電磁測井大功率信號源設計

嵇成高 ，李衛(wèi)強 ，李國英 ，鄭瑞琪 ，顧佳， 唐宇霖

（1.中國石油測井測井有限公司物資裝備公司,西安,710018）(2.中國石油集團測井有限公司天津分公司,天津 300280 ）

1 引言

電磁測井法指的是在地井中利用電磁波來進行探測的地球物理測井方法。測量時在發(fā)射機一端發(fā)射低頻電磁波，在接收機一端接收穿過地層中的電磁波，通過分析接收的電磁波的幅度和相位，反推出地層的相關的電磁介質參數來達到分析地層構造的目的。電磁測井結合了常規(guī)的電磁法和地球物理測井的優(yōu)勢，不僅保證了高分辨率和高精度，還能有較大的探測深度[1]。這種方法主要是通過使用低頻電磁波對地井的地層進行多點掃描測量，通過分析已經改變的電磁波的幅度和相位信號來反推出地層的電磁信息來,反推地層的電阻率[2],達到探測目標物和對地層做CT的目的[3]。由于電磁測井所使用的發(fā)射信號的頻率通常比較低，關注的重點在于怎么才能將發(fā)射機中的信號輻射到較遠距離，所以對于井下電磁探測的研究將重點關注發(fā)射機功率方面的問題[4]。

2 電磁測井信號源設計

2.1 總體設計方案

總體設計方案如圖1所示，首先需要一個電源模塊為所有的模塊提供電源，然后控制模塊中產生PWM控制信號來控制驅動電路產生驅動電壓或者驅動電流，通過驅動模塊來驅動大功率晶體管構成的全橋電路產生更大幅度的按正弦規(guī)律變化的電壓加載到和電容構成諧振的線圈上輻射出去。

圖1 電磁測井發(fā)射源電路框圖

2.2 全橋電路設計

全橋電路由四個晶體管搭建而成，由于所需的發(fā)射功率較高，所以所選用的晶體管也需要能夠承受的住大功率才行；經過調研發(fā)現，在電力電子行業(yè)經常使用一種叫IGBT的大功率晶體管能夠承受的住600V以上的電壓，10A以上的電流，設計中采用IGBT作為全橋電路的開關器件。圖2為全橋電路的示意圖，由兩塊IGBT連接而成，其中晶體管a和晶體管d所接的控制信號的極性相同，也就是晶體管a和晶體管d同時打開，此時要保證晶體管c和晶體管b處于關斷狀態(tài)，此時外接的直流電的方向為Ia；接下來晶體管a和d關斷，晶體管b和c打開，此時的電流方向為Ib；這樣通過控制四個晶體管的導通時間上的配合，就能在接入負載端產生雙極性的交流PWM放大電流。

圖2 全橋電路示意圖

2.3 驅動電路設計

IGBT對于驅動電路的要求主要有幾個方面：觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度，脈沖前后沿要陡峭；柵射極電壓要適當；增大柵射極正偏壓對減小開通損耗和導通損耗有利，但也會使管子承受短路電流的時間變短，續(xù)流二極管反向恢復電壓增大；當IGBT處于負載短路或者過流狀態(tài)時，能在IGBT允許時間內逐漸降低柵壓自動抑制故障電流，實現IGBT的軟關斷。本文設計選用EXB841加外圍電路的方式來驅動IGBT模塊。

2.4 控制電路設計

控制模塊部分主要實現PWM調制信號的產生和與上位機的通信，主要包括單片機和電源。因為FPGA組合邏輯能力強，時序實現能力強的特點，設計中采用賽靈思spartan-6系列FPGA芯片來實現控制，電源部分主要通過使用亞德諾的LTM4615系列芯片來實現,其示意圖如圖3所示。

圖3 控制電路示意圖

2.5 PWM程序設計

通過DDS的方式生成正弦波，首先使用MATLAB來生成正弦波所需的點，存儲深度設為1024，也即在正弦波的一個周期內選取按順序選取1024個點，并將其存儲成.coe文件，只有這樣，FPGA才能夠識別這個文件，并按照文件中點的數據和順序輸出出波形。然后通過FPGA內部的IP核將這些點存儲到ROM中去，ROM IP核會引出一個地址接口，將這個接口接入到時鐘上去，地址就會按照所給的時鐘進行累加，同時將這個地址上的數據輸出。在FPGA內部生成三角波比較簡單，設置一個寄存器和計數器，當計數到所設的值之前，就累加，當到設置的值之后，就遞減，這樣循環(huán)往復，三角波就生成了。然后將正弦波與三角波進行比較，生成PWM波，當正弦波大于三角波時，輸出高電平，否則輸出低電平，如圖4所示。

圖4 PWM波仿真圖

3 驗證測試

在驗證電路能否發(fā)射出正弦波之前，需要設計一個合理的測試方案來對發(fā)射源發(fā)出的正弦波進行驗證；由于發(fā)射源是外接發(fā)射線圈將正弦波信號輻射到介質中去，因此可以使用一個線圈位于發(fā)射線圈平行線上的位置來進行電磁波的接收，再將接收線圈的兩個端口接入示波器來觀察接收線圈接收到的信號波形，示意圖如圖5所示。

圖5 測試現場圖

由于井間源的信號加載到負載上的時候其GND是浮動的，因此在進行對加負載的井間源輸出電流測試的時候，不能直接使用示波器的探針來測，應該使用差分探頭來測量采樣電阻上的電壓值，并保存其時域波形數據，然后對每個點除以電阻值求出電流之后，算出平均值，就可以得出加載到負載上的電流的平均值。圖6所示為通過差分探頭測量到的采樣電阻為2Ω的峰峰值為116mV，其中采樣電阻的衰減為50倍，所以采樣電阻的實際峰峰值為5.8V，單邊峰值為2.9V，其電壓有效值約為2.05V，可以得出其有效電流約為1.025A，此時直流電壓為30V，得到輸出功率約為30.75W，為了驗證這個計算結果是否正確，使用MATLAB對采集到的波形的實際數據進行處理之后得到其電流值約為1.01A，符合設計需求。

圖6 15.625Hz電流測試

4 結論

通過上面對于電磁探測大功率信號源電路的介紹以及最后對于整個系統的測試結果可以得知，通過使用IGBT搭建全橋電路的方式能夠將直流電逆變?yōu)榻涣髡倚盘枺⑶夜β誓軌驖M足井間電磁探測的需求。