基于LabVIEW的潜油电泵软启动与保护系统设计

姜建国 田金艳 安昊盈

(1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江 大庆 163318；2.辽河油田曙光采油厂，辽宁 盘锦 124000)

油田电泵采用三相异步电机，三相异步电机存在直接启动时启动电流大、调速性能差及功率因数低等缺点。在实际使用中，如果要限制启动电流冲击，需要调速和提高功率因数。目前电机启动的方式很多，如定子回路串电阻、降压启动及Y-△启动等，这几种启动方式均是有极调速且存在二次冲击电流的问题。

随着虚拟仪器的发展，美国NI公司推出LabVIEW虚拟仪器开发平台，它具有丰富的扩展函数库和分析子程序，为用户编程提供了极大的方便[1]。这些扩展函数库主要面向数据采集、GPIB和串行仪器控制、数据分析、数据显示和数据存储。用户只需调出代表仪器功能、操作、数据处理、输出显示的图标，输入相关配置参数并连好类似数据流程图的框图，就完成了全部编程工作。LabVIEW软启动是以通用硬件为基础,通过不同的软件系统构建不同需求、不同功能的仪器。通过充分调动计算机数据处理能力,可制造出功能丰富、性能优异的工业仪器。通过LabVIEW软件,编制出上位机软件在微型机上运行,并通过TCP/IP、RS-232、RS-485、光纤及无线等通信方式实现上下位机通信,达到信息管理和调度中心、控制中心的功能。实现对电机软启动装置的设置、监控和对电机的实时监控、保护报警及综合调度等高级功能[2]。笔者介绍了基于LabVIEW的潜油电泵软启动和保护系统设计，从而限制启动电流的冲击，对于保护电机和延长电机寿命起到举足轻重的作用。

1 潜油电泵软启动设计①

1.1 硬件设计

潜油电泵系统软启动硬件采用可控硅三相开环移相触发器(SCR-3JK)，共有6路触发信号输出，内部采用数模混合三相移相触发集成电路，内含缺相故障保护功能，具有高精度、触发功率大、技术成熟、使用简单可靠、易调试、抗干扰性强以及体积小等优点，主要用于感性负载及电机控制等产品中。

驱动模块SCR-3JK由外部电源、门极驱动信号、控制信号和状态指示4部分构成。其中，GA+和KA+、GA-和KA-分别接在A相双向晶闸管阳极和门极之间。控制信号+5V与GND之间为恒压调节输入，4～20mA与GND之间为电流信号调节输入，0～5V为变电压信号输入，该信号由NI9683模拟信号输出AO0输出实现变电压调节，从而实现潜油电泵的软启动过程。采用SCR-3JK可控硅三相开环移相触发器，它有多种应用电路，笔者选用如图1所示的应用电路。+5V信号与OFF通过外部逻辑电路封锁触发脉冲，实现电机各种保护。

图1 SCR-3JK可控硅三相开环移相触发器应用电路

1.2 软件设计

软件设计是系统的核心，LabVIEW软启动程序产生0～5V的斜坡信号经由FPGA传至NI9683的模拟输出口AO0，控制SCR-3JK可控硅三相开环移相触发器0～5V和GND端，从而实现软启动[3，4]，其设计流程如图2所示。当电源输入，模块正常工作时，电源指示灯亮；反之，模块非正常工作时，故障灯亮。LabVIEW软启动程序框图如图3所示，FPGA软启动程序如图4所示。程序运行得到的0～5V斜坡信号前面板如图5所示。

图2 软启动设计流程

图3 软启动程序框图

图4 FPGA软启动程序

图5 软启动前面板

2 潜油电泵保护系统

潜油电泵保护系统是指在电泵出现过压、欠压、短路、过流、断相及堵转等故障时，迅速切断电源并报警，以保证人身和设备的安全，减少对电泵的损害，减少经济损失，延长电泵的使用寿命，保障潜油电泵系统安全稳定的运行[5]。本设计以NI虚拟仪器LabVIEW为平台，使用TIPC8000-070液晶屏作为上位机，使用LabVIEW作为组态软件进行上位机界面设计，不仅界面美观，而且能缩短开发周期，节省学习新组态软件的时间，其上位机显示主界面如图6所示。

图6 上位机显示主界面

通过串口RS-232相连，在液晶屏上设置相应的保护阈值，传到NI 9606的串口，NI将采集到的电压和电流数据与保护阈值进行比较得到系统相应的运行状态，再经串口传到上位机。若系统出现故障，则立即切断电泵电源，并在液晶屏上显示故障原因。上位机阈值设定界面如图7所示。

图7 上位机阈值设定界面

过电压保护：工作电压高于额定电压15%时，保护在6s内动作。

过电流保护：保护电流可任意设定，电流值大于设定值，按动作特性曲线动作。

短路保护：任意一相电流达到8倍额定电流时，保护在2s内动作。

欠电压保护：工作电压低于额定电压15%时，保护在6s内动作。

堵转保护：当电机运行电流大于设定值5倍时，保护在2s内动作。

断相保护：电机电源断相时，保护在3s内动作。

3 结束语

虚拟仪器技术是当今测控领域研究和应用的重要方向之一，将其应用于电泵软启动与保护系统中，节约了系统开发周期，增加系统的可靠性和稳定性。笔者设计的基于LabVIEW的潜油电泵软启动与保护系统，通过上位机根据实际负载情况设置相应的保护阈值，能够实现潜油电泵从零无极软启动，有效地保护电泵免受过大启动电流的冲击，具有实时性高和通用性好的优点。

[1] 陈树学，刘萱.LabVIEW宝典[M].北京:电子工业出版社，2011.

[2] 冯辉.基于RS-485的电机保护系统的研究[D].西安：西安电子科技大学，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] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社, 2003.