浅谈抽油机电机保护与自启动控制器设计

摘要：针对采油厂抽油机实际运行中容易出现的故障,设计了一种以STC15F204EA芯片为核心的智能控制器,能够实现对抽油机电机的保护和自启动控制,具有很好的经济效益与应用前景。

关键词: 抽油机；电机保护；自启动；单片机

0 引言
  抽油机是油田中基础、常见的设备,被采油厂大规模的使用,但由于雷击、负荷不平衡、电网电压过低等原因经常发生停机和烧毁电机的现象,频繁需要人工去重启和维修。由于分布分散,距离中心站远,人工重启与维修比较费时、费力,不仅影响生产而且维修成本也比较高。鉴于此种情况,设计一款具有保护和重启功能的控制器具有很大的实际意义。

1设计方案与工作原理
  本控制器采用以STC15F204EA为核心的单片机控制系统,由电源、报警、启动、暂停及检测等单元组成。图1为系统结构框图。

图1 整体结构框图

  控制器通过检测单元实时监视抽油机的工作状态,当发生电网波动、雷击、人为损坏等情况,造成抽油机工作不正常时,通过检测比较三相电机的工作电流,来判断电机是否缺相或过载,如有缺相或过载情况发生,则使电机停止运行,从而起到保护电机的作用。如果电网恢复正常供电、电机负载正常,则通过启动单元自动完成重启工作。抽油机开始运转前,通过声音进行报警,提示附近人员远离,保证安全。

2 硬件系统设计
2.1 系统电源设计
  控制器的工作电源是2 2 0 V 、5 0 H z 交流电, 但主控芯片STC15F204EA单片机、键盘电路、LED等,需要提供+5V电压;报警电路需要提供+12V电压。故本设计中又以TOP Switch系列开关电源集成芯片构建一辅助电源。其输入交流电压220V±10%,输出为直流,给单片机提供要求的5V/1A电源。整个电路可主要分为输入整流滤波电路、钳位保护电路、变压器、输出整流滤波电路及反馈电路部分。电源系统电路,如图2所示。

图2 系统电源电路

2.2 报警电路设计
  图3为电网断电又恢复供电后,重新开机的预警装置,三极管Q1为NPN型三极管。通电后,电阻R36输出高电平,三极管Q1导通,继电器K1使常开开关闭合,使电路导通,驱动预警电动喇叭开始提示电网恢复供电,人员请远离;二极管D13起到保护电路的作用。开机前预警电动喇叭提示时间长短,可自由设定,防止多台抽油机同时开机造成电网启动负荷过重。

图3 报警电路

2.3 启动暂停电路设计
  如图4所示,图中所表示的为来电启动电路和故障暂停电路。原理同图4,三极管为NPN型三极管。通电后,电阻输出高电平,三极管导通,继电器把开关闭合,使电路导通,启动整个控制器,二极管起到保护电路的作用。

图4 启动暂停电路

  暂停电路原理与启动电路相同,电机转动出现故障后,继电器把常闭开关断开,使电路断路,暂停整个系统的运行。

2.4 检测电路设计
  检测电路用来检测三相电机工作电流,判断整个三相电源电路中是否产生缺相,并能检测出电机是否过载。
  通过电流互感器T2、T3、T4检测三相电机工作电流大小,串连一个0.1的电阻,将电流信号变换为电压信号,再通过精密整流电路和RC滤波电路,将电压平均值稳定在5V,直接接入单片机。单片机控制AD进行高速采样,然后对采样结果进行运算即可得到被测电流的有效值。

2.5 键盘指示灯设计

  图5为控制器的键盘指示灯电路。

图5 键盘指示灯电路

  智能抽油机控制器前面板有一个指示灯和一个按键,当按键按下时,指示灯为黄色闪动,长时间连续按下时,指示灯变成黄色常亮,同时驱动外接预警电动喇叭发出提示音,提示音播放时间长短由按键按下时间决定,这个时间也是预警启动时间。按键释放,预警电动喇叭停止播放,完成预警时间设定,智能抽油机控制器自动转入正常工作状态或报警工作状态。
  抽油机有三种工作状态。正常工作状态:绿色指示灯闪烁,电网供电正常,抽油机工作正常;报警工作状态:红色指示灯闪烁,电网供电正常,抽油机停机;设定工作状态:黄色指示灯闪烁;黄色指示灯瞬间闪烁一次:存储当前工作状态。

3 系统软件设计
  本设计的主控芯片采用STC15F204EA单片机,系统软件采用C语言编程。系统的主程序包含A/D采集子程序、读写存储器子程序等。当电网恢复供电时,首先读取存储器状态,判断是人为停机还是电网停机,若是人为停机,系统则不采取任何动作;若为电网停机,将启动喇叭和电机。然后扫描键盘,判断键盘动作;读取电机状态,判断电机状态是否改变。检测电流,判断三相电流是否平衡,若不平衡,将电机暂停。

4.安科瑞智能电动机保护器介绍
4.1产品介绍
  智能电动机保护器(以下简称保护器)，采用单片机技术，具有抗干扰能力强、工作稳定可靠、数字化、智能化、网络化等特点。保护器能对电动机运行过程中出现的过载、断相、不平衡、欠载、接地/漏电、堵转、阻塞、外部故障等多种情况进行保护，并设有SOE故障事件记录功能，方便现场维护人员查找故障原因。适用于煤矿、石化、冶炼、电力、以及民用建筑等领域。本保护器具有RS485远程通讯接口，DC4-20mA模拟量输出，方便与PLC、PC等控制机组成网络系统。实现电动机运行的远程监控。
 

4.2技术参数
4.2.1数字式电动机保护器

4.2.2模块式电动机保护器

4.3产品选型

说明：“√”表示具备，“■”表示可选。

5结束语
  本文设计的基于STC15F204EA单片机的智能控制器,采用一种简单、实用、低成本的方案,能够在超载时保护电机并实现电机停机后的自启动控制,在现代工业生产中具有重要的作用,用它来对油田使用的抽油机恢复供电和保护电机,给采油厂带来极大的方便,节约大量的人力和物力。

参考文献
[1]杜豫平,庄乾成,周西峰.三相电机智能监控器设计[J].电子质量,2013,7(3):47-50.
[2]张晓东，童少为.抽油机电机保护与自启动控制器设计
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版