一種井下非接觸電能信號耦合傳輸裝置的設計*

孟 巍，張國強，菅志軍，李春楠

(1.中海油田服務股份有限公司油田技術研究院 北京 101149；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司工程技術作業中心 天津 300459)

0 引 言

在石油鉆井井下工具中，經常需要在相互旋轉的兩部分之間傳遞電能和信號。有線連接無法適用于旋轉部件之間的電連接；而傳統的電刷滑環方式，由于需要封閉旋轉軸與不旋轉部件之間的泥漿通道，需要設計旋轉動密封的結構，可靠性很差，在鉆井井下工作條件下，容易產生動密封的失效，影響設備的可靠性及使用壽命[1]。

本文主要介紹無線電能與信號傳輸技術在石油鉆井井下儀器中的應用。為了實現井下儀器旋轉軸與不旋轉部件之間電能和信號的非接觸式傳輸，設計了一種基于電磁感應原理的非接觸電能信號耦合傳輸裝置。該裝置的初級線圈及電路安裝在旋轉軸上，次級線圈及電路安裝在不旋轉部件上，初級線圈與次級線圈之間有泥漿介質通過。此裝置對推靠式旋轉導向工具是不可或缺的，國內已有多家石油研究院與高校對其進行了研究[2-4]。由于本裝置采用非接觸式傳輸方式，無需設置動密封，減少了電刷之間產生電火花的現象并可減少磨損，進而提高了設備的可靠性。

1 工作原理

非接觸電能信號耦合傳輸裝置結構功能框圖如圖1所示。通過非接觸式電磁耦合將初級輸入的直流電源傳送到次級，為次級所連其它設備提供電源，并在兩個部件之間建立雙向半雙工通信。其原理主要是利用高頻電磁感應技術、電力電子技術和信號調制解調技術，在相對轉動的內外環結構間實現非接觸的電能信號傳遞。

圖1 裝置功能框圖

2 電磁機構設計

非接觸式電磁耦合傳輸裝置結構示意圖如圖2所示，其初級線圈及其電路安裝固定在旋轉部件上，次級線圈及其電路安裝固定在不旋轉部件上。旋轉部件與不旋轉部件采用兩組軸承隔離相互間的運動。

將裝置設計成電能和信號分別單獨傳輸，即采用兩組磁芯和線圈，分別對電能和信號進行耦合傳輸，這樣可以減少電能與信號在傳輸時的互相干擾。

同時，考慮到旋轉導向工具是圓柱形的，因此將耦合裝置的內筒和外筒都設計成圓筒結構，分別安裝到驅動軸上和不旋轉外套上，兩個圓筒橫截面形成一對近似同心圓。將磁芯線圈分別安裝到耦合裝置內筒外表面和外筒內表面，這樣可以形成一個較為閉合的磁路。磁芯采用磁環的形式，內筒線圈繞在內筒外表面的磁芯形成的槽里，外筒線圈繞在外筒內表面的磁芯形成的槽里，繞線槽示意圖如圖3所示。

圖2 裝置結構示意圖

圖3 繞線槽示意圖

同時考慮到實際機構中導線腔高度限制，以及井下劇烈振動的環境，在繞線方式方面，該裝置采用如圖4所示的排繞方式。

圖4 內筒的繞線方式示意圖

在磁芯材料的選擇上，一般常用的磁性材料有鐵氧體，鐵粉芯，恒導合晶，非晶態合晶及硅鋼片等[5]。根據系統特性以及工作需求，最后選用軟磁鐵氧體作為系統的磁芯材料。 磁芯材料的指標見表1。材料電磁性能采用H25×15×10樣環測試；有效磁路長度Le=60.2 mm；有效截面積Ae=48.9 mm2。

表1 裝置磁芯材料指標

為了達到理想傳輸的效率，線圈上的交流電流必須有較高頻率。當繞組中通過高頻電流時，高頻電流在導線中產生的磁場在導線中感應出電動勢，越接近中心區域，感應出的電動勢越大。由于感應的電動勢在閉合電路中產生感應電流，與原來的電流相抵消。越接近導線中心，感應電流越大，所以在靠近導線外表面處才有較大電流，由表面到中心的電流越來越小，甚至沒有電流，從而形成一種趨膚效應。研究表明，高頻電流的趨膚效應意味著導線的有效截面積減小，工作頻率越高，交變電流的實際電阻也越大。

為了避免趨膚效應，經常采用的方法是用截面之和等于單導線的多根較細導線絞合。多根較細的導線是互相絕緣的漆包線，這樣絞合而成的線叫做李茲線，這樣就可以有效減少趨膚效應的影響。

根據實際應用環境的要求，要求李茲線溫度適應范圍: -40～175 ℃ (要求單股漆包線及絞合后線纜外部高溫漆不會融化，脫落，以免造成絕緣失效。該李茲線絞合形式為螺旋式結構。

3 電能耦合傳輸模塊設計

能量耦合傳輸電路主要利用了基于電磁感應原理的ICPT技術和現代電力電子技術中高頻逆變技術及開關電源技術。其原理框圖如圖5所示。

圖5 電能耦合傳輸電路工作原理設計框圖

工作基本流程：

1)初級輸入的直流電源，通過ZVS諧振逆變電路將其變換成高頻交流電流，在初級的能量發射電磁線圈內形成時變的電磁場，發射交變電磁能量。

2)初級和次級線圈不在一個磁芯上，原次級形成了High-Leakage變壓器，但兩者之間有較高的互感，保證了能量的傳輸。通過電磁感應，在次級的能量拾取線圈中產生相應頻率的正弦感應交流電動勢。

3)次級傳輸進來的正弦交流電動勢，經過AC-DC開關電路，形成指定的直流輸出。

耦合器電能傳輸電路的初級部分的主電路采用推挽式電流饋送并聯諧振電路[6]，如圖6所示。

圖6 初級電能電路原理圖

圖6中輸入所接的大電感相比諧振電感大不少，可以看作是恒流的電流源在給諧振回路交替注入方波電流，所以初級也叫電流型逆變電路。該逆變電路由Q1和Q22個MOSFET構成2個開關，形成PUSH-PULL拓樸電路。Lp與Cp分別為系統能量發射線圈電感和線圈補償電容，它們構成LC并聯諧振回路。Q1與Q2 2個開關管交替導通，以Cp上電壓過零點為切換的觸發條件，實現開關器件的ZVS(Zero Voltage Switch，零電壓開關)控制，有效減小了開關損耗。

初級主電路關鍵能量器件的選擇非常重要，直接關系到主電路的工作參數和性能。

次級電能電路的功能是將次級部分接收到的交流電整流濾波成直流電，再通過穩壓電路穩壓成48 V(系統要求)的直流電。

基于AC-DC開關電源的次級電能電路框圖如圖7所示。它以AC-DC開關電源為核心，由整流模塊、濾波模塊、DC-DC開關穩壓主電路、開關電路控制電路、反激變換器輔助供電電路組成。其中DC-DC開關穩壓主電路以BUCK拓撲作為整流濾波后電壓的DC-DC開關電路拓撲。BUCK電路最大的優點是拓撲簡單、損耗低、效率高，紋波好控制[7]。而開關電源控制電路向BUCK電路的開關管提供驅動信號。由采樣電路、誤差放大器、脈寬調整器、隔離光耦合芯片、MOSFET驅動電路、反饋回路組成。反激變換器也是一種DC-DC開關電源拓撲。本文設計采用一路主輸出，三路輔輸出的三路反激變換器電路，為開關電路控制電路供電。

圖7 基于AC-DC開關電源的次級電能電路框圖

4 信號耦合傳輸模塊設計

信號要求半雙工傳輸，信號耦合傳輸的總體方案設計框圖如圖8所示。

從初級到次級的傳輸原理與從次級到初級的傳輸原理是相同的，兩部分的電路也是完全一致的。在進行信號傳輸的時候通過檢測信號的來源，用單片機控制其所在電路板是否接收信號，以實現信號的半雙工傳輸。

圖8 信號傳輸模塊功能框圖

以從初級到次級為例，來介紹通信流程：上位機發出的RS-422串口數字信號經過電平變換電路將差分信號變成所需要的高低電平，經過二相AM調制電路將信號變成時通時斷的高頻正弦波模擬信號，再經過功率放大電路，然后經過隔離變壓器耦合后驅動初級線圈，經過電磁耦合把電信號傳輸到拾取部分。次級線圈感應的高頻正弦信號經過運放放大電路，帶通濾波電路和解調電路還原成原來的高低電平信號，通過電平變換電路變為差分RS-422串口信號輸出到下位機[8]。

調制方式在通信系統中具有十分重要的作用，調制的目的是將數字信號變成可以在通信通道中傳輸的模擬信號，調制解調方式的選擇是決定通信系統是否具有良好性能的關鍵。數字調制既可以用模擬方法實現，也可以用鍵控方式實現，鍵控法用數字電路完成，具有測試方便、可靠等優點。通常二進制數字信號具有三種調制方式：二進制移幅鍵控法(2ASK)；二進制頻移鍵控法(2FSK)；二進制移相鍵控法(2PSK)。PSK在實際應用中很少使用。由于ASK比FSK電路簡單，易于實現。

基于以上考慮，在設計中選擇2ASK移幅鍵控方式進行調制。串口信號低電平時，初級板的RS-422接口芯片輸出管腳輸出高電平，它連接到模擬開關的高電平。該模擬開關是負邏輯開關，所以在控制電平為高電平的情況下，開關斷開，正弦波被阻斷，感應線圈上沒有信號。而當串口信號為高電平時，感應線圈上有一個串口位寬時長的高頻正弦波信號。

解調模塊的作用是把調制信號還原為基帶串口信號，其電路框圖如圖9所示。

圖9 解調電路框圖

5 功能測試

5.1 電能傳輸模塊測試

輸入為實驗室電源提供的48 V直流電源，輸出接直流可編程負載。初級線圈電壓和電流波形如圖10所示，黃色是電壓波形，藍色為電流波形，波形品質比較好。

將感應式電能信號耦合裝置的本體及電路一起進高溫箱中，當溫度恒定在150 ℃時進行測試。實驗結果表明在150 ℃環境溫度下，感應耦合裝置及電路可以正常工作，效率滿足需求。

圖10 初級線圈電壓電流與次級線圈電壓波形圖

5.2 信號傳輸模塊測試

將初級和次級兩個通訊模塊接在同一臺計算機的2個不同的USB口上(電路板與電腦間經USB轉422模塊連接)，在計算機上運行串口通信測試軟件，以19 200波特率的隨機數的形式，完成初級與次級信號的對發，進行數據傳輸驗證。與此同時，電能傳輸模塊也在同時運行，模擬電能信號聯調的工作環境。電能傳輸模塊的輸出功率為190 W。

在系統工作一段時間后，記錄初級向次級傳輸的數據個數，和次級向初級傳輸的數據個數以及系統數據傳輸的正確率，信號誤碼率測試結果見表2。

表2 信號誤碼率測試結果

根據統計學理論，當要求系統誤碼率≤10-4(合同要求)時，連續30 000個數無錯誤，就可以認為在置信水平99%的程度上，系統誤碼率達到了10-4。 而實測中，系統連續發送接收215 000個數無錯誤，遠高于30 000個數無錯誤的水平。可以認為系統誤碼率達到了1.4×10-5，置信水平為99%。

6 結束語

利用ICPT技術、開關電源技術、電磁感應技術和信號調制解調技術設計的一種井下用非接觸電能信號耦合傳輸裝置，在輸入功率300 W的條件下，功率傳輸效率達到70%以上，誤碼率小于10-4，可以工作在150 ℃的高溫泥漿介質中。

此款非接觸電能信號耦合傳輸裝置已經應用于中海油服自主研發的旋轉導向鉆井系統，解決了旋轉部件與不旋轉部件之間電能和信號傳輸的問題，對儀器的研制成功發揮了重要作用。目前，安裝該裝置的旋轉導向系統已經完成超過60口井的作業任務，累計進尺超過20 000 m，最大井深達到4 382 m，入井無故障工作時間超過200 h。該裝置在石油鉆井過程中經受了振動、沖擊、高壓、高溫等惡劣條件的考驗，性能穩定可靠。

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