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(fā)展，美國NI公司推出LabVIEW虛擬儀器開發(fā)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(tǒng)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(yōu)異的工業(yè)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(xiàn)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(xiàn)對電機軟啟動裝置的設置、監(jiān)控和對電機的實時監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)軟啟動硬件采用可控硅三相開環(huán)移相觸發(fā)器(SCR-3JK)，共有6路觸發(fā)信號輸出，內部采用數模混合三相移相觸發(fā)集成電路，內含缺相故障保護功能，具有高精度、觸發(fā)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(yōu)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(tài)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(jié)輸入，4～20mA與GND之間為電流信號調節(jié)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(xiàn)變電壓調節(jié)，從而實現(xiàn)潛油電泵的軟啟動過程。采用SCR-3JK可控硅三相開環(huán)移相觸發(fā)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(fā)脈沖，實現(xiàn)電機各種保護。

圖1 SCR-3JK可控硅三相開環(huán)移相觸發(fā)器應用電路

1.2 軟件設計

軟件設計是系統(tǒng)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(huán)移相觸發(fā)器0～5V和GND端，從而實現(xiàn)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，F(xiàn)PGA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(tǒng)

潛油電泵保護系統(tǒng)是指在電泵出現(xiàn)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(tǒng)安全穩(wěn)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(tài)軟件進行上位機界面設計，不僅界面美觀，而且能縮短開發(fā)周期，節(jié)省學習新組態(tài)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(tǒng)相應的運行狀態(tài)，再經串口傳到上位機。若系統(tǒng)出現(xiàn)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(tǒng)中，節(jié)約了系統(tǒng)開發(fā)周期，增加系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。筆者設計的基于LabVIEW的潛油電泵軟啟動與保護系統(tǒng)，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(xiàn)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(yōu)點。

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

[2] 馮輝.基于RS-485的電機保護系統(tǒng)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(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2003.