit einem Hochspannungsversorgungsnetz (150) gekoppelt bzw. verbunden ist.
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