孟 巍，张国强，菅志军，李春楠

(1.中海油田服务股份有限公司油田技术研究院 北京 101149；2.中海石油(中国)有限公司天津分公司工程技术作业中心 天津 300459)

0 引 言

在石油钻井井下工具中，经常需要在相互旋转的两部分之间传递电能和信号。有线连接无法适用于旋转部件之间的电连接；而传统的电刷滑环方式，由于需要封闭旋转轴与不旋转部件之间的泥浆通道，需要设计旋转动密封的结构，可靠性很差，在钻井井下工作条件下，容易产生动密封的失效，影响设备的可靠性及使用寿命[1]。

本文主要介绍无线电能与信号传输技术在石油钻井井下仪器中的应用。为了实现井下仪器旋转轴与不旋转部件之间电能和信号的非接触式传输，设计了一种基于电磁感应原理的非接触电能信号耦合传输装置。该装置的初级线圈及电路安装在旋转轴上，次级线圈及电路安装在不旋转部件上，初级线圈与次级线圈之间有泥浆介质通过。此装置对推靠式旋转导向工具是不可或缺的，国内已有多家石油研究院与高校对其进行了研究[2-4]。由于本装置采用非接触式传输方式，无需设置动密封，减少了电刷之间产生电火花的现象并可减少磨损，进而提高了设备的可靠性。

1 工作原理

非接触电能信号耦合传输装置结构功能框图如图1所示。通过非接触式电磁耦合将初级输入的直流电源传送到次级，为次级所连其它设备提供电源，并在两个部件之间建立双向半双工通信。其原理主要是利用高频电磁感应技术、电力电子技术和信号调制解调技术，在相对转动的内外环结构间实现非接触的电能信号传递。

图1 装置功能框图

2 电磁机构设计

非接触式电磁耦合传输装置结构示意图如图2所示，其初级线圈及其电路安装固定在旋转部件上，次级线圈及其电路安装固定在不旋转部件上。旋转部件与不旋转部件采用两组轴承隔离相互间的运动。

将装置设计成电能和信号分别单独传输，即采用两组磁芯和线圈，分别对电能和信号进行耦合传输，这样可以减少电能与信号在传输时的互相干扰。

同时，考虑到旋转导向工具是圆柱形的，因此将耦合装置的内筒和外筒都设计成圆筒结构，分别安装到驱动轴上和不旋转外套上，两个圆筒横截面形成一对近似同心圆。将磁芯线圈分别安装到耦合装置内筒外表面和外筒内表面，这样可以形成一个较为闭合的磁路。磁芯采用磁环的形式，内筒线圈绕在内筒外表面的磁芯形成的槽里，外筒线圈绕在外筒内表面的磁芯形成的槽里，绕线槽示意图如图3所示。

图2 装置结构示意图

图3 绕线槽示意图

同时考虑到实际机构中导线腔高度限制，以及井下剧烈振动的环境，在绕线方式方面，该装置采用如图4所示的排绕方式。

图4 内筒的绕线方式示意图

在磁芯材料的选择上，一般常用的磁性材料有铁氧体，铁粉芯，恒导合晶，非晶态合晶及硅钢片等[5]。根据系统特性以及工作需求，最后选用软磁铁氧体作为系统的磁芯材料。 磁芯材料的指标见表1。材料电磁性能采用H25×15×10样环测试；有效磁路长度Le=60.2 mm；有效截面积Ae=48.9 mm2。

表1 装置磁芯材料指标

为了达到理想传输的效率，线圈上的交流电流必须有较高频率。当绕组中通过高频电流时，高频电流在导线中产生的磁场在导线中感应出电动势，越接近中心区域，感应出的电动势越大。由于感应的电动势在闭合电路中产生感应电流，与原来的电流相抵消。越接近导线中心，感应电流越大，所以在靠近导线外表面处才有较大电流，由表面到中心的电流越来越小，甚至没有电流，从而形成一种趋肤效应。研究表明，高频电流的趋肤效应意味着导线的有效截面积减小，工作频率越高，交变电流的实际电阻也越大。

为了避免趋肤效应，经常采用的方法是用截面之和等于单导线的多根较细导线绞合。多根较细的导线是互相绝缘的漆包线，这样绞合而成的线叫做李兹线，这样就可以有效减少趋肤效应的影响。

根据实际应用环境的要求，要求李兹线温度适应范围: -40～175 ℃ (要求单股漆包线及绞合后线缆外部高温漆不会融化，脱落，以免造成绝缘失效。该李兹线绞合形式为螺旋式结构。

3 电能耦合传输模块设计

能量耦合传输电路主要利用了基于电磁感应原理的ICPT技术和现代电力电子技术中高频逆变技术及开关电源技术。其原理框图如图5所示。

图5 电能耦合传输电路工作原理设计框图

工作基本流程：

1)初级输入的直流电源，通过ZVS谐振逆变电路将其变换成高频交流电流，在初级的能量发射电磁线圈内形成时变的电磁场，发射交变电磁能量。

2)初级和次级线圈不在一个磁芯上，原次级形成了High-Leakage变压器，但两者之间有较高的互感，保证了能量的传输。通过电磁感应，在次级的能量拾取线圈中产生相应频率的正弦感应交流电动势。

3)次级传输进来的正弦交流电动势，经过AC-DC开关电路，形成指定的直流输出。

耦合器电能传输电路的初级部分的主电路采用推挽式电流馈送并联谐振电路[6]，如图6所示。

图6 初级电能电路原理图

图6中输入所接的大电感相比谐振电感大不少，可以看作是恒流的电流源在给谐振回路交替注入方波电流，所以初级也叫电流型逆变电路。该逆变电路由Q1和Q22个MOSFET构成2个开关，形成PUSH-PULL拓朴电路。Lp与Cp分别为系统能量发射线圈电感和线圈补偿电容，它们构成LC并联谐振回路。Q1与Q2 2个开关管交替导通，以Cp上电压过零点为切换的触发条件，实现开关器件的ZVS(Zero Voltage Switch，零电压开关)控制，有效减小了开关损耗。

初级主电路关键能量器件的选择非常重要，直接关系到主电路的工作参数和性能。

次级电能电路的功能是将次级部分接收到的交流电整流滤波成直流电，再通过稳压电路稳压成48 V(系统要求)的直流电。

基于AC-DC开关电源的次级电能电路框图如图7所示。它以AC-DC开关电源为核心，由整流模块、滤波模块、DC-DC开关稳压主电路、开关电路控制电路、反激变换器辅助供电电路组成。其中DC-DC开关稳压主电路以BUCK拓扑作为整流滤波后电压的DC-DC开关电路拓扑。BUCK电路最大的优点是拓扑简单、损耗低、效率高，纹波好控制[7]。而开关电源控制电路向BUCK电路的开关管提供驱动信号。由采样电路、误差放大器、脉宽调整器、隔离光耦合芯片、MOSFET驱动电路、反馈回路组成。反激变换器也是一种DC-DC开关电源拓扑。本文设计采用一路主输出，三路辅输出的三路反激变换器电路，为开关电路控制电路供电。

图7 基于AC-DC开关电源的次级电能电路框图

4 信号耦合传输模块设计

信号要求半双工传输，信号耦合传输的总体方案设计框图如图8所示。

从初级到次级的传输原理与从次级到初级的传输原理是相同的，两部分的电路也是完全一致的。在进行信号传输的时候通过检测信号的来源，用单片机控制其所在电路板是否接收信号，以实现信号的半双工传输。

图8 信号传输模块功能框图

以从初级到次级为例，来介绍通信流程：上位机发出的RS-422串口数字信号经过电平变换电路将差分信号变成所需要的高低电平，经过二相AM调制电路将信号变成时通时断的高频正弦波模拟信号，再经过功率放大电路，然后经过隔离变压器耦合后驱动初级线圈，经过电磁耦合把电信号传输到拾取部分。次级线圈感应的高频正弦信号经过运放放大电路，带通滤波电路和解调电路还原成原来的高低电平信号，通过电平变换电路变为差分RS-422串口信号输出到下位机[8]。

调制方式在通信系统中具有十分重要的作用，调制的目的是将数字信号变成可以在通信通道中传输的模拟信号，调制解调方式的选择是决定通信系统是否具有良好性能的关键。数字调制既可以用模拟方法实现，也可以用键控方式实现，键控法用数字电路完成，具有测试方便、可靠等优点。通常二进制数字信号具有三种调制方式：二进制移幅键控法(2ASK)；二进制频移键控法(2FSK)；二进制移相键控法(2PSK)。PSK在实际应用中很少使用。由于ASK比FSK电路简单，易于实现。

基于以上考虑，在设计中选择2ASK移幅键控方式进行调制。串口信号低电平时，初级板的RS-422接口芯片输出管脚输出高电平，它连接到模拟开关的高电平。该模拟开关是负逻辑开关，所以在控制电平为高电平的情况下，开关断开，正弦波被阻断，感应线圈上没有信号。而当串口信号为高电平时，感应线圈上有一个串口位宽时长的高频正弦波信号。

解调模块的作用是把调制信号还原为基带串口信号，其电路框图如图9所示。

图9 解调电路框图

5 功能测试

5.1 电能传输模块测试

输入为实验室电源提供的48 V直流电源，输出接直流可编程负载。初级线圈电压和电流波形如图10所示，黄色是电压波形，蓝色为电流波形，波形品质比较好。

将感应式电能信号耦合装置的本体及电路一起进高温箱中，当温度恒定在150 ℃时进行测试。实验结果表明在150 ℃环境温度下，感应耦合装置及电路可以正常工作，效率满足需求。

图10 初级线圈电压电流与次级线圈电压波形图

5.2 信号传输模块测试

将初级和次级两个通讯模块接在同一台计算机的2个不同的USB口上(电路板与电脑间经USB转422模块连接)，在计算机上运行串口通信测试软件，以19 200波特率的随机数的形式，完成初级与次级信号的对发，进行数据传输验证。与此同时，电能传输模块也在同时运行，模拟电能信号联调的工作环境。电能传输模块的输出功率为190 W。

在系统工作一段时间后，记录初级向次级传输的数据个数，和次级向初级传输的数据个数以及系统数据传输的正确率，信号误码率测试结果见表2。

表2 信号误码率测试结果

根据统计学理论，当要求系统误码率≤10-4(合同要求)时，连续30 000个数无错误，就可以认为在置信水平99%的程度上，系统误码率达到了10-4。 而实测中，系统连续发送接收215 000个数无错误，远高于30 000个数无错误的水平。可以认为系统误码率达到了1.4×10-5，置信水平为99%。

6 结束语

利用ICPT技术、开关电源技术、电磁感应技术和信号调制解调技术设计的一种井下用非接触电能信号耦合传输装置，在输入功率300 W的条件下，功率传输效率达到70%以上，误码率小于10-4，可以工作在150 ℃的高温泥浆介质中。

此款非接触电能信号耦合传输装置已经应用于中海油服自主研发的旋转导向钻井系统，解决了旋转部件与不旋转部件之间电能和信号传输的问题，对仪器的研制成功发挥了重要作用。目前，安装该装置的旋转导向系统已经完成超过60口井的作业任务，累计进尺超过20 000 m，最大井深达到4 382 m，入井无故障工作时间超过200 h。该装置在石油钻井过程中经受了振动、冲击、高压、高温等恶劣条件的考验，性能稳定可靠。

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