Insbesondere eignet sich das Stromverteilungssystem für die Versorgung von elek- tronischen Baugruppen bei der Tiefsee-Olförderung, d. h. die Versorgung von elek- tronischen Baugruppen, die sich auf dem Meeresboden befinden. Deshalb wird im folgenden auf diese Anwendung Bezug genommen, obwohl das Stromverteilungssy- stem allgemein anwendbar ist.

Bei der Tiefsee-Olförderung können viele der zu steuernden Prozesse nicht zentral an einem Ort angeordnet werden. Ein Teil der elektrischen Ausrüstung befindet sich auf der Bohrinsel, ein weiterer Teil muß auf dem Meeresgrund in der Nähe der Bohrlöcher in druckfesten Behältern angeordnet werden, wobei der Abstand zwi- schen der Bohrinsel und der elektrischen Ausrüstung auf dem Meeresgrund zum Teil mehr als 1 km beträgt.

Die Energieversorgung der elektrischen Ausrüstung (Sensoren, kleine Motoren usw.) auf dem Meeresboden erfolgt dabei üblicherweise zentral über ein langes Seekabel mit einer Wechselspannung bei niedriger Frequenz (50 bis 60Hz) von der Bohrinsel aus. Auf dem Meeresboden wird die Energie dann sternförmig mit Hilfe eines Trans- formators zu den im allgemeinen n Endpunkten (Bohrlöcher) wiederum mit Kabeln verteilt. Durch geeignete Netzteile wird die Spannung an den n Endpunkten stabil- siert. An den Ausgängen der Netzteile sind verschiedene Verbraucher (Sensoren, kleine Motoren usw.) angeschlossen.

Ein verteiltes Stromversorgungssystem für derartige Anlagen muß sehr robust und zuverlässig sein, da ein Auswechseln des Systems auf dem Meeresboden nahezu unmöglich oder nur mit sehr hohem Kostenaufwand möglich ist. Die n Ausgänge des Systems müssen dabei einzeln kurzschtußfest sein und dürfen im Falle eines Kurz- schlusses (z. B. durch einen Steinschlag auf das verbindende Kabel zum Netzteil) keinesfalls zum Ausfall eines anderen Ausganges führen. D. h., selbst bei einem Kurzschluß von m Verbindungskabeln (m < n-1) darf die Funktionstüchtigkeit des verbleibenden Ausganges nicht beeinträchtigt werden. Auch ein Teilkurzschluß ist denkbar, wenn z. B. ein Stein die Isolierung der stromführenden Leiter durchtrennt und dadurch einen mitunter beträchtlicher Stromfluß durch das leitfähige das Kabel umgebende Meerwasser hervorruft. In einem solchen Fall kann sich insgesamt ein Strom in der Zuleitung und im Verteiltransformator einstellen, der zwar nicht zum Auslösen einer Sicherung auf der Bohrinsel führt (z. B. das zwei-bis dreifache des Nennstromes) wohl aber zur dauerhaften Beschädigung durch Überhitzung des Stromverteilungssystems auf dem Meeresgrund führen kann.

Nachfolgend wird beispielhaft zur Beschreibung des Stromverteilungssystems die Anzahl der Endpunkte zu n = 4 gewählt. Sowohl zur Erläuterung des Standes der Technik, als auch anschließend zur Beschreibung der Erfindung.

Bei kleinen zu übertragenden Leistungen (z. B. < 10 W pro Ausgang) stellt man übli- cherweise die Kurzschlußfestigkeit durch in Reihe zu den Kabeln angeordneten Bi- metallschalter sicher, die direkt mit dem sekundärseitigen Anschluß des Transfor- mators verbunden sind, bei einem Kurzschlußstrom öffnen und danach mit der dem Bimetallschalter spezifischen Zeitkonstante immer wieder zu-und abschalten. Bei höheren Leistungen (z. B. 1 kW pro Ausgang) ist dieses Verfahren zur Sicherung der Kurzfestigkeit nicht mehr möglich. Es sind folglich andere schaltungstechnische oder konstruktionstechnische Maßnahmen notwendig, um die Kurzschlußfestigkeit sicher- zustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stromversorgungssystem, ins- besondere für Anwendungen in der Tiefsee-Olförderung anzugeben, mit dem die Anforderungen bezüglich Kurzschlußfestigkeit bei hohem Wirkungsgrad und bei au- ßerdem geringen Herstellungskosten erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein inhärent kurzschlußfestes Stromversorgungssystem mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltun- gen sind in weiteren Ansprüchen angegeben.

Eine besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich bei Verwendung eines Verteil- transformators mit vier Sekundärwicklungen, weil dann ein UU-förmiger Kern ver- wendet werden kann und eine gleichmäßig verteilte Wicklungsanordnung auf einfa- che Weise möglich ist. Eine weitere Beschreibung der Erfindung und vorteilhafter Ausgestaltungen erfolgt nachstehend anhand der Zeichnungsfiguren.

Es zeigen : Fig. 1 ein Stromversorgungssystem nach dem Stand der Technik, Fig. 2 eine Abwandlung des bekannten Stromversorgungssystems, Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Stromversorgungssystem, Fig. 4 eine bevorzugte Wicklungsanordnung auf einem Verteiltransformator mit vier Sekundärwicklungen, Fig. 5 eine Schaltungsanordnung eines zweistufigen Netzteils für den Anschluß der jeweiligen elektronischen Baugruppe, und Fig. 6 eine Schaltungsanordnung eines einstufigen Netzteils.

Fig. 1 zeigt ein Stromversorgungssystem nach dem Stand der Technik. Es besteht im einfachsten Fall aus einer auf einer Bohrinsel befindlichen Spannungsquelle 101, z. B. einem Dieselgenerator auf der Bohrinsel, mit der Quellenspannung u1 (t) und dem Quellenstrom ii (t) sowie einem Transformator 102, der mit dem Generator ver- bunden ist und mit dem die vom Generator erzeugte Quellenspannung auf ein höhe- res Niveau angehoben werden kann. Der Transformator 102 kann mehrere Abgriffe auf der Sekundärseite aufweisen, um die sekundärseitige Spannung u2 (t) und den sekundärseitigen Strom i2 (t) in Abhängigkeit der Lastverhältnisse auf dem Meeres- boden anzupassen. An der Sekundärseite des Transformators 102 ist ein Ende eines Tiefsee-Zuleitungskabels 103 angeschlossen. Das andere Ende des Tiefsee- Zuleitungskabels 103 ist mit der Primärseite eines in einem druckfesten Gehäuse 106 untergebrachten Verteiltransformators 104 auf dem Meeresboden verbunden.

Die sekundärseitige Spannung u2 (t) des Transformators 102 und die primärseitige Spannung u3 (t) des Verteiltransformators 104 unterscheiden sich je nach Bela- stungszustand des Stromverteilungssystems in Betrag und Phase. Mit i3 (t) ist der Primärstrom des Verteiltransformators 104 bezeichnet.

Der sekundärseitige Anschluß des Verteiltransformators 104 weist eine Spannung u4 (t) und einen Strom i4 (t) auf. An dem sekundärseitigen Anschluß sind gewöhnlich in Parallelschaltung die einzelnen Ausgänge S1 bis S4 des Verteiltransformators 104 mit einem jeweils in Reihe geschalteten Bimetallschalter 105 angeschlossen. An den Ausgängen des Druckbehälters 106 stellt sich jeweils eine Spannung usi (t) und ein Strom is ; (t) (i = 1.... 4) ein. An allen Ausgängen ist wiederum jeweils ein Ende eines Tiefsee-Verbindungskabels 107 angeschlossen, mit dessen anderem Ende die ei- gentlichen Verbraucher mittels eines Netzteils 108 in jeweiligen druckfesten Tiefsee- Elektronikmodulen 109 versorgt werden können. Mit ups1 bis uPS4 sind die Eingangs- spannungen der jeweiligen Netzteile 108 bezeichnet, mit UDC1 bis UDC4 die Ausgangs- Gleichspannungen der Netzteil.

Es wäre bei größeren zu übertragenden Leistungen zwar möglich, die bekannten einfachen, bei Kurzschluß ansprechenden Bimetallschalter 105 durch elektronische Kurzschlußstrombegrenzer, z. B. durch einen in Abhängigkeit des Laststromes ge- steuerten Leistungstransistor zu ersetzen. Dafür wäre allerdings zum einen immer eine die Zuverlässigkeit des Systems reduzierende Hilfsenergieversorgung notwen- dig, mit der die Ansteuerleistung auch bei einem Kurzschluß geliefert werden kann.

Zum anderen würden durch derartige aktive Kurzschlußstrombegrenzer zusätzliche Wärmequellen hervorgerufen, die einer entsprechenden Kühlung bedürften.

Auf einen aktiven Kurzschlußstrombegrenzer kann prinzipiell verzichtet werden, wenn an Stelle eines Verteiltransformators 104 für jeden Ausgang ein separater Verteiltransformator 204 verwendet wird. Fig. 2 zeigt eine derartige Anordnung. Die einzelnen Verteiltransformatoren 204 sind primärseitig in Reihe geschaltet, so daß bei gleichen Belastungen der individuellen Ausgänge und gleichen Transformatoren 204 eine gleichmäßige Verteilung der Primärspannung usi bis U34 erzielt werden kann. Die Komponenten 201 bis 203, sowie 206 bis 209 stimmen mit den entspre- chend bezeichneten Komponenten 101 bis 103 sowie 106 bis 109 der Fig. 1 überein.

Wird z. B. im Falle einer Störung ein Verteiltransformator-Ausgang kurzgeschlossen, reduziert sich die Spannung an diesem Ausgang deutlich, bzw. kann diese bei einem Kurzschluß direkt an den Ausgangsklemmen sogar zu Null werden. Dieser Kurz- schluß hat einen Kurzschlußstrom zu Folge, der aufgrund der parasitären Parameter des Verteiltransformators (Streuinduktivität und Wicklungswiderstand) einen Span- nungsabfall hervorruft. Dieser Spannungsabfall ist dann gleich der restlichen an der Primärwicklung des betroffenen Transformators 204 liegenden Spannung. Auf Grund der Maschenregel für elektrische Netzwerke werden sich die anderen Spannungen an den Primärseiten der nicht betroffenen Transformatoren 204 entsprechend erhö- hen, so daß sich dadurch auch die Sekundärspannungen an diesen Transformatoren ändern. Die nachgeschalteten Netzteile 208 an den nicht kurzgeschlossenen Aus- gängen müssen diese Spannungsvariationen ausgleichen können. Dieser Sachver- halt soll an Hand eines Beispieles weiter verdeutlicht werden. Zu diesem Zweck wird angenommen, daß vor dem Störfall die folgenden Bedingungen gelten.

Alle Transformatoren weisen die gleichen Parameter auf Alle Ausgänge werden jeweils mit einer Leistung Psio (i = 1... 4) belastet.

Auf Grund der symmetrischen Verhältnisse werden sich an den Primärwicklungen der Transformatoren 204 die gleichen Spannungen u3zo (t) einstellen. Nach der Ma- schenregel für den Primärkreis folgt also : und damit u3go (t) = 4 Nimmt man vereinfacht und ohne Verlust der Aligemeingültigkeit an, daß das Über- setzungsverhältnis eines jeden Transformators ü = 1 ist, läßt sich jeder Transforma- tor durch ein Ersatzschaltbild gemäß der Darstellung nach 210 repräsentieren. Bei einer Last Psio an jedem der Ausgänge wird sich folglich jeweils ein Strom isio (t) und primär der Strom iso (t) einstellen, der an den parasitären Parametern eines jeden Transformators einen Spannungsabfall u-rrio (t) hervorruft.

Dieses symmetrische Verhältnis wird gestört, wenn z. B. Ausgang S1 kurzgeschlos- sen wird. Dann wird im schlimmsten Fall us1 (t) = 0, und es wird sich der sekundärsei- tige Kurzschlußstrom isik (t) und demzufolge auch der primärseitige Kurzschlußstrom i3k (t) einstellen. Der Kurzschlußstrom ruft einen Spannungsabfall UTr1k (t) hervor, der dann gleich der Spannung u31k (t) ist. Wegen usik (t) < u310 (t) ist folglich auch die Symmetrie nicht mehr gewähneistet und usik (t) > u3io (t) (i = 2... 4) stellt sich ein, so daß auch usik (t) > usso (t) (i = 2... 4) unmittelbar folgt.

Der sich einstellende Kurzschlußstrom kann durch die Transformatorparameter"ge- steuert"werden. D. h., bei einem Transformator mit geringer Streuung (= harte Kopplung) wird sich ein großer Kurzschlußstrom einstellen. Bei einem Transformator mit hoher Streuung (= weiche Kopplung) wird der Spannungsabfall über dem sekun- därseitig kurzgeschlossenen Transformator größer. Dadurch verringert sich dann der Kurzschlußstrom entsprechend. Dieses Verhalten ist bei Transformatoren bekannt und soll deshalb nicht weiter diskutiert werden. Des weiteren wird ein höherer Strom i3k (t) auch einen höheren Spannungsabfall längs des Tiefsee-Zuleitungskabels 203 und am auf der Bohrinsel befindlichen Transformator 202 hervorrufen, so daß sich das gesamte System selbst stabilisieren kann. Dies gilt bei entsprechender Ausle- gung auch dann, wenn 3 der 4 Ausgänge kurzgeschlossen sind. Allerdings wird die Spannung des verbleibenden Ausganges dann näherungsweise der Spannung3 (t) entsprechen (abzüglich der Spannungsabfälle durch die kurzgeschlossenen Aus- gänge). Analoge Betrachtungsweisen kann man durchführen, wenn z. B. einzelne Ausgänge nicht belastet werden. Auch hier ist dann mit Schwankungen der sekun- därseitigen Ausgänge zu rechnen. Die nachgeschalteten Netzteile müssen also ei- nen weiten Eingangsspannungsbereich aufweisen (etwa 1 : 4), damit alle Schwan- kungen durch die Last ausgeglichen werden können.

Ein Nachteil der in Fig. 2 gezeigten und durch Abwandlung der bekannten Schaltung gemäß Fig. 1 entstandenen Schaltung besteht darin, daß auf Grund der unterschied- lichen zu erwartenden Belastungszustände im Prinzip jeder Transformator 204 für die volle Eingangsspannung ausgelegt werden muß. Sonst muß mit einer Sättigung des Kernmaterials mindestens eines Transformators gerechnet werden. Dies sollte im Hinblick auf eine vermeidbare weitere Erwärmung und einen hohen sich einstel- lenden Magnetisierungsstrom grundsätzlich vermieden werden, denn es würde zum Ausfall des Gesamtsystems bei Kurzschluß eines Transformator-Ausganges führen.

Zudem fließt ein Kurzschlußstrom durch alle primärseitigen Wicklungen der Trans- formätoren 204, so daß zur Reduzierung der Verlustleistung ein großer Kupferquer- schnitt verwendet werden muß. Sowohl die Auslegung des Kernmaterials für die volle Eingangsspannung als auch die Auslegung der primärseitigen Wicklungen für einen sich einstellenden Kurzschlußstrom würden zu einem großen Volumen des Druckbehälters führen. Der mit einer Schaltung nach Fig. 2 erreichbare Verzicht auf einen aktiven (und wohl auch kleinvolumigen) Kurzschlußstrombegrenzer führt dem- zufolge zu einer großvolumigen passiven Anordnung. Ein wesentlicher Vorteil kann also durch ein passives System gemäß Fig. 2 nicht unbedingt erreicht werden.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung, mit der die Nachteile der Anordnung nach Fig. 2 vermieden werden. Dabei wird anstelle von z. B. vier Einzel- transformatoren 204 ein einziger Verteiltransformator 304 angeordnet, der eine Pri- märwicklung 304. 1 und mehrere, im Beispiel vier Sekundärwicklungen 304. 2 auf- weist, also je anzuschließender Verbindungsleitung 307 eine Sekundärwicklung 304. 2. Die übrigen dargestellten Komponenten entsprechen wiederum denjenigen der Fig. 2.

Damit der angestrebte Effekt, nämlich inhärente Kurzschlußfestigkeit erreicht wird, muß bei einer Anzahl n Ausgänge S1 bis Sn die Ausführung der Wicklungen so ge- staltet sein, daß jeweils auf einem Schenkel des Kerns 304. 3 ein Wicklungspaket angeordnet ist, das ein n-tel der Windungen der Primärwicklung 304. 1 und vollstän- dig eine der Sekundärwicklungen 304. 2 enthält.

Fig. 4 zeigt beispielhaft eine geeignete Wicklungsausführung für den Fall n=4.

Fig. 4 zeigt einen UU-förmigen Kern 402 eines Verteiltransformators, dessen vier Kernschenkel jeweils ein Wicklungspaket 401 tragen. Jedes Wicklungspaket 401 weist einen Spulenkörper 403 auf, auf dem ein Primärwicklungs-Viertel 404 aufge- bracht ist. Darüber befindet sich eine Isolation 405 mit der eine gewünschte Kopp- lung zwischen dem Primärwicklungsanteil 404 und einer darüber aufgebrachten Se- kundärwicklung 406 (entspricht 304. 2 der Fig. 3) einstellbar ist.

Bei einem Kurzschluß eines der Ausgänge S1 bis S4 (Fig. 3) verhält sich jeder durch Kern 402 und Wicklung 401 gebildete Teiltransformator im Prinzip wie ein ein- zein'er Transformator 204 nach Figur 2. Die primärseitige Spannung des kurzge- schlossenen Transformators verringert sich, die anderen Teilspannungen erhöhen sich entsprechend. Da alle Teilwicklungen auf einem Kern angeordnet worden sind, muß das Kernmaterial nur einmal genau für die maximal zu erwartende Primärspan- nung ausgelegt werden. Der Kurzschlußstrom kann durch die Kopplung der einzel- nen Teiltransformatoren eingestellt werden. Einen kurzschlußstrombegrenzenden Einfluß üben auch das Tiefsee-Zuleitungskabel 303 und der Transformator 302 auf der Bohrinsel aus, der zur weiteren Strombegrenzung auch mit einer in Reihe zur Sekundärwicklung des Transformators 302 angeordneten Drosselspule ausgeführt werden kann.

Durch das so gebildete lineare System wird-analog wie im Falle der Anordnung nach Figur 2-die Ausgangsspannung der einzeln Ausgänge von der Belastung der anderen Ausgänge abhängen. Es muß daher im Beispiel von einem Eingangsspan- nungsbereich von 1 : 4 für die nachgeschalteten Netzteile 308 ausgegangen werden.

Bei den hier betrachteten höheren Ausgangsleistungen kommen für die Stabilisie- rung der Ausgangsspannung Schaltnetzteile in Frage, mit denen die variable Ein- gangsspannung ups verlustarm (und je nach Anforderung auch potentialfrei) zu einer stabilisierten Ausgangsgleichspannung UDC umgeformt werden kann.

Geeignete Schaltungstopologien zur Realisierung der Schaltnetzteile 308 (Fig. 3) sind in den Figuren 5 und 6 dargestellt.

Fig. 5 zeigt ein zweistufiges Netzteil, wobei die erste Stufe (Boost-Konverter) selbst bei variabler Eingangswechselspannung noch eine stabilisierte Zwischenkreisspan- nung, die höher ist als der höchste zu erwartende Spitzenwert der Eingangswech- selspannung, bei gleichzeitig sinusförmiger Stromaufnahme erzeugt. Die zweite Stufe stellt die Potentialtrennung sicher und garantiert ein wählbares Niveau der Ausgangsspannung. Eine detaillierte Beschreibung der dargestellten und dem Fachmann geläufigen Schaltungsstufen erübrigt sich.

Fig. 6 zeigt ein einstufiges Konzept zur Realisierung des Netzteils 308 mit einer Buck-Boost Funktion. Bei dieser Topologie (SEPIC-Konverter) kann die Ausgangs- spannung einen Wert annehmen, der kleiner ist als der höchste zu erwartende Spit- zenwert der Eingangswechselspannung (Buck-Funktion). Gleichzeitig kann eine si- nusförmige Stromaufnahme gewährleistet werden.

Die in Fig. 4 dargestellte und hier beschriebene Lösung stellt somit eine kostengün- stige Realisierung dar, mit der die eingangs gestellten Forderungen erfüllt werden.

Stromverteilungssysteme gemäß der Fig. 1 werden üblicherweise zusätzlich für eine hochfrequente Power Line Kommunikation genutzt. Wenn im Kurzschlußfall Leitun- i gen abgeschaltet werden, ist die Kommunikation unterbrochen. Bei der erfindungs- gemäßen Anordnung erfolgt dagegen im Fehlerfall keine Abschaltung, so daß vor- teilhaft weiterhin eine Kommunikation zwischen dem jeweiligen Elektronikmodul 309 und der Bohrinsel möglich ist.

Vorteilhaft ist weiterhin, daß der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Verteiltransfor- mator 304 so ausgeführt werden kann, daß ein druckfestes Gehäuse entbehrlich ist, wodurch eine weitere Kostenreduzierung erreichbar ist.