孟 巍，張國(guó)強(qiáng)，菅志軍，李春楠

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

0 引 言

在石油鉆井井下工具中，經(jīng)常需要在相互旋轉(zhuǎn)的兩部分之間傳遞電能和信號(hào)。有線連接無(wú)法適用于旋轉(zhuǎn)部件之間的電連接；而傳統(tǒng)的電刷滑環(huán)方式，由于需要封閉旋轉(zhuǎn)軸與不旋轉(zhuǎn)部件之間的泥漿通道，需要設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)，可靠性很差，在鉆井井下工作條件下，容易產(chǎn)生動(dòng)密封的失效，影響設(shè)備的可靠性及使用壽命[1]。

本文主要介紹無(wú)線電能與信號(hào)傳輸技術(shù)在石油鉆井井下儀器中的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)井下儀器旋轉(zhuǎn)軸與不旋轉(zhuǎn)部件之間電能和信號(hào)的非接觸式傳輸，設(shè)計(jì)了一種基于電磁感應(yīng)原理的非接觸電能信號(hào)耦合傳輸裝置。該裝置的初級(jí)線圈及電路安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，次級(jí)線圈及電路安裝在不旋轉(zhuǎn)部件上，初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間有泥漿介質(zhì)通過。此裝置對(duì)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是不可或缺的，國(guó)內(nèi)已有多家石油研究院與高校對(duì)其進(jìn)行了研究[2-4]。由于本裝置采用非接觸式傳輸方式，無(wú)需設(shè)置動(dòng)密封，減少了電刷之間產(chǎn)生電火花的現(xiàn)象并可減少磨損，進(jìn)而提高了設(shè)備的可靠性。

1 工作原理

非接觸電能信號(hào)耦合傳輸裝置結(jié)構(gòu)功能框圖如圖1所示。通過非接觸式電磁耦合將初級(jí)輸入的直流電源傳送到次級(jí)，為次級(jí)所連其它設(shè)備提供電源，并在兩個(gè)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(yīng)技術(shù)、電力電子技術(shù)和信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)，在相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)外環(huán)結(jié)構(gòu)間實(shí)現(xiàn)非接觸的電能信號(hào)傳遞。

圖1 裝置功能框圖

2 電磁機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

非接觸式電磁耦合傳輸裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其初級(jí)線圈及其電路安裝固定在旋轉(zhuǎn)部件上，次級(jí)線圈及其電路安裝固定在不旋轉(zhuǎn)部件上。旋轉(zhuǎn)部件與不旋轉(zhuǎn)部件采用兩組軸承隔離相互間的運(yùn)動(dòng)。

將裝置設(shè)計(jì)成電能和信號(hào)分別單獨(dú)傳輸，即采用兩組磁芯和線圈，分別對(duì)電能和信號(hào)進(jìn)行耦合傳輸，這樣可以減少電能與信號(hào)在傳輸時(shí)的互相干擾。

同時(shí)，考慮到旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具是圓柱形的，因此將耦合裝置的內(nèi)筒和外筒都設(shè)計(jì)成圓筒結(jié)構(gòu)，分別安裝到驅(qū)動(dòng)軸上和不旋轉(zhuǎn)外套上，兩個(gè)圓筒橫截面形成一對(duì)近似同心圓。將磁芯線圈分別安裝到耦合裝置內(nèi)筒外表面和外筒內(nèi)表面，這樣可以形成一個(gè)較為閉合的磁路。磁芯采用磁環(huán)的形式，內(nèi)筒線圈繞在內(nèi)筒外表面的磁芯形成的槽里，外筒線圈繞在外筒內(nèi)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(jié)構(gòu)示意圖

圖3 繞線槽示意圖

同時(shí)考慮到實(shí)際機(jī)構(gòu)中導(dǎo)線腔高度限制，以及井下劇烈振動(dòng)的環(huán)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(nèi)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(dǎo)合晶，非晶態(tài)合晶及硅鋼片等[5]。根據(jù)系統(tǒng)特性以及工作需求，最后選用軟磁鐵氧體作為系統(tǒng)的磁芯材料。 磁芯材料的指標(biāo)見表1。材料電磁性能采用H25×15×10樣環(huán)測(cè)試；有效磁路長(zhǎng)度Le=60.2 mm；有效截面積Ae=48.9 mm2。

表1 裝置磁芯材料指標(biāo)

為了達(dá)到理想傳輸?shù)男剩€圈上的交流電流必須有較高頻率。當(dāng)繞組中通過高頻電流時(shí)，高頻電流在導(dǎo)線中產(chǎn)生的磁場(chǎng)在導(dǎo)線中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，越接近中心區(qū)域，感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)越大。由于感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)在閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，與原來的電流相抵消。越接近導(dǎo)線中心，感應(yīng)電流越大，所以在靠近導(dǎo)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(yīng)。研究表明，高頻電流的趨膚效應(yīng)意味著導(dǎo)線的有效截面積減小，工作頻率越高，交變電流的實(shí)際電阻也越大。

為了避免趨膚效應(yīng)，經(jīng)常采用的方法是用截面之和等于單導(dǎo)線的多根較細(xì)導(dǎo)線絞合。多根較細(xì)的導(dǎo)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(yīng)的影響。

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的要求，要求李茲線溫度適應(yīng)范圍: -40～175 ℃ (要求單股漆包線及絞合后線纜外部高溫漆不會(huì)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(jié)構(gòu)。

3 電能耦合傳輸模塊設(shè)計(jì)

能量耦合傳輸電路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)。其原理框圖如圖5所示。

圖5 電能耦合傳輸電路工作原理設(shè)計(jì)框圖

工作基本流程：

1)初級(jí)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(jí)的能量發(fā)射電磁線圈內(nèi)形成時(shí)變的電磁場(chǎng)，發(fā)射交變電磁能量。

2)初級(jí)和次級(jí)線圈不在一個(gè)磁芯上，原次級(jí)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(yīng)，在次級(jí)的能量拾取線圈中產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦感應(yīng)交流電動(dòng)勢(shì)。

3)次級(jí)傳輸進(jìn)來的正弦交流電動(dòng)勢(shì)，經(jīng)過AC-DC開關(guān)電路，形成指定的直流輸出。

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

圖6 初級(jí)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(jí)也叫電流型逆變電路。該逆變電路由Q1和Q22個(gè)MOSFET構(gòu)成2個(gè)開關(guān)，形成PUSH-PULL拓樸電路。Lp與Cp分別為系統(tǒng)能量發(fā)射線圈電感和線圈補(bǔ)償電容，它們構(gòu)成LC并聯(lián)諧振回路。Q1與Q2 2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(Zero Voltage Switch，零電壓開關(guān))控制，有效減小了開關(guān)損耗。

初級(jí)主電路關(guān)鍵能量器件的選擇非常重要，直接關(guān)系到主電路的工作參數(shù)和性能。

次級(jí)電能電路的功能是將次級(jí)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48 V(系統(tǒng)要求)的直流電。

基于AC-DC開關(guān)電源的次級(jí)電能電路框圖如圖7所示。它以AC-DC開關(guān)電源為核心，由整流模塊、濾波模塊、DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓主電路、開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓主電路以BUCK拓?fù)渥鳛檎鳛V波后電壓的DC-DC開關(guān)電路拓?fù)洹UCK電路最大的優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)浜?jiǎn)單、損耗低、效率高，紋波好控制[7]。而開關(guān)電源控制電路向BUCK電路的開關(guān)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由采樣電路、誤差放大器、脈寬調(diào)整器、隔離光耦合芯片、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、反饋回路組成。反激變換器也是一種DC-DC開關(guān)電源拓?fù)?。本文設(shè)計(jì)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(guān)電路控制電路供電。

圖7 基于AC-DC開關(guān)電源的次級(jí)電能電路框圖

4 信號(hào)耦合傳輸模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)要求半雙工傳輸，信號(hào)耦合傳輸?shù)目傮w方案設(shè)計(jì)框圖如圖8所示。

從初級(jí)到次級(jí)的傳輸原理與從次級(jí)到初級(jí)的傳輸原理是相同的，兩部分的電路也是完全一致的。在進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)臅r(shí)候通過檢測(cè)信號(hào)的來源，用單片機(jī)控制其所在電路板是否接收信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的半雙工傳輸。

圖8 信號(hào)傳輸模塊功能框圖

以從初級(jí)到次級(jí)為例，來介紹通信流程：上位機(jī)發(fā)出的RS-422串口數(shù)字信號(hào)經(jīng)過電平變換電路將差分信號(hào)變成所需要的高低電平，經(jīng)過二相AM調(diào)制電路將信號(hào)變成時(shí)通時(shí)斷的高頻正弦波模擬信號(hào)，再經(jīng)過功率放大電路，然后經(jīng)過隔離變壓器耦合后驅(qū)動(dòng)初級(jí)線圈，經(jīng)過電磁耦合把電信號(hào)傳輸?shù)绞叭〔糠帧４渭?jí)線圈感應(yīng)的高頻正弦信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放放大電路，帶通濾波電路和解調(diào)電路還原成原來的高低電平信號(hào)，通過電平變換電路變?yōu)椴罘諶S-422串口信號(hào)輸出到下位機(jī)[8]。

調(diào)制方式在通信系統(tǒng)中具有十分重要的作用，調(diào)制的目的是將數(shù)字信號(hào)變成可以在通信通道中傳輸?shù)哪M信號(hào)，調(diào)制解調(diào)方式的選擇是決定通信系統(tǒng)是否具有良好性能的關(guān)鍵。數(shù)字調(diào)制既可以用模擬方法實(shí)現(xiàn)，也可以用鍵控方式實(shí)現(xiàn)，鍵控法用數(shù)字電路完成，具有測(cè)試方便、可靠等優(yōu)點(diǎn)。通常二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)具有三種調(diào)制方式：二進(jìn)制移幅鍵控法(2ASK)；二進(jìn)制頻移鍵控法(2FSK)；二進(jìn)制移相鍵控法(2PSK)。PSK在實(shí)際應(yīng)用中很少使用。由于ASK比FSK電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

基于以上考慮，在設(shè)計(jì)中選擇2ASK移幅鍵控方式進(jìn)行調(diào)制。串口信號(hào)低電平時(shí)，初級(jí)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(guān)的高電平。該模擬開關(guān)是負(fù)邏輯開關(guān)，所以在控制電平為高電平的情況下，開關(guān)斷開，正弦波被阻斷，感應(yīng)線圈上沒有信號(hào)。而當(dāng)串口信號(hào)為高電平時(shí)，感應(yīng)線圈上有一個(gè)串口位寬時(shí)長(zhǎng)的高頻正弦波信號(hào)。

解調(diào)模塊的作用是把調(diào)制信號(hào)還原為基帶串口信號(hào)，其電路框圖如圖9所示。

圖9 解調(diào)電路框圖

5 功能測(cè)試

5.1 電能傳輸模塊測(cè)試

輸入為實(shí)驗(yàn)室電源提供的48 V直流電源，輸出接直流可編程負(fù)載。初級(jí)線圈電壓和電流波形如圖10所示，黃色是電壓波形，藍(lán)色為電流波形，波形品質(zhì)比較好。

將感應(yīng)式電能信號(hào)耦合裝置的本體及電路一起進(jìn)高溫箱中，當(dāng)溫度恒定在150 ℃時(shí)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在150 ℃環(huán)境溫度下，感應(yīng)耦合裝置及電路可以正常工作，效率滿足需求。

圖10 初級(jí)線圈電壓電流與次級(jí)線圈電壓波形圖

5.2 信號(hào)傳輸模塊測(cè)試

將初級(jí)和次級(jí)兩個(gè)通訊模塊接在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)的2個(gè)不同的USB口上(電路板與電腦間經(jīng)USB轉(zhuǎn)422模塊連接)，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行串口通信測(cè)試軟件，以19 200波特率的隨機(jī)數(shù)的形式，完成初級(jí)與次級(jí)信號(hào)的對(duì)發(fā)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證。與此同時(shí)，電能傳輸模塊也在同時(shí)運(yùn)行，模擬電能信號(hào)聯(lián)調(diào)的工作環(huán)境。電能傳輸模塊的輸出功率為190 W。

在系統(tǒng)工作一段時(shí)間后，記錄初級(jí)向次級(jí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)，和次級(jí)向初級(jí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)個(gè)數(shù)以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_率，信號(hào)誤碼率測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 信號(hào)誤碼率測(cè)試結(jié)果

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，當(dāng)要求系統(tǒng)誤碼率≤10-4(合同要求)時(shí)，連續(xù)30 000個(gè)數(shù)無(wú)錯(cuò)誤，就可以認(rèn)為在置信水平99%的程度上，系統(tǒng)誤碼率達(dá)到了10-4。 而實(shí)測(cè)中，系統(tǒng)連續(xù)發(fā)送接收215 000個(gè)數(shù)無(wú)錯(cuò)誤，遠(yuǎn)高于30 000個(gè)數(shù)無(wú)錯(cuò)誤的水平?？梢哉J(rèn)為系統(tǒng)誤碼率達(dá)到了1.4×10-5，置信水平為99%。

6 結(jié)束語(yǔ)

利用ICPT技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)、電磁感應(yīng)技術(shù)和信號(hào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)設(shè)計(jì)的一種井下用非接觸電能信號(hào)耦合傳輸裝置，在輸入功率300 W的條件下，功率傳輸效率達(dá)到70%以上，誤碼率小于10-4，可以工作在150 ℃的高溫泥漿介質(zhì)中。

此款非接觸電能信號(hào)耦合傳輸裝置已經(jīng)應(yīng)用于中海油服自主研發(fā)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)，解決了旋轉(zhuǎn)部件與不旋轉(zhuǎn)部件之間電能和信號(hào)傳輸?shù)膯栴}，對(duì)儀器的研制成功發(fā)揮了重要作用。目前，安裝該裝置的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)已經(jīng)完成超過60口井的作業(yè)任務(wù)，累計(jì)進(jìn)尺超過20 000 m，最大井深達(dá)到4 382 m，入井無(wú)故障工作時(shí)間超過200 h。該裝置在石油鉆井過程中經(jīng)受了振動(dòng)、沖擊、高壓、高溫等惡劣條件的考驗(yàn)，性能穩(wěn)定可靠。

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