基于LabVIEW的潛油電泵軟啟動與保護系統設計

姜建國 田金艷 安昊盈

(1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江 大慶 163318；2.遼河油田曙光采油廠，遼寧 盤錦 124000)

油田電泵采用三相異步電機，三相異步電機存在直接啟動時啟動電流大、調速性能差及功率因數低等缺點。在實際使用中，如果要限制啟動電流沖擊，需要調速和提高功率因數。目前電機啟動的方式很多，如定子回路串電阻、降壓啟動及Y-△啟動等，這幾種啟動方式均是有極調速且存在二次沖擊電流的問題。

隨著虛擬儀器的發展，美國NI公司推出LabVIEW虛擬儀器開發平臺，它具有豐富的擴展函數庫和分析子程序，為用戶編程提供了極大的方便[1]。這些擴展函數庫主要面向數據采集、GPIB和串行儀器控制、數據分析、數據顯示和數據存儲。用戶只需調出代表儀器功能、操作、數據處理、輸出顯示的圖標，輸入相關配置參數并連好類似數據流程圖的框圖，就完成了全部編程工作。LabVIEW軟啟動是以通用硬件為基礎,通過不同的軟件系統構建不同需求、不同功能的儀器。通過充分調動計算機數據處理能力,可制造出功能豐富、性能優異的工業儀器。通過LabVIEW軟件,編制出上位機軟件在微型機上運行,并通過TCP/IP、RS-232、RS-485、光纖及無線等通信方式實現上下位機通信,達到信息管理和調度中心、控制中心的功能。實現對電機軟啟動裝置的設置、監控和對電機的實時監控、保護報警及綜合調度等高級功能[2]。筆者介紹了基于LabVIEW的潛油電泵軟啟動和保護系統設計，從而限制啟動電流的沖擊，對于保護電機和延長電機壽命起到舉足輕重的作用。

1 潛油電泵軟啟動設計①

1.1 硬件設計

潛油電泵系統軟啟動硬件采用可控硅三相開環移相觸發器(SCR-3JK)，共有6路觸發信號輸出，內部采用數模混合三相移相觸發集成電路，內含缺相故障保護功能，具有高精度、觸發功率大、技術成熟、使用簡單可靠、易調試、抗干擾性強以及體積小等優點，主要用于感性負載及電機控制等產品中。

驅動模塊SCR-3JK由外部電源、門極驅動信號、控制信號和狀態指示4部分構成。其中，GA+和KA+、GA-和KA-分別接在A相雙向晶閘管陽極和門極之間。控制信號+5V與GND之間為恒壓調節輸入，4～20mA與GND之間為電流信號調節輸入，0～5V為變電壓信號輸入，該信號由NI9683模擬信號輸出AO0輸出實現變電壓調節，從而實現潛油電泵的軟啟動過程。采用SCR-3JK可控硅三相開環移相觸發器，它有多種應用電路，筆者選用如圖1所示的應用電路。+5V信號與OFF通過外部邏輯電路封鎖觸發脈沖，實現電機各種保護。

圖1 SCR-3JK可控硅三相開環移相觸發器應用電路

1.2 軟件設計

軟件設計是系統的核心，LabVIEW軟啟動程序產生0～5V的斜坡信號經由FPGA傳至NI9683的模擬輸出口AO0，控制SCR-3JK可控硅三相開環移相觸發器0～5V和GND端，從而實現軟啟動[3，4]，其設計流程如圖2所示。當電源輸入，模塊正常工作時，電源指示燈亮；反之，模塊非正常工作時，故障燈亮。LabVIEW軟啟動程序框圖如圖3所示，FPGA軟啟動程序如圖4所示。程序運行得到的0～5V斜坡信號前面板如圖5所示。

圖2 軟啟動設計流程

圖3 軟啟動程序框圖

圖4 FPGA軟啟動程序

圖5 軟啟動前面板

2 潛油電泵保護系統

潛油電泵保護系統是指在電泵出現過壓、欠壓、短路、過流、斷相及堵轉等故障時，迅速切斷電源并報警，以保證人身和設備的安全，減少對電泵的損害，減少經濟損失，延長電泵的使用壽命，保障潛油電泵系統安全穩定的運行[5]。本設計以NI虛擬儀器LabVIEW為平臺，使用TIPC8000-070液晶屏作為上位機，使用LabVIEW作為組態軟件進行上位機界面設計，不僅界面美觀，而且能縮短開發周期，節省學習新組態軟件的時間，其上位機顯示主界面如圖6所示。

圖6 上位機顯示主界面

通過串口RS-232相連，在液晶屏上設置相應的保護閾值，傳到NI 9606的串口，NI將采集到的電壓和電流數據與保護閾值進行比較得到系統相應的運行狀態，再經串口傳到上位機。若系統出現故障，則立即切斷電泵電源，并在液晶屏上顯示故障原因。上位機閾值設定界面如圖7所示。

圖7 上位機閾值設定界面

過電壓保護：工作電壓高于額定電壓15%時，保護在6s內動作。

過電流保護：保護電流可任意設定，電流值大于設定值，按動作特性曲線動作。

短路保護：任意一相電流達到8倍額定電流時，保護在2s內動作。

欠電壓保護：工作電壓低于額定電壓15%時，保護在6s內動作。

堵轉保護：當電機運行電流大于設定值5倍時，保護在2s內動作。

斷相保護：電機電源斷相時，保護在3s內動作。

3 結束語

虛擬儀器技術是當今測控領域研究和應用的重要方向之一，將其應用于電泵軟啟動與保護系統中，節約了系統開發周期，增加系統的可靠性和穩定性。筆者設計的基于LabVIEW的潛油電泵軟啟動與保護系統，通過上位機根據實際負載情況設置相應的保護閾值，能夠實現潛油電泵從零無極軟啟動，有效地保護電泵免受過大啟動電流的沖擊，具有實時性高和通用性好的優點。

[1] 陳樹學，劉萱.LabVIEW寶典[M].北京:電子工業出版社，2011.

[2] 馮輝.基于RS-485的電機保護系統的研究[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[3] Zhu L,Jiang S Z,Jiang J Z,et al.A New Simplex Wave Winding Permanent-Magnet Brushless DC Machine[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2011，47(1)：252～259.

[4] Xia C L,Li Z Q, Tingna S.A Control Strategy for Four-Switch Three Phase Brushless DC Motor Using Single Current Sensor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(6)：2058～2066.

[5] 陳伯時.電力拖動自動控制系統[M].北京：機械工業出版社, 2003.