井下存儲(chǔ)式電磁探傷儀電源模塊設(shè)計(jì)

黨瑞榮，楊月月，王炳友，王 港，王新亞，蔡增田

(1.西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065；2.勝利油田石油工程技術(shù)研究院，山東東營(yíng) 257000)

0 引言

水平井、大斜度井、大位移井在油田開發(fā)中已相當(dāng)普遍[1]。目前水平井測(cè)井的方式都沒有擺脫使用測(cè)井電纜,測(cè)井過程靠?jī)x器自身質(zhì)量下放，遇到大斜度井或水平井的時(shí)候會(huì)遇到輸送問題，裸露在鉆桿外部的電纜在施工過程中極易損壞,進(jìn)而造成測(cè)井成功率低，對(duì)井況要求較高，已經(jīng)不適合復(fù)雜油田生產(chǎn)開發(fā)的要求[2]。并且傳統(tǒng)電纜供電方式的瞬變電磁系統(tǒng)在高溫高壓或有害氣體的惡劣環(huán)境下難以進(jìn)行測(cè)井作業(yè)。在油田測(cè)井領(lǐng)域，基于瞬變電磁理論的電磁探傷測(cè)井技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)油管、套管損害狀況的檢測(cè)[3]。因此無電纜工作方式的存儲(chǔ)式瞬變電磁測(cè)井系統(tǒng)正適應(yīng)這一要求。但是保證良好的供電系統(tǒng)，存儲(chǔ)式瞬變電磁測(cè)井儀才能夠正常工作[4]。系統(tǒng)采用電池供電，電池不是恒壓源，因此需要通過轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓。

電磁探傷系統(tǒng)中要用到的低壓電源有+3.3 V、+5 V以及±12 V。由于系統(tǒng)對(duì)供電的要求，所以在設(shè)計(jì)供電模塊時(shí)，采用電流控制型DC/DC開關(guān)穩(wěn)壓器和低壓差線性穩(wěn)壓器結(jié)合的方法，滿足系統(tǒng)中對(duì)高電壓或者大電流的特殊要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)

電源為系統(tǒng)提供動(dòng)力，電源的性能直接決定著整個(gè)系統(tǒng)能否安全、正常、可靠地運(yùn)行[5]。面臨井下空間小、溫度高的惡劣井況，選擇電池時(shí)，電池艙體的體積和高溫環(huán)境下電池能否正常工作必須滿足需求。同時(shí)儀器在井下要長(zhǎng)時(shí)間工作，工作時(shí)長(zhǎng)得到保障的前提是選取大容量電池以保障續(xù)航時(shí)間。并且電池輸出功率和驅(qū)動(dòng)能力也要使電磁探傷儀正常工作。供電電池為高溫鋰電池。經(jīng)電源模塊轉(zhuǎn)換得到的輸出電壓為系統(tǒng)電路供電。系統(tǒng)組成及應(yīng)用如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)式電磁探傷系統(tǒng)的組成及應(yīng)用

1.2 電源模塊功耗分析

電池在放電的過程中內(nèi)阻是逐漸變大的，所以在負(fù)載不變的情況下,電池內(nèi)部損耗是逐漸變大的，電壓隨著電量的減小呈現(xiàn)減小趨勢(shì)且兩者為非線性關(guān)系。因此，若電壓低于儀器中器件所需電壓，則儀器無法正常工作，而且輸出電壓超過額定電壓,不利于電源的長(zhǎng)久運(yùn)行。電壓下降的過程中，電流也會(huì)隨之減小，設(shè)備則無法被驅(qū)動(dòng)。由于電源模塊所要提供的功率要達(dá)到電磁探傷儀的功耗要求，功耗分析如表1所示。表中的功耗計(jì)算數(shù)值均采用最大功耗。

表1 電磁探傷系統(tǒng)功耗

由表1數(shù)值可知，單節(jié)電池?zé)o法滿足系統(tǒng)需求，系統(tǒng)擬采用4節(jié)電池串聯(lián)供電以滿足系統(tǒng)的功耗要求。

1.3 電磁探傷儀供電方案設(shè)計(jì)

根據(jù)損傷檢測(cè)理論以及陣列電磁探頭的探測(cè)機(jī)制。井下探測(cè)電路系統(tǒng)包括激勵(lì)信號(hào)的發(fā)射電路、接收電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、控制電路、探測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)電路。

發(fā)射電路是由自舉電路驅(qū)動(dòng)H橋形成周期性的雙極性波，發(fā)射電路所需的電壓為12 V和5 V。接收電路包括前置放大電路和差分電路，所需提供的電壓為±12 V?？刂齐娐泛虯/D轉(zhuǎn)換電路以及存儲(chǔ)電路正常工作需要的電壓為3.3 V和5 V。利用電池供電轉(zhuǎn)換得到電磁探傷系統(tǒng)所需的電壓。

2 電源管理模塊設(shè)計(jì)

電源模塊主要電路如圖2所示。圖中包括系統(tǒng)主電路5 V電壓產(chǎn)生電路和±12 V電壓產(chǎn)生電路。其中5 V電壓產(chǎn)生電路為±12 V電壓產(chǎn)生電路供電。

圖2 電源模塊主電路

2.1 系統(tǒng)主電路5 V電壓產(chǎn)生電路

電磁探傷儀的發(fā)射電流會(huì)對(duì)徑向探測(cè)距離或徑向探測(cè)深度有影響，發(fā)射電流I越大，發(fā)射功率越大，可以增大探測(cè)的深度[6]。

系統(tǒng)主電路采用輸入電壓為4～40 V，輸出電壓為0.8～28 V可調(diào)，并以3.5 A持續(xù)輸出電流放電，工作方式為電流模式控制的LMR14030-Q1開關(guān)穩(wěn)壓器，工作原理如圖3所示。利用電感電流與電壓環(huán)提供的反饋電流去控制開關(guān)的占空比，使電感峰值電流跟隨電壓反饋電路中誤差放大器輸出的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的精確調(diào)節(jié)，并且頻率可調(diào)。

圖3 主電路工作原理

為了提高電壓轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，通過調(diào)整占空比的方式消除開關(guān)管的占空比大于50%時(shí)存在的次諧波振蕩，即電感電流的誤差，電感電流對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)如圖4所示。

圖4 電感電流對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)

en=[-M2/M1]ne0

(1)

式中：e0為第一個(gè)周期的電感電流誤差；M1、M2為電感電流上升段和下降段的斜率,M2/M1=D/D′；D為開關(guān)占空比；D′為擾動(dòng)占空比。

由于探傷系統(tǒng)所需的供電電壓為5 V，為了消除誤差，將輸入電壓設(shè)置為大于10 V。

通過式(2)可計(jì)算外圍電阻R1801，固定R1803的值為127 kΩ，可得R1801為720 kΩ。

VOUT=0.75(1+R1801/R1803)

(2)

軟啟動(dòng)管腳可以防止電流過大對(duì)芯片造成的沖擊，軟啟動(dòng)時(shí)間tSS可由式(3)計(jì)算：

tSS=(CSS·UREF)/ISS

(3)

式中：ISS為內(nèi)部電流源；UREF為參考電壓。

開關(guān)頻率會(huì)影響轉(zhuǎn)換效率，為了確定給定開關(guān)頻率fsw(kHz)的定時(shí)電阻，使用式(4)得到RT為73 kΩ。

RT=42 904×fsw

(4)

電路設(shè)計(jì)過程中，電容可以起到吸收紋波、平滑電壓的作用，其等效串聯(lián)電阻值直接影響著電源輸出紋波的大小[7]。選擇電容以較小的等效串聯(lián)電阻，盡可能大的容量為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于輸出電壓，大容值有助于降低電壓紋波，提高負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)[8]。電感采用結(jié)電容較小的肖特基二極管，因?yàn)榻Y(jié)電容對(duì)效率有很大的影響，通過比較，選擇型號(hào)SBRT5A50SA的肖特基二極管。

因此信號(hào)經(jīng)過輸入電容組，使脈動(dòng)直流電壓中的交流成分得到一定程度的減小，降低了輸入紋波。經(jīng)晶片鐵氧體磁珠B1后可在噪聲頻率下起到電阻器的作用，降低共振的可能性，使信號(hào)波形不失真。然后經(jīng)過4個(gè)電容組成的第二級(jí)濾波電路，所選擇的濾波電容能夠減小輸出的低頻紋波和高頻紋波噪聲，電感的作用是可以使得到的輸出電壓更加平穩(wěn)，紋波更小。

2.2 供電3.3 V電壓產(chǎn)生電路

LD1117可提供5 V固定電壓輸出，由場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管、取樣電阻、比較放大器組成。輸入電壓不變時(shí)，若輸出電壓減小，取樣電壓相應(yīng)減小，誤差放大器的輸出電壓減小，場(chǎng)效應(yīng)管的柵極電壓減小，因此的柵-源電壓增大，開關(guān)管的等效電阻減小，源-漏電壓減小，輸出電壓增大，從而通過負(fù)反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出電壓的目的。

2.3 供電±12 V電壓產(chǎn)生電路

±12 V電壓產(chǎn)生電路采用DC/DC轉(zhuǎn)換器LT3580，其工作方式為恒定頻率，電流模式控制。它有3種工作拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為升壓拓?fù)?、SPEIC拓?fù)洹⒛孀兺負(fù)?，其中升壓拓?fù)渲辉试S輸入高于輸出電壓，SPEIC拓?fù)湓试S輸入高于、等于或低于所需的輸出電壓。而逆變拓?fù)涞姆答佉_允許通過改變外部組件的連接來構(gòu)建反向拓?fù)?，輸出?fù)電壓，同時(shí)采用雙電感在逆變拓?fù)渲泄ぷ?。電感與輸出串聯(lián)使得輸出電壓紋波非常低。

12 V電壓和-12 V電壓產(chǎn)生分別采用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。若要得到所需的電壓輸出，對(duì)管腳反饋電阻器值進(jìn)行配置。當(dāng)配置輸出為+12 V時(shí)，根據(jù)式(5)計(jì)算RFB，當(dāng)配置為-12 V時(shí)，根據(jù)式(6)可得出其值。

VOUT=83.3×10-6×RFB+1.215

(5)

|VOUT|=83.3×10-6×RFB-0.005

(6)

式中：RFB為反饋電阻；VOUT為輸出電壓。

+12 V產(chǎn)生原理：VIN為功率變換器開關(guān)管開通時(shí)電流環(huán)受控電感的端電壓，VOUT為關(guān)斷時(shí)的端電壓，且參考方向相反。電感磁通達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，即

VINton=(VOUT-VIN)toff

(7)

周期條件為

ton+toff=T

(8)

可得

toff=VINT/VOUT

(9)

式中：ton為開啟時(shí)間；toff為關(guān)斷時(shí)間；T為周期。

輸入電壓小于輸出電壓，實(shí)現(xiàn)升壓。

-12 V產(chǎn)生原理：LT3580開關(guān)管斷開和閉合狀態(tài)下電感增加的磁通和電感減小的磁通達(dá)到平衡時(shí)，得到式(10)。

VINton=-(|VOUT|+VIN)(T-ton)

(10)

根據(jù)式(8)可得

VIN/|VOUT|=-toff/T

(11)

由式(11)可以得出，輸入與輸出的極性相反。并且

VIN/|VOUT|＜1

(12)

以此實(shí)現(xiàn)升壓逆變。

LT3580經(jīng)過配置后，根據(jù)±12 V電壓產(chǎn)生原理，上電后開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)電流流過內(nèi)部電流檢測(cè)電阻器，產(chǎn)生與開關(guān)電流成比例的電壓，經(jīng)過放大作為PWM比較器的正輸入端，負(fù)輸入端電平由誤差放大器設(shè)置，取決于配置為升壓轉(zhuǎn)換器還是逆變轉(zhuǎn)換器。當(dāng)PWM的正端電壓大于負(fù)端，開關(guān)管關(guān)閉。反之開關(guān)管始終導(dǎo)通，以此調(diào)節(jié)輸出電壓。

3 電源性能仿真及實(shí)際測(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電源模塊的可行性和其供電效果。電池組的輸入電壓是一個(gè)寬范圍。 實(shí)測(cè)過程中，對(duì)于5 V電壓產(chǎn)生電路，帶載狀態(tài)下，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示，設(shè)置示波器中每格的數(shù)值為50 mV，從示波器中可以得出紋波值為30 mV。用萬用表測(cè)得的示數(shù)為4.97 V，且無明顯跳變。

圖5 輸出電壓5 V條件下實(shí)測(cè)結(jié)果

由于±12 V產(chǎn)生電路由5 V電壓產(chǎn)生電路的輸出電壓供電，5 V電壓產(chǎn)生電路的輸出為4.97 V，因此實(shí)測(cè)之前，對(duì)±12 V電壓產(chǎn)生電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，測(cè)試條件給定輸入電壓為4.97 V，仿真結(jié)果得到的輸出電壓為±12 V，仿真結(jié)果如圖6(a)所示。

由于5 V電壓的紋波會(huì)對(duì)3.3 V和±12 V造成干擾。因此以5 V電壓產(chǎn)生電路的輸出電壓作為實(shí)測(cè)的輸入電壓，經(jīng)過紋波抑制后測(cè)試結(jié)果如圖6(b)和圖6(c)所示，設(shè)置示波器中每格的數(shù)值為100 mV，電源模塊產(chǎn)生的+12 V和-12 V電壓的紋波均小于60 mV。

(a)±12 V仿真

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電源模塊性能穩(wěn)定，并且有很好的紋波抑制效果。通過制作PCB板進(jìn)行試驗(yàn)后，將其應(yīng)用于電磁探傷儀對(duì)其負(fù)載能力進(jìn)行測(cè)試。圖7為儀器實(shí)物圖。利用電池給系統(tǒng)供電，進(jìn)行損傷探測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)電源電路可以滿足需求，同時(shí)可以通過上位機(jī)采集回?fù)p傷數(shù)據(jù)。電磁探傷儀的上位機(jī)數(shù)據(jù)曲線顯示如圖8所示。結(jié)果表明該電源模塊具有實(shí)用性，可以滿足系統(tǒng)對(duì)功率的要求。

圖7 儀器實(shí)物圖

圖8 上位機(jī)曲線圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種存儲(chǔ)式儀器的供電模塊，創(chuàng)新點(diǎn)是利用無纜式的工作方式取代傳統(tǒng)電纜測(cè)井的方式，節(jié)省了測(cè)井儀器下井穿電纜的時(shí)間和人力，降低了測(cè)井施工的成本。在惡劣的條件下能夠?qū)嵤┯行У臏y(cè)井施工，避免由于電纜輸送帶來的不利影響。

電源模塊經(jīng)過焊接調(diào)試后，應(yīng)用到電磁探傷儀器中能夠滿足系統(tǒng)在125 ℃的高溫井下工作的的需要。并且在瞬變電磁探傷儀發(fā)射功率為12.5 W且工作的最大功率需求為15 W的條件下，電池組可以提供的功率為17.28 W，經(jīng)過電源模塊處理后提供給電磁探傷系統(tǒng)的的功率可以達(dá)到15.36 W，大于系統(tǒng)所需的最大功率。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)電源模塊可以滿足系統(tǒng)的最大工作需求，在實(shí)際應(yīng)用中也可以為瞬變電磁探傷儀穩(wěn)定供電，保證測(cè)井的正常進(jìn)行。在水平井以及大斜度井中有很好的應(yīng)用前景。