谢棋军， 底青云， 杨永友， 刘庆波， 张辉， 马良令
1 中国科学院深地资源装备技术工程实验室， 中国科学院地质与地球物理研究所， 北京 100029 2 中国科学院地球科学研究院， 北京 100029
旋转导向系统是当今石油钻井工程领域向智能化方向发展的最重要的前沿装备之一，可有效提高钻井速度、安全性和井眼轨迹控制精度.如何通过旋转主轴给非旋转套上的执行机构提供动力，如何实现旋转主轴上的控制电路和非旋转套上的执行机构之间的双向通信是旋转导向系统必须解决的关键问题.
传统的滑动导向钻井仪器通过有线传输的方式来进行电能和信号的传输，不适用于有非接触结构的旋转导向工具.基于电磁感应原理的非接触电能与信号耦合传输方式(Klontz et al.,1995)，可以在井下恶劣的环境中替代有线电连接和滑环连接，实现旋转主轴和非旋转外套之间的电能和信号的同步传输.基于电磁感应原理的非接触电能与信号传输分为两种传输方法，分别为分离式通道传输和一体化通道传输.分离式通道传输分别采用一个能量传输线圈和一个信号传输线圈来传输电能和信号，其中和旋转主轴连接的涡轮发电机作为直流电源，经高频逆变电路后变为高频交流电，再由初级回路的能量发射线圈将电能耦合至次级回路的能量接收线圈，通过整流电路变为直流电供给非旋转套上的负载使用(Lu et al.,2010; Chopra and Bauer,2011; 艾维平等, 2013).旋转主轴和非旋转套上的信号传输方法为：信号线圈将信号从发射侧调制成高频信号后传输到接收侧线圈，接收侧线圈再将高频信号解调出来.分离式通道传输增加了磁机构的体积，同时能量传输通道功率较大时会对临近的信号传输通道产生干扰，因此磁耦合结构优化(Wang et al.,2013; Sheng and Shi,2020)、系统抗干扰(Xia et al.,2020; Wang et al.,2022)是分离式通道传输的研究重点.一体化通道传输是将电能和信号通过同一个线圈进行传输，能减少一个磁耦合结构，是当前研究的趋势.在电能传输电路拓扑上增加信号传输通路可以实现电能与信号一体化传输，信号的调制方式分为能量调制方式和载波调制方式.能量调制方式主要是在主电路上增设能量调制开关、Boost电路或者谐振电容选择开关，通过数字信号来控制开关的闭合与切断，改变电流幅值或者谐振点来完成信号的传输(Mirbozorgi and Maymandi-Nejad,2013; 夏晨阳等,2018; Li et al.,2019)，该方式会干扰能量传输通道，使得输出电压不稳，功率传输能力受限制.通过加入匹配的谐振单元可以得到ICPT(inductively coupled power transfer，感应耦合式电能传输)系统的最大效率(Sheng and Shi,2021)，对ICPT拓扑进行谐波消除和可靠性滤波可以提高电路的抗干扰性(Li X and Li R Q, 2021; Zhu et al., 2021).信号调制的另外一种方式为载波调制，原理是将待传输的信号以一定频率的正弦波传输.在传统ICPT系统的基础上，通过在原、副边各增设一组信号加载线圈和拾取线圈可以完成信号的传输(孙跃等,2016; 张浚坤等,2016; 柳玉玲，2018; Chen et al., 2019; Xia et al.,2019)，这种方式仅关注了信号的传输，没有对电能传输的指标进行优化.通过LCL(inductor-capacitor-inductor，电感-电容-电感网络)、LCC(inductor-capacitor-capacitor，电感-电容-电容网络)等拓扑结构可以完成信号与能量的传输(夏晨阳等,2017; 柳晓撼和李欣,2020; 简殷文等, 2021)，虽然电能传输效率得以提升，但是动态适应性差.通过新的控制策略可以提高系统的稳定性(Lu et al., 2010; 戴欣等,2013；
Yu et al., 2019)，但是会增加电路结构的复杂程度导致高温环境下可靠性降低.
本文主要针对在175 ℃环境下旋转导向系统负载动态变化、电压要求输出稳定、信号传输要求可靠性高的特点，提出一种可适配的非接触电能与信号一体化传输的方法，对该方法进行建模、仿真得到电路参数，最后搭建实验平台测试，高温175 ℃下，在150 W动态带载下输出电压的变化幅值小于输入电压的8%，并且误码率低于百万分之一.
1.1 ICPT系统电能与信号一体化传输原理
ICPT系统电能与信号一体化传输原理框图如图1所示，主要包括初级回路和次级回路两部分，两部分实现完全分离，没有直接的电气连接.其中初级回路包括高频逆变模块、DC-DC、谐振补偿、信号调制解调以及控制器；
次级回路包括次级谐振补偿、DC-DC、电能变换电路、信号调制解调以及控制器.
图1 ICPT系统电能与信号一体化传输原理框图
电能传输基于电磁感应原理的ICPT技术和电力电子技术中的高频逆变技术以及开关电源技术，电能通过高频逆变器逆变成高频交流电，通过补偿回路，在发射机构上产生高频交变磁场，交变磁场直接通过传输介质(泥浆)传输到次级回路的接收机构上.次级回路接收到的电能通过谐振补偿电路以加强能量传输，通过电能变换器进行电能的滤波稳压等处理，最后将处理好的电能传输给用电设备.
信号传输以能量调制技术为基础，在发送侧，控制器将待传输的基带信号通过调制耦合到能量波形上，接收侧接收到耦合的波形后通过滤波整形将信号波形拾取出来并进行信号解调，最终完成信号的传输.
1.2 非接触电能与信号一体化传输电路拓扑
基于初级串联谐振拓扑结构，在初级回路和次级回路增加隔离电感Ln和Lm，可以有效的将信号与电能隔离，同时在初级回路增加由C1、L1和R1组成的初级信号通道，次级回路增加由C2、L2和R2组成的次级信号通道，通过两个回路信号可以从L1和L2上注入以及拾取.
如图2所示，直流电源Ud经过由开关管S1、S2、S3和S4构成的全桥逆变形成交变电压源；
经过初级谐振电容Cp、隔离电感Ln以及初级谐振线圈Lp组成的谐振网络后产生高频交变电流；
经过磁感应耦合到次级线圈Ls产生交变电动势，该感应电动势经过次级隔离电感Lm以及D1、D2、D3和D4构成的全桥整流电路进行整流，再经过滤波电容Cfilter后给负载RL供电.
图2 非接触电能与信号一体化传输拓扑
图3为信号调制解调电路拓扑，待发送的数字信号用交流的能量信号作为同步信号，生成控制信号控制H桥电路，形成载波调制波形后通过耦合线圈耦合到能量回路中，同时可以通过线圈从能量回路中拾取信号进行滤波和比较之后对信号进行同步解调，最终得到接收的数字信号.
图3 信号调制解调电路拓扑
图4为调制解调波形图，首先通过将载波调制信号加载到电能波形上完成信号注入与同步传输，待传的数字信号“1”用一个较高的频率表示，“0”用较低的频率表示.图中信号“0”采用直流低电平表示，调制信号通过信号耦合线圈加载到能量信号上，再通过从能量波形中载波信号的拾取与信号特征辨别得到解调波形，最终在控制器完成“1”“0”信号的解调.
图4 信号调制解调波形
在系统稳定时，根据图5，可以求出初级的等效阻抗Zp和次级的等效阻抗Zs：
图5 非接触一体化电能与信号传输等效电路
(1)
Zs=jwLs+Rs+(jwLm+RL)‖Z2,
(2)
其中Z1和Z2分别为初级和次级的信号回路等效阻抗，
(3)
(4)
由(1)式可以求得初级的电流：
(5)
(6)
由(2)式可以求得次级的电流：
(7)
(8)
由(7)式可以求得RL上的负载电流：
(9)
设
(10)
(11)
(12)
从电路可以求得电流增益GI、电压增益GV为：
(13)
(14)
由于R1和R2，Rp和Rs很小，将其简化为0，同时将(1)—(12)式代入(13)(14)式可得：
(15)
(16)
为了衡量这个拓扑的效率，引入谐振电路中功率因素的概念，谐振电路的效率η可以表示为：
(17)
通过系统的数学建模，在MATLAB中分析在不同的电路品质因数Qn以及耦合系数k下wn变化时整个系统的电压增益、电流增益和效率增益.不同的电路品质因数Qn下wn变化时整个系统的电压增益、电流增益、效率增益分别如图6a、b、c所示.图6a可见，在wn>0.5时，Qn越大，电压增益随wn变化越平缓且电压增益高.系统存在一个电压增益公共点，当wn=0.72时电压增益不随Qn的变化而变化，根据公式(11)可得此时电压增益恒定为1.20左右.另外可以发现wn离0.72越近，电压增益随Qn的变化越小，意味着电压增益随负载的变化越小.由于旋转导向系统在井底工作时有垂钻、导向以及造斜三种模式，每种模式设置不同的工作参数时带载会从几瓦到一百多瓦动态变化，在此前提下负载的电压需要保持比较稳定，因此导向系统适合选择wn=0.72附近的工作点.如图6b所示，相同的wn下，Qn越大时电流增益越大，在wn>0.5时，Qn越大电流增益随wn增大的速率越小.图6c可见，当0.6
图6 不同Qn下wn变化时系统的(a)电压效率增益曲线，(b)电流增益曲线和(c)效率增益曲线
不同的线圈耦合系数k下wn变化时整个系统的电压增益、电流增益、效率增益分别如图7a、b、c所示.图7a可见，在wn>0.9时，k越大，电压增益随wn变化越平缓且电压增益高，系统存在一个电压增益公共点； 图7 不同k下wn变化时系统的(a)电压增益曲线，(b)电流增益曲线和(c)效率增益曲线 通过不同的电路品质因数Qn以及耦合系数k下wn变化时整个系统的电压增益、电流增益、效率增益的仿真分析，选择适应于旋转导向系统工作的参数wn=0.72，Qn>2，k>0.8，此时整个系统负载电压工作较稳定且系统的理论效率大于80%，在此基础上通过计算选择非接触电能与信号一体化传输系统参数如表1所示. 针对选择的系统参数，搭建电路图，在PSpice A/D中对模型进行电路仿真.图8为仿真结果，其中图8a为不同工作频率下带载为25 W、50 W、75 W、100 W、125 W、150 W时的负载电压.可以看出，在工作频率为fp=31.25 kHz时输出电压不随负载功率变化，且此时电压增益为1.075，同时由图8b可见，系统此时的效率在不同负载下大于80%，与MATLAB对建模仿真分析一致. 图8 不同工作频率下(a)负载电压和(b)效率 为了验证理论模型的正确性，根据图2搭建了功能测试和高温测试的环境如图9所示，为了简化实验平台，用功率负载模拟旋转导向系统的主要负载(液压执行单元)，用直流电源模拟旋转导向系统中的发电机，系统的参数根据表1设计. 表1 非接触电能与信号一体化传输系统参数 图9 (a)功能实验测试平台和(b)温度实验测试平台 图10为室温、150 ℃以及175 ℃下负载功率从0～150 W时系统的效率曲线图.当负载功率20～150 W时，室温下，系统的效率大于83%； 图10 不同温度下效率随负载变化的曲线图 图11为室温、150 ℃以及175 ℃下负载功率从0～150 W时系统的输出电压曲线图.从图中可知随负载功率增大负载的输出电压降低，室温时电压变化范围为38.5～44 V、电压增益范围为0.96～1.1； 图11 不同温度下负载电压随负载变化的曲线图 图12和图13分别为175 ℃下带载100 W时截取的0.1 ms中信号的调制与解调波形实测图.如图12所示，红色曲线为同步信号，蓝色曲线为信号调制波形，采用一个同步信号周期调制一个信号位，信号载波由一个起始位“1”以及两个信号位“1”“0”调制而成.如图13所示，红色曲线为同步信号，蓝色曲线为解调图12中的调制信号得到的波形，解调采用的是反向比较器，因此得到的解调波形与调制波形反向，从波形中可以看出解调得到了一个起始位“1”以及两个信号位“1”“0”. 图12 175 ℃下带载100 W时信号调制波形 图13 175 ℃下带载100 W时信号解调波形 为了验证系统信号传输的可靠性，对环境温度从室温动态变化到175 ℃，每隔25 ℃记录负载从0～150 W变化时通信的误码率，采用RS-485通信，波特率为115200 bps，8位数据位，1位停止位，无校验位，每个功率点下收发20万左右的字节数，误码率为0.表2为在175 ℃下不同负载功率时的通信误码率统计表，从表中可看出在负载为10 W，25 W，50 W，75 W，100 W，125 W和150 W下，收发21.5万～24.1万个字节时通信无误码. 表2 误码率实验结果 本文针对旋转导向系统带载功率大、输出电压要求稳定、通信要求可靠以及系统耐温为175 ℃的特点，提出了一种非接触电能与信号一体化传输的方法，基于互感模型对系统进行数学建模并在MATLAB下重点分析了随工作频率变化互感系数以及品质因数对电压增益、电流增益、系统效率的影响.通过分析给出了一种适用于旋转导向系统的电路参数，在Spice A/D中对选定的参数进行电路仿真，仿真结果与理论一致.同时增加信号的隔离与谐振拓扑，在不影响电能传输的前提下完成了信号的调制与解调. 在实验室搭建平台进行了充分实验，在175 ℃高温下带载可达150 W，负载电压在输入电压的-3～+3.5 V范围内变化，175 ℃环境温度下，系统的效率大于75%，在175 ℃负载每隔25 W动态变化时、每个功率点收发约20万个字节，误码率低于百万分之一，满足175 ℃环境下旋转导向系统的工作要求. 本文建模中对耦合线圈模型进行了简化，为了兼顾负载电压的稳定性和效率，没有对其他的信号调制解调方法进行研究，未来超高温(200 ℃或者更高)环境下可靠工作需要进一步提高系统的能量传输效率、优化电路结构以及信号调制解调算法，此部分的相关内容将会在后续的研究中展开. 致谢感谢审稿专家提出的修改意见和编辑部的大力支持.
当wn=0.92时电压增益不随k的变化而变化，当在线圈参数变化大的工作场景下，可以选择这个工作点来降低对负载电压增益的影响；
当k>0.8并且0.6
当负载功率40～120 W时，175 ℃环境温度下，系统的效率大于85%；
负载功率为100 W时效率高达90%，与理论分析的效率一致.175 ℃环境温度下，系统的效率大于75%；
当负载功率40～120 W时，175 ℃环境温度下，系统的效率大于80%；
负载功率为100 W时效率高达85%，可以满足高温环境下旋转导向系统的井下作业.
175 ℃时电压变化范围为37.0～43.5 V、电压增益范围为0.93～1.09；
150 ℃时电压输出值以及电压增益介于室温和175 ℃之间，这个输出电压值满足旋转导向系统中液压执行单元的输入电压范围(26～48 V)，因此可以满足高温环境下旋转导向系统的井下作业.
