一种用于旋转导向钻井工具的软开关全桥逆变技术

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ICPT技术在旋转导向钻井工具中的应用

ICPT技术在旋转导向钻井工具中的应用作者：孟巍朱伟红孙师贤来源：《电子技术与软件工程》2018年第09期摘要本文介绍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进行传输，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。

ICPT技术在旋转导向钻井工具中的应用

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进行传输，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
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。
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
磷
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
图１：旋转导向工具的导向短节示意图
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。
该模块基于ＩＣＰＴ技术，全称为
ＩｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙＣｏｕｐｌｅｄＰｏｗｅｒＴｒａｎｓｆｅｒ，即非接触
１．１研究需求
感应耦合电能传输技术。该技术基于电磁感应
上世纪末开始，旋转导向系统（ＲｏｔａｒｙＳｔｅｅｒａｂｌｅＳｙｓｔｅｍ，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钻测井测量工具，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。

一种用于旋转导向钻井工具的非接触式电能传输系统[发明专利]

专利名称：一种用于旋转导向钻井工具的非接触式电能传输系统
专利类型：发明专利
发明人：解庆,苏静静,白玉新,马志新,李广伟,罗翔,张建国
申请号：CN201210249803.1
申请日：20120718
公开号：CN103580292A
公开日：
20140212
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种用于旋转导向钻井工具的非接触式电能传输系统，包括高频逆变器、旋转变压器、以及电源变换器；旋转变压器的初级安装在中心钻杆上，次级安装在非旋转外套上；高频逆变器固定在中心钻杆中位于泥浆发电机与旋转变压器之间，电源变换器安装在电子控制单元；泥浆发电机输出的低频三相交流信号经高频逆变器转换为高频单相交流信号，并输出给旋转变压器的初级，旋转变压器的初级与次级间通过感应电磁耦合传递能量，再通过旋转变压器的次级输出给电源变换器。

本发明实现了旋转导向钻井工具的电能从转子到定子的非接触式的耦合传输，并满足井下近钻头处随钻仪器设备的大功率供电需求。

申请人：北京精密机电控制设备研究所,中国运载火箭技术研究院
地址：100076 北京市丰台区南大红门路1号
国籍：CN
代理机构：核工业专利中心
代理人：高尚梅
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用在自主研发的旋转导向钻井工具上，取得了多次井下
实验的成功。
ＰＷＭ谐振变换器、串联谐振电路和保护电路组成。三
相整流桥和电容阵列将输入的低频三相交流电变换为
直流电后，一路输出给全桥ＺＶＳ—ＰＷＭ谐振变换器，另
一
路经过ＤＣＤＣ变换为＋１５Ｖ和＋５Ｖ供ＺＶＳ—ＰＷＭ
控制器使用；ＺＶＳ— ＰＷＭ控制器输出２组４路ＰＷＭ信号（每组的２路相位差１８０。并包含死区时间），经过全桥
自举驱动电路控制全桥ＺＶＳ—ＰＷＭ谐振变换器的开关管依次导通，最后输出单相高频交流电信号；系统内部设置过流保护、过压保护功能，超出最高值即关闭ＺＶＳ一
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｆｕｌｌｂｉｄｒｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒｉｎｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒａｂｌｅｔｏｏｌ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇｚｅｒｏｖｏｌｔａｇｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｏｆｆｕｌｌｂｉｄｒｇｅｓｗｉｔｃｈｕｓｉｎｇｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｅｌｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅａｃｈｅｄ８５％ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｔ３００Ｗｒａｔｅｄｐｏｗｅｒ．
石油管材与仪器
２０１５年第１卷第５期
ＰＥＴＲｏＬＥＵＭＴＵＢＵＬＡＲＧＯＯＤＳ＆ＩＮＳＴＲＵｎＥＮＴＳ
・
开发设计・
一
种用于旋转导向钻井工具的软开关全桥逆变技术木
解庆白玉新罗翔张朝阳程召江
全桥逆变器将发电机输出的低频三相交流电转换
态推靠式旋转导向主流的技术路线，国内石油设备相关机构研发并成功应用的实例并不多。为提高非接触式电能传输效率，井下高温逆变技术
一
为高频单相交流电，通过电磁感应从旋转变压器原边到副边传递，再由稳压变换器输出供电。
０引言
旋转导向钻井工具应用非接触式电能传输系统实现中心钻杆到不旋转外套的电能传输，是目前国内外静
向是从中心钻杆（全桥逆变器和旋转变压器原边）到不
旋转外套（旋转变压器副边和电源变换器）。
１．１总体方案
Ｋｅｙｗｏｒｄ：ｒｏｔａｒｙｓｔｅｅｒｂｌａｅｔｏｏｌ，ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓｐｏｗｅｒｔｒａｎｓｆｅｒ，ｓｏｔ —ｓｆｗｉｔｃｈｉｎｇｉｎｖｅｒｔｅｒ
效率。
关键词：旋转导向；非接触式电能传输；软开关逆变中图法分类号：ＴＥ２４３文献标识码：Ａ文章编号：２０９６－００７７（２０１５）０５— ００２１－０３
Ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＦｕｌｌ — ｂｒｉｄｇｅＩｎｖｅｒｔｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＲｏｔａｒｙＳｔｅｅｒａｂｌｅＴｏｏｌ
ＸＩＥＱｉｎｇＢＡＩＹｕｘｉｎＬＵＯＸｉａＣＨＥＮＧＺｈａ￣ｉａｎｇ
（ＢｅｉｉｆｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｒｅｃ￣ｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６，Ｃｈｉｎａ）
如图１所示，全桥逆变器由三相整流桥、电容阵列、
直是不断研究的课题，既要满足旋转导向大功率用电
ＤＣＤＣ、ＺＶＳ— ＰＷＭ控制器、全桥自举驱动电路、全桥ＺＶＳ
—
需求，还要在高温狭窄密封空间内可靠工作数百小时，对逆变器的效率、结构和工艺提出了超高的要求。本文所阐述的高温软开关全桥逆变技术已成功应
（北京精密机电控制设备研究所北京１０００７６）
摘
要：针对旋转导向钻井工具中的非接触式电能传输系统，设计了一种井下高温软开关零电压式全桥逆变电路，通过谐振原理
利用谐振元件实现全桥开关管的零电压开关，以降低开关损耗，使得非接触式电能传输系统在３００Ｗ额定功率下达到８５％的传输