ICPT技術(shù)在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具中的應(yīng)用

孟巍 朱偉紅 孫師賢

摘要 本文介紹ICPT （InductivelyCoupled Power Transfer）技術(shù)在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)中的應(yīng)用感應(yīng)式隨鉆電能耦合傳輸裝置，并側(cè)重介紹初級和次級電路的設(shè)計(jì)。該裝置可以在井下惡劣的環(huán)境中替代有線電連接和滑環(huán)連接，并提供無可比擬的可靠性。該裝置的初級線圈及電路安裝在井下儀器的旋轉(zhuǎn)部件上（驅(qū)動軸），次級線圈及電路安裝在不旋轉(zhuǎn)部件上，初級及次級之間有一定的間隙，間隙中有高壓泥漿通過。該裝置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。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該裝置在150℃的高溫條件下，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電能傳輸，在輸出功率200W的條件下，功率傳輸效率達(dá)到70%以上。

【關(guān)鍵詞】旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 ICPT 并聯(lián)諧振電路 高溫開關(guān)電源電路

1 研究背景

1.1 研究需求

上世紀(jì)末開始，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)（ RotarySteerable System，RSS）逐漸發(fā)展，到今天已經(jīng)成熟，并逐漸被用到各類商業(yè)鉆井中。它具有更好的旋轉(zhuǎn)方向控制能力、能夠減少井筒的迂曲、同時(shí)配備比較良好的隨鈷測井測量工具，在鉆頭工作時(shí)，能夠保持連續(xù)的旋轉(zhuǎn)。這些獨(dú)具的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，使得在很多其他石油開采國，旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)已逐步開始取代傳統(tǒng)的滑動導(dǎo)向馬達(dá)鉆井技術(shù)。

中海油服自主研發(fā)的Welleader⑧旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)采用的是推靠式的工作方式，最靠近鉆頭的導(dǎo)向短節(jié)如圖1所示。不旋轉(zhuǎn)外套相對于驅(qū)動軸是幾乎不旋轉(zhuǎn)的（1小時(shí)最多5、6轉(zhuǎn)），它的三個(gè)翼肋推靠在井壁上，施加導(dǎo)向力。我們需要將電能從與驅(qū)動軸同步旋轉(zhuǎn)的電子單元上傳送到不旋轉(zhuǎn)外套上。相互旋轉(zhuǎn)兩部件之間是泥漿高壓的惡劣環(huán)境。

在井下儀器中，電能和信號的傳輸一般都是通過接觸的方式進(jìn)行傳輸，其中最常用的方式是電纜直連和接觸滑環(huán)。電纜直連的方式適用于隨鉆儀器之間不存在相對轉(zhuǎn)動的情況，接觸滑環(huán)雖然適用于隨鉆儀器之間有相對轉(zhuǎn)動的情況，但很難為其在井下高溫高壓的泥漿環(huán)境中設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)動密封。所以必須研制非接觸式的隨鉆電能耦合傳輸裝置，以滿足要求。

1.2 非接觸式隨鉆電能信號耦合傳輸裝置

非接觸式隨鉆電能信號耦合裝置是一種非接觸式電磁耦合器，實(shí)現(xiàn)初級和次級間的非接觸式電能耦合以及數(shù)字信號的雙向傳輸。該裝置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(shè)備提供電源，同時(shí)為初級和次級兩端連接的控制設(shè)備提供雙向串行數(shù)字信號通道。國內(nèi)已有多家石油研究院與高校對其進(jìn)行了研究。本文著重介紹電能耦合傳輸模塊。

該模塊基于ICPT技術(shù)，全稱為Inductively Coupled Power Transfer，即非接觸感應(yīng)耦合電能傳輸技術(shù)。該技術(shù)基于電磁感應(yīng)原理，以電力電子技術(shù)、磁場耦合技術(shù)以及現(xiàn)代控制理論為依托和基礎(chǔ)，以初、次級回路能量耦合線圈之間所產(chǎn)生的耦合磁場為能量傳遞介質(zhì)，使電能從固定電源以非電氣直接接觸的方式向一個(gè)或多個(gè)用電設(shè)備（包括可移動用電設(shè)備）進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)電能的電磁感應(yīng)耦合型非接觸傳輸。

ICPT系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，一般情況下系統(tǒng)以直流電源作為能量輸入端，電能經(jīng)過功率變換單元進(jìn)行逆變，所產(chǎn)生的高頻交流電流使得初級能量發(fā)射線圈產(chǎn)生高頻交變的磁場，次級能量接收線圈通過交變磁場產(chǎn)生感應(yīng)耦合電能，而后該電能再經(jīng)由次級回路的功率變換單元進(jìn)行過整流，功率調(diào)節(jié)等一系列變換之后給用電設(shè)備供電，從而實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合電能傳輸?shù)恼麄€(gè)過程。

2 總體設(shè)計(jì)

具體的設(shè)計(jì)主要利用了基于電磁感應(yīng)原理的ICPT技術(shù)和現(xiàn)代電力電子技術(shù)中高頻逆變技術(shù)及開關(guān)電源技術(shù)，其整體原理框架示意圖如圖3所示。

工作基本流程如下：

將旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向開關(guān)電源給初級輸入的48V直流電源Vd，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(fā)射電磁線圈內(nèi)形成時(shí)變的電磁場，發(fā)射交變電磁能量。

通過電磁感應(yīng)，在次級的能量拾取線圈中便產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦感應(yīng)交流電動勢。

次級傳輸進(jìn)來的正弦交流電，經(jīng)過AC-DC變開關(guān)電路，能形成48V的主電源輸出。再由集成DC-DC芯片輸出的三路小電壓，給控制電路和通信電路供電。

3 初級電路設(shè)計(jì)

3.1 主電路設(shè)計(jì)

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(lián)諧振電路（Pull Push Current-Fed Parallel ResonanceConverter），

采 用ZVS （Zero VoltageSwitch，零電壓開關(guān)）控制方式，如圖4所示。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。圖中逆變電路由Ql和Q2兩個(gè)MOSFET構(gòu)成兩個(gè)開關(guān)。初級和次級線圈不在一個(gè)磁芯上，兩個(gè)線圈形成High-Leakage變壓器，但有較高的互感，保證能量的傳輸。Lp與Cp分別為初級線圈電感和線圈補(bǔ)償電容，它們構(gòu)成LC并聯(lián)諧振回路。Ql與Q2兩個(gè)開關(guān)管交替導(dǎo)通，以Cp上電壓過零點(diǎn)為切換的觸發(fā)條件，實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的ZVS控制。

3.2 主電路功率器件

初級主電路關(guān)鍵能量器件非常重要，直接關(guān)系到主電路的工作參數(shù)和性能。除耦合器電磁筒外，主要元件如下，符號采用圖4上的符號：Ld為直流電感;Lspl和Lsp2是電感值相同的分裂電感;Cp為諧振電容;Ql和Q2為推挽逆變電路的MOSFET開關(guān)。主電路的功率器件的電流和電壓指標(biāo)一定要滿足系統(tǒng)的要求。

3.3 初級控制電路設(shè)計(jì)

控制電路部分主要實(shí)現(xiàn)主電路諧振電壓采樣、ZVS軟開關(guān)運(yùn)行控制、開關(guān)管驅(qū)動電路、主要電壓參數(shù)采樣等功能。

當(dāng)其中一個(gè)MOSFET管的D極，也就是連接諧振網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，電壓為正時(shí)，該開關(guān)管關(guān)閉，另一個(gè)開關(guān)管打開。

4 次級電路設(shè)計(jì)

4.1 總體設(shè)計(jì)

次級電路的功能，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(wěn)壓電路穩(wěn)壓成48V的直流電，給液壓單元的直流電機(jī)供電。它是一個(gè)開關(guān)電路。48V的直流電再經(jīng)過集成DC-DC模塊輸出三路電壓，給液壓單元電路板和通信電路板供電。

次級能量電路的功能框圖參考圖3右半部分，它以AC-DC開關(guān)電源為核心，由整流模塊、濾波模塊、BUCK主電路、開關(guān)電路控制電路、輔助供電電路組成。輸入為次級線圈Ls上由互感M和初級交變電流引起的感應(yīng)正弦電壓。

4.2 BUCK開關(guān)電源電路

4.2.1 主電路原理

BUCK電路是一種降壓斬波器，降壓變換器輸出電壓平均值Vo總是小于輸入電壓VdC。

它將高速通斷的MOSFET置于輸入與輸出之間，通過調(diào)節(jié)通斷時(shí)間比例（占空比）來控制輸出直流電壓的平均值。該平均電壓可由調(diào)寬度的方波脈沖構(gòu)成，方波脈沖的平均值就是直流輸出電壓。使用合適的LC濾波器置于MOSFET開關(guān)與輸出之間，可以將方波平滑成無紋波直流輸出，其值等于方波脈沖的平均值。

BUCK電路的拓樸如圖5所示。

當(dāng)開關(guān)合上時(shí)，輸入的直流電壓Vdc為電感和電容充電，且為負(fù)載提供能量。當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，輸出電感和電容放電，為負(fù)載提供能量，維持輸出的的直流電壓。

開關(guān)器件01作為單刀單擲開關(guān)與直流輸入電壓Vdc串聯(lián)。在開關(guān)周期T內(nèi)，01導(dǎo)通時(shí)間為Ton。Q1導(dǎo)通時(shí)，忽略Ql上的壓降，則Vl點(diǎn)電壓為Vdc。當(dāng)01關(guān)閉時(shí)，Vl點(diǎn)電壓迅速下降，忽略續(xù)流二極管的壓降，Vl點(diǎn)的電壓為O。則Vl點(diǎn)電壓為矩形波，該電壓的平均值為VdcTon/T，LC濾波器接于Vl和Vo之間，它使輸出電壓Vo成為幅值等于VdcTon/T的直流電壓。

4.2.2 控制電路原理

整個(gè)電路的控制部分，采用輸出負(fù)反饋，通過檢測輸出電壓并結(jié)合負(fù)反饋控制占空比，穩(wěn)定輸出電壓不受輸入電壓和負(fù)載變化的影口向。

參考圖6，采樣電阻Rl和R2檢測輸出反饋電壓Vf，并將其輸入誤差放大器（EA）與參考電壓Vref進(jìn)行比較。經(jīng)過帶負(fù)反饋的誤差放大器被放大的誤差電壓Vea被輸入到脈寬調(diào)整器PWM。

PWM比較器的另一個(gè)輸入是周期為T的鋸齒波。PWM電壓比較器產(chǎn)生矩形波脈沖，它從鋸齒波起點(diǎn)開始到鋸齒波與誤差放大器的輸出電壓交點(diǎn)結(jié)束。因此，PWM輸出脈沖寬度Ton與誤差放大器輸出電壓成正比。

PWM脈沖輸入到電流放大器并以負(fù)反饋方式控制開關(guān)管01的通斷。其邏輯關(guān)系是：若輸入電壓Vdc稍有升高，則EA輸出電壓Vea將降低使鋸齒波與Vea交點(diǎn)提前，Ql導(dǎo)通時(shí)間Ton縮短，使輸出電壓Vo=V。Ton/T保持不變。同理，若Vdc下降，則導(dǎo)通時(shí)間Ton正比的延長使Vo保持不變。Ql導(dǎo)通時(shí)間的改變使采樣電壓總是等于參考電壓，即Vret=V0R2/（R1+R2）。

5 測試結(jié)果

5.1 能量線圈諧振電壓和電流測試

電能耦合電路板和耦合器電磁筒一起做測試，輸入為48V直流電源，輸出接直流可編程負(fù)載。

初級線圈諧振電壓和電流波形圖如下面左圖，黃色是電壓波形，藍(lán)色為電流波形，次級輸出負(fù)載為50Ω。通過波形圖可以看出電壓峰值在150V與160V之間;電流峰值幅度在8.4A左右;頻率為42.3kHz左右。而理想的計(jì)算數(shù)據(jù)分別為151V、8.8A、42.6kHz，吻合得較好。次級線圈感應(yīng)電壓波形如圖6右圖所示，次級輸出負(fù)載為50Q?？梢姺逯翟?50V左右，和理論數(shù)據(jù)吻合良好。

5.2 傳輸特性測試和高溫測試

在環(huán)境溫度為25℃，介質(zhì)為空氣的情況下，進(jìn)行電能傳輸特性測試，所測數(shù)據(jù)如表l所示。

在負(fù)載較小時(shí)，效率較低，那是因?yàn)榫€路上的損耗、接插件的損耗，諧振電路的電阻帶來的固定損耗的影響在負(fù)載較小時(shí)比較大?？傮w上看，在常溫環(huán)境里和空氣介質(zhì)下，大功率時(shí)的能量耦合傳輸效率在74%左右，最大輸出功率為200W左右。

對耦合裝置的本體和電路一起進(jìn)行高溫測試。將耦合器和電路放進(jìn)150攝氏度高溫箱里，對電能耦合裝置進(jìn)行功能測試，測試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，150攝氏度下耦合器的能量傳輸效率大概為70%左右，符合要求。

6 結(jié)論

利用ICPT技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種用于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的非接觸電能耦合傳輸電路，該電路目前應(yīng)用于中海油服自主研發(fā)的Welleader⑧旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，在輸入功率300W的條件下，功率傳輸效率達(dá)到70%以上，可以工作在150℃的高溫泥漿介質(zhì)中工作，性能穩(wěn)定可靠。

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