Til hovedinnhold

Tekst: seniorforsker Magnar Hernes

Olje- og gassproduksjonen foregår på stadig større havdyp. Når avstanden mellom fast eller flytende installasjon og havbunnsinstallasjonen i tillegg blir stor, må mer av det elektriske prosesseringsutstyret også bli plasserert på havbunnen, eksempelvis frekvensomformere for kompressormotorer.

Det kan være snakk om store enheter med ytelse på flere titalls megawatt. Etter hvert som enhetsytelsen øker og havdypene blir større, blir dette svære kolosser på flere hundre tonn.

Trykktolerante løsninger
Dersom dagens løsninger med kraftelektronikk under normalt atmosfærisk trykk (~1bar) blir benyttet, er vekten spesielt problematisk på grunn av de tykke stålveggene som må til for å kunne mestre trykkdifferansen mellom innsiden og utsiden av omformerkonteineren ved for eksempel 3000m dyp (~300 bar). Dette problemet blir vesentlig mindre ved bruk av trykktolerante løsninger, som illustrert i figuren. Her ser vi også at trykktolerante omformere også gir andre fordeler, så som enklere kjøleløsninger som følge av tynnere konteinervegger.

Sårbare komponenter
Målsettingen i " Feasible power electronics for demanding subsea applications" er å ta frem teknologi for å realisere trykktolerante løsninger for kraftelektroniske omformere for pålitelig drift ved 300 bar omgivelsestrykk (3000 m havdyp). Hovedfokuset er på å oppnå trykktoleranse for de komponentene som antas å være mest sårbare for trykkeksponering. For de kraftelektroniske kretsene er dette krafthalvlederne (eksempelvis IGBT), kondensatorer, driverkretser for IGBT (elektronikk) og sensorer (strøm, spenning, temperatur osv)

Hovedutfordringer
Hovedutfordringene ved realisering av trykktolerant kraftelektronikk er i første rekke knyttet til hvorvidt man lykkes med å realisere trykktolerante enkeltkomponenter. Hovedpoenget er at hele omformerstrukturen, inklusiv hulrom i alle enkeltkomponenter må fylles 100 prosent med en egnet isolasjonsvæske. Dette betyr at enkeltkomponenter, så som krafthalvlederne må modifiseres kraftig, ved for eksempel at standardkapslingen fjernes helt, eller punkteres og fylles med væske ved hjelp av vakuumering. Alle løsninger må verifiseres gjennom omfattende tester for å sikre at driftspåliteligheten opprettholdes.
 
Omfattende tester og eksperimenter
Prosjektet startet for tre år siden og viktige deloppgaver er gjennomført rundt identifisering av kritiske komponenter, og utprøving av alternative metoder for trykkompensering. 

Det er utført omfattende eksperimenter med trykktesting opp til 300bar av trykktilpassede enkeltkomponenter, inklusiv en spesialdesignet trykktolerant IGBT driver.  Det er også gjennomført omfattende driftstester i isolervæsken Midel@7131 av flere komplette omformermoduler tilpasset 300bar omgivelse i væske.

Spesialtank
En spesiell trykktank med lokk for gjennomføring av sterkstrøm og signal er under bygging, og når denne er ferdig går vi inn i en fase med langtidstesting av trykksatte testobjekter i drift.

Doktorgradsstudium
Parallelt med SINTEF-arbeidet gjør en PhD-student finansiert av prosjektet undersøkelser på krafthalvledere i direkte kontakt med isolervæsker. Da vil hovedfokus være på isolasjonsegenskaper når væsken utsettes for de steile spenningsflankene som er karakteristisk for krafthalvlederbrikkene som svitsjer.

Resultater
Resultater fra prosjektet ble presentert på kraftelektronikk-konferansen EPE 2009 i Barcelona i september.  Prosjektet er planlagt gjennomført innen utgangen av 2010 

 

Komplett kraftelektronisk krets klar for montering i trykktank.

Kontakt:
Magnar Hernes