電磁探傷儀電源系統(tǒng)研究

0 引言

　　電磁探傷儀可用于探測套管的變形、孔洞、斷裂、裂縫等故障并對故障進(jìn)行精確定位，為生產(chǎn)井的普查提供了有效的方法，也為套損井的修復(fù)提供直接的依據(jù)，對保障油氣井的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)有著重要的意義和作用。同大多數(shù)生產(chǎn)測井儀一樣，電磁探傷儀采用的也是單芯鎧裝電纜，該電纜既是井下儀器的供電電纜，同時也是井下儀器與地面的通信電纜，在實現(xiàn)傳輸與供電的過程中，鎧裝電纜的纜芯和纜皮必須同時被作為傳輸介質(zhì)才能實現(xiàn)上述功能，而且必須采用有效的方法使其同時實現(xiàn)供電與信號傳輸功能。井下儀器的電源包括測試探頭所需要的交流激勵電源以及井下控制與檢測電路所需要的+5V和±12V的工作電源，為了實現(xiàn)供電與信號的傳輸功能，本文所采用的方法是在地面上將220V的交流電變換為合適的直流電，并通過電纜傳到井下，再經(jīng)DC／DC電壓轉(zhuǎn)換電路輸出5V、±12V以及測試探頭所需要的交流驅(qū)動電壓。大量的研究試驗結(jié)果表明，采用上述方法實現(xiàn)的電源工作穩(wěn)定，為井下供電的同時，可實現(xiàn)井下與地面間的實時通信，在傳輸距離為2000m時，能可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　電磁探傷儀的電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由地面變壓器、直流穩(wěn)壓電路、DC／DC變壓器、5V、±12V電壓轉(zhuǎn)換電路和CMOS控制信號電路等五部分組成。其中地面變壓器的作用是將220V的交流電變?yōu)?70V的交流電，然后再經(jīng)過直流穩(wěn)壓電路將170V的交流變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)過DC／DC變壓器得到7V、15V和測試探頭的驅(qū)動電壓，最后分別經(jīng)過5V和±12V電壓轉(zhuǎn)換電路就可得到5V和±12V的工作電壓。

2 主要功能模塊設(shè)計

2．1 直流穩(wěn)壓電路

　　本電源系統(tǒng)中的直流穩(wěn)壓電路如圖2所示，圖2中170V的交流電壓經(jīng)過KC403單向橋式整流后，再由二階II型網(wǎng)絡(luò)濾波，輸出170V的直流電壓。值得一提的是，由于井下數(shù)據(jù)是通過170V直流電纜上傳的，為了防止后續(xù)電路對前端電路產(chǎn)生干擾，在170V整流橋的每個二極管上都并聯(lián)一個0．1μF的電容，此外，這些電容能夠很好地吸收二極管的開關(guān)噪聲。在電源濾波電路中，電容的耐壓值一般為輸入電壓的2倍，且電容比較大，這樣交流成分比較容易被濾掉，輸出電壓比較平滑。

2．2 CMOS控制電路

　　所采用的CMOS控制電路是一種脈寬調(diào)制(PWM)電路，PWM波形發(fā)生電路主要由或非門CD4001和D觸發(fā)器CD4013構(gòu)成，如圖3所示。

　　通過電阻R6和電容C10組成的RC網(wǎng)絡(luò)的反復(fù)充放電，使或非門CD4001輸出占空比為1：1的方波，經(jīng)D觸發(fā)器CD4013四分頻后，再或非，最終得到占空比為1：4的PWM波形，電路的具體時序關(guān)系如圖4所示。PWM波形產(chǎn)生后，經(jīng)乙類功率放大電路驅(qū)動后用以控制CMOS管的交替導(dǎo)通，從而得到交流電壓。

圖4 DC/DC轉(zhuǎn)換驅(qū)動波形

2．3 DC／DC變壓器

　　井下電源模塊需要提供+5V、±12V和驅(qū)動測試探頭的電壓，且本模塊采用推挽隔離變換器方式，其電路原理如圖5所示，變壓器T1起隔離和傳遞能量的作用。在開關(guān)管S1開通時，變壓器T1的NP1繞組工作并耦合到副邊Ns1繞組；開關(guān)管S1關(guān)斷時，NP1向Msl釋放能量；反之亦然。在任何工作條件下，開關(guān)管都承受兩倍的輸入電壓，此電路多用于大功率等級的DC／DC電源中，兩個開關(guān)管都是相互交替打開的，所以兩組驅(qū)動波形(PWM)相位差應(yīng)大于180°，并存在一定死區(qū)時間。圖5中VOLT+，VOLT-為測試探頭的驅(qū)動電壓。

2．4 5V、±12V電壓轉(zhuǎn)換電路

　　如圖5所示，從DC／DC變換器輸出的交流電壓VOLT5+和VOLT5-輸入到圖6對應(yīng)的管腳，即可分時對C1、C2、C3充電，一般C1、C2比較大，C3比較小，這是因為大容量電容存在感抗特性，在電源切換時會產(chǎn)生高頻率的噪聲，從而使濾波效果下降，這時并聯(lián)一個小電容，彌補(bǔ)這種情況下的不足。將經(jīng)過這3個電容后的直流電壓接到7805，就可以得到需要的+5V工作電壓。從DC／DC變換器輸出的交流電壓VOLT12揄入到圖7對應(yīng)的管腳，經(jīng)過D3對電容C1充電，利用三極管的開關(guān)特性將電容C3兩端的電壓穩(wěn)到+12V，同理，電容C4兩端被穩(wěn)到-12V。這樣便可得到電磁探傷儀所需要的+5V和±12電壓。

3 結(jié)語

　　對所設(shè)計的電源系統(tǒng)進(jìn)行了大量的室內(nèi)外試驗，結(jié)果表明，該電源系統(tǒng)工作正常，能夠為井下儀器提供大功率的電能，并在為2000m的傳輸距離內(nèi)使井下數(shù)據(jù)的可靠傳輸，滿足了電磁探傷儀供電與傳輸系統(tǒng)實際需求，為電磁探傷儀的可靠工作提供了保證。