ICPT技术在旋转导向钻井工具中的应用

孟巍 朱伟红 孙师贤

摘要 本文介绍ICPT （InductivelyCoupled Power Transfer）技术在旋转导向钻井系统中的应用感应式随钻电能耦合传输装置，并侧重介绍初级和次级电路的设计。该装置可以在井下恶劣的环境中替代有线电连接和滑环连接，并提供无可比拟的可靠性。该装置的初级线圈及电路安装在井下仪器的旋转部件上（驱动轴），次级线圈及电路安装在不旋转部件上，初级及次级之间有一定的间隙，间隙中有高压泥浆通过。该装置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。经实验验证该装置在150℃的高温条件下，可以实现稳定的电能传输，在输出功率200W的条件下，功率传输效率达到70%以上。

【关键词】旋转导向 ICPT 并联谐振电路 高温开关电源电路

1 研究背景

1.1 研究需求

上世纪末开始，旋转导向系统（ RotarySteerable System，RSS）逐渐发展，到今天已经成熟，并逐渐被用到各类商业钻井中。它具有更好的旋转方向控制能力、能够减少井筒的迂曲、同时配备比较良好的随钴测井测量工具，在钻头工作时，能够保持连续的旋转。这些独具的技术优点，使得在很多其他石油开采国，旋转导向钻井技术已逐步开始取代传统的滑动导向马达钻井技术。

中海油服自主研发的Welleader⑧旋转导向钻井系统采用的是推靠式的工作方式，最靠近钻头的导向短节如图1所示。不旋转外套相对于驱动轴是几乎不旋转的（1小时最多5、6转），它的三个翼肋推靠在井壁上，施加导向力。我们需要将电能从与驱动轴同步旋转的电子单元上传送到不旋转外套上。相互旋转两部件之间是泥浆高压的恶劣环境。

在井下仪器中，电能和信号的传输一般都是通过接触的方式進行传输，其中最常用的方式是电缆直连和接触滑环。电缆直连的方式适用于随钻仪器之间不存在相对转动的情况，接触滑环虽然适用于随钻仪器之间有相对转动的情况，但很难为其在井下高温高压的泥浆环境中设计旋转动密封。所以必须研制非接触式的随钻电能耦合传输装置，以满足要求。

1.2 非接触式随钻电能信号耦合传输装置

非接触式随钻电能信号耦合装置是一种非接触式电磁耦合器，实现初级和次级间的非接触式电能耦合以及数字信号的双向传输。该装置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，同时为初级和次级两端连接的控制设备提供双向串行数字信号通道。国内已有多家石油研究院与高校对其进行了研究。本文着重介绍电能耦合传输模块。

该模块基于ICPT技术，全称为Inductively Coupled Power Transfer，即非接触感应耦合电能传输技术。该技术基于电磁感应原理，以电力电子技术、磁场耦合技术以及现代控制理论为依托和基础，以初、次级回路能量耦合线圈之间所产生的耦合磁场为能量传递介质，使电能从固定电源以非电气直接接触的方式向一个或多个用电设备（包括可移动用电设备）进行传输，从而实现电能的电磁感应耦合型非接触传输。

ICPT系统的原理框图如图2所示，一般情况下系统以直流电源作为能量输入端，电能经过功率变换单元进行逆变，所产生的高频交流电流使得初级能量发射线圈产生高频交变的磁场，次级能量接收线圈通过交变磁场产生感应耦合电能，而后该电能再经由次级回路的功率变换单元进行过整流，功率调节等一系列变换之后给用电设备供电，从而实现感应耦合电能传输的整个过程。

2 总体设计

具体的设计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，其整体原理框架示意图如图3所示。

工作基本流程如下：

将旋转导向开关电源给初级输入的48V直流电源Vd，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。

通过电磁感应，在次级的能量拾取线圈中便产生相应频率的正弦感应交流电动势。

次级传输进来的正弦交流电，经过AC-DC变开关电路，能形成48V的主电源输出。再由集成DC-DC芯片输出的三路小电压，给控制电路和通信电路供电。

3 初级电路设计

3.1 主电路设计

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（Pull Push Current-Fed Parallel ResonanceConverter），

采 用ZVS （Zero VoltageSwitch，零电压开关）控制方式，如图4所示。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。图中逆变电路由Ql和Q2两个MOSFET构成两个开关。初级和次级线圈不在一个磁芯上，两个线圈形成High-Leakage变压器，但有较高的互感，保证能量的传输。Lp与Cp分别为初级线圈电感和线圈补偿电容，它们构成LC并联谐振回路。Ql与Q2两个开关管交替导通，以Cp上电压过零点为切换的触发条件，实现开关器件的ZVS控制。

3.2 主电路功率器件

初级主电路关键能量器件非常重要，直接关系到主电路的工作参数和性能。除耦合器电磁筒外，主要元件如下，符号采用图4上的符号：Ld为直流电感;Lspl和Lsp2是电感值相同的分裂电感;Cp为谐振电容;Ql和Q2为推挽逆变电路的MOSFET开关。主电路的功率器件的电流和电压指标一定要满足系统的要求。

3.3 初级控制电路设计

控制电路部分主要实现主电路谐振电压采样、ZVS软开关运行控制、开关管驱动电路、主要电压参数采样等功能。

当其中一个MOSFET管的D极，也就是连接谐振网络的节点，电压为正时，该开关管关闭，另一个开关管打开。

4 次级电路设计

4.1 总体设计

次级电路的功能，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48V的直流电，给液压单元的直流电机供电。它是一个开关电路。48V的直流电再经过集成DC-DC模块输出三路电压，给液压单元电路板和通信电路板供电。

次级能量电路的功能框图参考图3右半部分，它以AC-DC开关电源为核心，由整流模块、滤波模块、BUCK主电路、开关电路控制电路、辅助供电电路组成。输入为次级线圈Ls上由互感M和初级交变电流引起的感应正弦电压。

4.2 BUCK开关电源电路

4.2.1 主电路原理

BUCK电路是一种降压斩波器，降压变换器输出电压平均值Vo总是小于输入电压VdC。

它将高速通断的MOSFET置于输入与输出之间，通过调节通断时间比例（占空比）来控制输出直流电压的平均值。该平均电压可由调宽度的方波脉冲构成，方波脉冲的平均值就是直流输出电压。使用合适的LC滤波器置于MOSFET开关与输出之间，可以将方波平滑成无纹波直流输出，其值等于方波脉冲的平均值。

BUCK电路的拓朴如图5所示。

当开关合上时，输入的直流电压Vdc为电感和电容充电，且为负载提供能量。当开关断开时，输出电感和电容放电，为负载提供能量，维持输出的的直流电压。

开关器件01作为单刀单掷开关与直流输入电压Vdc串联。在开关周期T内，01导通时间为Ton。Q1导通时，忽略Ql上的压降，则Vl点电压为Vdc。当01关闭时，Vl点电压迅速下降，忽略续流二极管的压降，Vl点的电压为O。则Vl点电压为矩形波，该电压的平均值为VdcTon/T，LC滤波器接于Vl和Vo之间，它使输出电压Vo成为幅值等于VdcTon/T的直流电压。

4.2.2 控制电路原理

整个电路的控制部分，采用输出负反馈，通过检测输出电压并结合负反馈控制占空比，稳定输出电压不受输入电压和负载变化的影口向。

参考图6，采样电阻Rl和R2检测输出反馈电压Vf，并将其输入误差放大器（EA）与参考电压Vref进行比较。经过带负反馈的误差放大器被放大的误差电压Vea被输入到脉宽调整器PWM。

PWM比较器的另一个输入是周期为T的锯齿波。PWM电压比较器产生矩形波脉冲，它从锯齿波起点开始到锯齿波与误差放大器的输出电压交点结束。因此，PWM输出脉冲宽度Ton与误差放大器输出电压成正比。

PWM脉冲输入到电流放大器并以负反馈方式控制开关管01的通断。其逻辑关系是：若输入电压Vdc稍有升高，则EA输出电压Vea将降低使锯齿波与Vea交点提前，Ql导通时间Ton缩短，使输出电压Vo=V。Ton/T保持不变。同理，若Vdc下降，则导通时间Ton正比的延长使Vo保持不变。Ql导通时间的改变使采样电压总是等于参考电压，即Vret=V0R2/（R1+R2）。

5 测试结果

5.1 能量线圈谐振电压和电流测试

电能耦合电路板和耦合器电磁筒一起做测试，输入为48V直流电源，输出接直流可编程负载。

初级线圈谐振电压和电流波形图如下面左图，黄色是电压波形，蓝色为电流波形，次级输出负载为50Ω。通过波形图可以看出电压峰值在150V与160V之间;电流峰值幅度在8.4A左右;频率为42.3kHz左右。而理想的计算数据分别为151V、8.8A、42.6kHz，吻合得较好。次级线圈感应电压波形如图6右图所示，次级输出负载为50Q。可见峰值在150V左右，和理论数据吻合良好。

5.2 传输特性测试和高温测试

在环境温度为25℃，介质为空气的情况下，进行电能传输特性测试，所测数据如表l所示。

在负载较小时，效率较低，那是因为线路上的损耗、接插件的损耗，谐振电路的电阻带来的固定损耗的影响在负载较小时比较大。总体上看，在常温环境里和空气介质下，大功率时的能量耦合传输效率在74%左右，最大输出功率为200W左右。

对耦合装置的本体和电路一起进行高温测试。将耦合器和电路放进150摄氏度高温箱里，对电能耦合装置进行功能测试，测试结果如表2所示。

从表2可以看出，150摄氏度下耦合器的能量传输效率大概为70%左右，符合要求。

6 结论

利用ICPT技术、开关电源技术、电磁感应技术设计了一种用于旋转导向钻井系统的非接触电能耦合传输电路，该电路目前应用于中海油服自主研发的Welleader⑧旋转导向钻井系统，在输入功率300W的条件下，功率传输效率达到70%以上，可以工作在150℃的高温泥浆介质中工作，性能稳定可靠。

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