基于LabVIEW的潛油電泵軟啟動(dòng)與保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜建國 田金艷 安昊盈

(1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)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(jī)，三相異步電機(jī)存在直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流大、調(diào)速性能差及功率因數(shù)低等缺點(diǎn)。在實(shí)際使用中，如果要限制啟動(dòng)電流沖擊，需要調(diào)速和提高功率因數(shù)。目前電機(jī)啟動(dòng)的方式很多，如定子回路串電阻、降壓啟動(dòng)及Y-△啟動(dòng)等，這幾種啟動(dòng)方式均是有極調(diào)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(tái)，它具有豐富的擴(kuò)展函數(shù)庫和分析子程序，為用戶編程提供了極大的方便[1]。這些擴(kuò)展函數(shù)庫主要面向數(shù)據(jù)采集、GPIB和串行儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。用戶只需調(diào)出代表儀器功能、操作、數(shù)據(jù)處理、輸出顯示的圖標(biāo)，輸入相關(guān)配置參數(shù)并連好類似數(shù)據(jù)流程圖的框圖，就完成了全部編程工作。LabVIEW軟啟動(dòng)是以通用硬件為基礎(chǔ),通過不同的軟件系統(tǒng)構(gòu)建不同需求、不同功能的儀器。通過充分調(diào)動(dòng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)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(jī)軟件在微型機(jī)上運(yùn)行,并通過TCP/IP、RS-232、RS-485、光纖及無線等通信方式實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信,達(dá)到信息管理和調(diào)度中心、控制中心的功能。實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)軟啟動(dòng)裝置的設(shè)置、監(jiān)控和對(duì)電機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、保護(hù)報(bào)警及綜合調(diào)度等高級(jí)功能[2]。筆者介紹了基于LabVIEW的潛油電泵軟啟動(dòng)和保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而限制啟動(dòng)電流的沖擊，對(duì)于保護(hù)電機(jī)和延長電機(jī)壽命起到舉足輕重的作用。

1 潛油電泵軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)①

1.1 硬件設(shè)計(jì)

潛油電泵系統(tǒng)軟啟動(dòng)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(hào)輸出，內(nèi)部采用數(shù)模混合三相移相觸發(fā)集成電路，內(nèi)含缺相故障保護(hù)功能，具有高精度、觸發(fā)功率大、技術(shù)成熟、使用簡單可靠、易調(diào)試、抗干擾性強(qiáng)以及體積小等優(yōu)點(diǎn)，主要用于感性負(fù)載及電機(jī)控制等產(chǎn)品中。

驅(qū)動(dòng)模塊SCR-3JK由外部電源、門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)、控制信號(hào)和狀態(tài)指示4部分構(gòu)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?？刂菩盘?hào)+5V與GND之間為恒壓調(diào)節(jié)輸入，4～20mA與GND之間為電流信號(hào)調(diào)節(jié)輸入，0～5V為變電壓信號(hào)輸入，該信號(hào)由NI9683模擬信號(hào)輸出AO0輸出實(shí)現(xiàn)變電壓調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)潛油電泵的軟啟動(dòng)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(yīng)用電路，筆者選用如圖1所示的應(yīng)用電路。+5V信號(hào)與OFF通過外部邏輯電路封鎖觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)電機(jī)各種保護(hù)。

圖1 SCR-3JK可控硅三相開環(huán)移相觸發(fā)器應(yīng)用電路

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)的核心，LabVIEW軟啟動(dòng)程序產(chǎn)生0～5V的斜坡信號(hào)經(jīng)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(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)[3，4]，其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。當(dāng)電源輸入，模塊正常工作時(shí)，電源指示燈亮；反之，模塊非正常工作時(shí)，故障燈亮。LabVIEW軟啟動(dòng)程序框圖如圖3所示，F(xiàn)PGA軟啟動(dòng)程序如圖4所示。程序運(yùn)行得到的0～5V斜坡信號(hào)前面板如圖5所示。

圖2 軟啟動(dòng)設(shè)計(jì)流程

圖3 軟啟動(dòng)程序框圖

圖4 FPGA軟啟動(dòng)程序

圖5 軟啟動(dòng)前面板

2 潛油電泵保護(hù)系統(tǒng)

潛油電泵保護(hù)系統(tǒng)是指在電泵出現(xiàn)過壓、欠壓、短路、過流、斷相及堵轉(zhuǎn)等故障時(shí)，迅速切斷電源并報(bào)警，以保證人身和設(shè)備的安全，減少對(duì)電泵的損害，減少經(jīng)濟(jì)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(yùn)行[5]。本設(shè)計(jì)以NI虛擬儀器LabVIEW為平臺(tái)，使用TIPC8000-070液晶屏作為上位機(jī)，使用LabVIEW作為組態(tài)軟件進(jìn)行上位機(jī)界面設(shè)計(jì)，不僅界面美觀，而且能縮短開發(fā)周期，節(jié)省學(xué)習(xí)新組態(tài)軟件的時(shí)間，其上位機(jī)顯示主界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)顯示主界面

通過串口RS-232相連，在液晶屏上設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)閾值，傳到NI 9606的串口，NI將采集到的電壓和電流數(shù)據(jù)與保護(hù)閾值進(jìn)行比較得到系統(tǒng)相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，再經(jīng)串口傳到上位機(jī)。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(jī)閾值設(shè)定界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)閾值設(shè)定界面

過電壓保護(hù)：工作電壓高于額定電壓15%時(shí)，保護(hù)在6s內(nèi)動(dòng)作。

過電流保護(hù)：保護(hù)電流可任意設(shè)定，電流值大于設(shè)定值，按動(dòng)作特性曲線動(dòng)作。

短路保護(hù)：任意一相電流達(dá)到8倍額定電流時(shí)，保護(hù)在2s內(nèi)動(dòng)作。

欠電壓保護(hù)：工作電壓低于額定電壓15%時(shí)，保護(hù)在6s內(nèi)動(dòng)作。

堵轉(zhuǎn)保護(hù)：當(dāng)電機(jī)運(yùn)行電流大于設(shè)定值5倍時(shí)，保護(hù)在2s內(nèi)動(dòng)作。

斷相保護(hù)：電機(jī)電源斷相時(shí)，保護(hù)在3s內(nèi)動(dòng)作。

3 結(jié)束語

虛擬儀器技術(shù)是當(dāng)今測控領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重要方向之一，將其應(yīng)用于電泵軟啟動(dòng)與保護(hù)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(shè)計(jì)的基于LabVIEW的潛油電泵軟啟動(dòng)與保護(hù)系統(tǒng)，通過上位機(jī)根據(jù)實(shí)際負(fù)載情況設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)閾值，能夠?qū)崿F(xiàn)潛油電泵從零無極軟啟動(dòng)，有效地保護(hù)電泵免受過大啟動(dòng)電流的沖擊，具有實(shí)時(shí)性高和通用性好的優(yōu)點(diǎn)。

[1] 陳樹學(xué)，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(jī)保護(hù)系統(tǒng)的研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，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(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.