基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的10 kV開關(guān)柜智能除濕器的設(shè)計(jì)

作者 / 陳富國1 蘭黎陽1 余亞東1 李杰2

　　1.平高集團(tuán)有限公司(河南 平頂山 467001)2.平頂山學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院(河南平 頂山 467000)

　　陳富國(1983.11)，男，碩士生，工程師，研究方向：高壓開關(guān)設(shè)備智能化關(guān)鍵技術(shù)。

摘要：針對變電站中的10 kV開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度控制需要，設(shè)計(jì)一套基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的溫濕度控制裝置。該裝置對柜內(nèi)的溫濕度值等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)字信號處理算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，根據(jù)分析結(jié)果控制開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度值。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus通信協(xié)議將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測智能電子設(shè)備(intelligent electronic devices，IED)，同時(shí)具有監(jiān)測閾值設(shè)置及智能告警功能。本裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中得到了良好的除濕效果，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。

引言

　　隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的穩(wěn)步推廣，越來越多的智能化氣體絕緣封閉式組合電器(以下簡稱GIS)產(chǎn)品在電網(wǎng)中成功運(yùn)行^[1]。同時(shí)，伴隨著開關(guān)柜智能化程度的提高，對開關(guān)柜內(nèi)的環(huán)境水平的要求也越來越高?，F(xiàn)階段10 kV開關(guān)柜大多是采用空調(diào)和常規(guī)加熱器來保證開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度水平，雖然可以滿足使用要求，但是此方案成本高，重量較大，裝配也不是十分方便。故本文基于現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的溫濕度控制產(chǎn)品(即除濕器)，該產(chǎn)品將冷熱半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用于10 kV開關(guān)柜內(nèi)，以此達(dá)到控制柜內(nèi)溫濕度的目的。

1 半導(dǎo)體制冷的模型建立

　　半導(dǎo)體制冷技術(shù)是利用半導(dǎo)體的Peltier效應(yīng)^[2-3]，即當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)制成的電偶時(shí)，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量。利用熱電制冷片的這種特性，通過改變直流電極性即可使裝置實(shí)現(xiàn)制冷或制熱功能。

　　基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的除濕器通過控制冷熱端的溫度來進(jìn)行熱量交換，本文根據(jù)能量平衡方程及相關(guān)的理論創(chuàng)建了制冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。

　　假定半導(dǎo)體制冷端處于正常工作條件下，根據(jù)制冷的相關(guān)理論可以得到制冷量方程式[4-5]為式(1)所示。

　　式(4)中模擬的等效電壓值，C_a為假定制冷狀態(tài)下的等效電容值。至此，半導(dǎo)體制冷端的數(shù)學(xué)等效模型如上式(4)所示。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　由節(jié)1中的半導(dǎo)體制冷能量平衡方程及相關(guān)理論創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型可以得到圖1所示的系統(tǒng)整體控制框圖。

　　圖1中整個(gè)控制系統(tǒng)采用高性能的STM32F407VET6作為控制核心，采用高分辨率的溫濕度傳感器AM2302作為溫濕度采集的核心部件，同時(shí)能夠通過三位數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示溫濕度值，兩路隔離型的繼電器輸出控制，具有手動除濕、自動除濕、報(bào)警指示等7路狀態(tài)指示，一路具有遠(yuǎn)傳通信功能的RS485物理接口。

3 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　依據(jù)簡化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)和防電磁干擾設(shè)計(jì)的方針，筆者對基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的溫濕度控制器的硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。

3.1 CPU核心模塊設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)控制核心為ST公司的STM32F407 VET6，完成除濕器的溫濕度采集、溫濕度顯示、開漏控制輸出、RS-485通信功能，同時(shí)完成系統(tǒng)控制的條件判定與策略實(shí)現(xiàn)，該芯片具有強(qiáng)大的嵌入式控制功能和完善的事件管理能力使其完全滿足本系統(tǒng)的功能，同時(shí)具有強(qiáng)大的擴(kuò)展?jié)摿?系統(tǒng)外部晶振為25 MHz，經(jīng)ARM內(nèi)部多次倍頻之后，可以使ARM主控芯片工作在168 MHz，完全滿足系統(tǒng)性能需要。

3.2 電源模塊設(shè)計(jì)

　　根據(jù)工程的需要，該溫濕度控制產(chǎn)品采取直流12 V輸入。而在本控制系統(tǒng)中主控芯片和通信電路的供電為5 V，故需要設(shè)計(jì)出一種功耗低、安全隔離、抗干擾能力強(qiáng)的電源電路。DC 12V轉(zhuǎn)DC 5V的電源電路如圖2所示。

　　圖2中，F(xiàn)R1、V1、E1和E2構(gòu)成了電源電路的前端濾波及穩(wěn)壓;U2為高效的隔離型12 V轉(zhuǎn)5 V的DC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片，該電壓轉(zhuǎn)換器是隔離型芯片，抗干擾能力強(qiáng);V2、L1、E3和TVS1構(gòu)成了電源電路的后端保護(hù)、濾波及穩(wěn)壓。

3.3 顯示模塊的設(shè)計(jì)

　　為了更加直觀和人性化，筆者根據(jù)現(xiàn)場需要，設(shè)計(jì)了數(shù)碼管顯示電路，可以實(shí)時(shí)顯示10 kV開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度值。溫濕度實(shí)時(shí)顯示電路如圖3所示。

　　圖3中，PD1為三段LED數(shù)碼管顯示;U4為串行數(shù)碼管驅(qū)動芯片，可減少微處理器I/O口的使用;Q1、Q2、Q3為數(shù)碼管片選驅(qū)動放大管。

3.4 輸出控制模塊的設(shè)計(jì)

　　為更加可靠地控制開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度值，筆者對溫濕度控制回路進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮了現(xiàn)場環(huán)境的電磁兼容性問題。傳統(tǒng)的溫濕度控制輸出電路在抵御電磁干擾方面存在嚴(yán)重的不足^[5-6]，為更加準(zhǔn)確地控制開關(guān)柜內(nèi)溫濕度值且具有良好的抗擾動能力，本文采用光電隔離技術(shù)，使開入、開出回路通過光耦進(jìn)行電氣上的隔離，避免將外部電磁干擾引入處理器內(nèi)部，提高控制的可靠性。輸出控制回路如圖4所示。

　　其中R4為光電隔離芯片的限流電阻;D1是高速線性光耦;V3為快恢復(fù)二極管，起鉗位保護(hù)作用;JK1為低功耗輸出控制繼電器。文中所設(shè)計(jì)的控制輸出模塊集過電壓保護(hù)和光電隔離于一體，抗電磁干擾能力強(qiáng)、壽命長、響應(yīng)速度快。

3.5 RS-485通信模塊設(shè)計(jì)

　　基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的溫濕度控制產(chǎn)品與后臺監(jiān)測系統(tǒng)之間采用RS-485通信，如圖5所示。

　　其中，U3為MAX485轉(zhuǎn)換芯片，其抗干擾能力較好，廣泛應(yīng)用于通信電路中;R10和R12為通信電路中的上拉和下拉電阻，更好的實(shí)現(xiàn)溫濕度參數(shù)的傳輸;F1、F2為保險(xiǎn)絲、 G3、G4、G5為固體放電管、T1、T2為起保護(hù)作用的雙向TVS管。

4 系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)

　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)^[7-9]，主要包括系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)碼管顯示模塊、控制輸出模塊、數(shù)據(jù)分析判斷及狀態(tài)指示模塊。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

　　系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)，首先完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化，以確保整個(gè)系統(tǒng)軟件中各個(gè)子程序的功能實(shí)現(xiàn)及系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在進(jìn)行初始化配置時(shí)需要在程序工程項(xiàng)目中添加ST公司提供的固件函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)寄存器及外設(shè)的驅(qū)動。系統(tǒng)及外設(shè)初始化包括時(shí)鐘、嵌套向量中斷控制器、GPIO口、定時(shí)器初始化配置、各通信接口及外圍電路模塊的初始化配置。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　為驗(yàn)證本文所研制系統(tǒng)的有效性和可行性，設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，分別針對手動模式和自動模式下控制溫濕度值。實(shí)驗(yàn)條件為當(dāng)前環(huán)境氣溫30℃，相對濕度為37%，

　　選擇本公司內(nèi)部KYN28A-12型10 kV開關(guān)柜為實(shí)驗(yàn)本體。表1給出了手動模式下的除濕記錄值，在手動模式下在10 kV開關(guān)柜內(nèi)放置本裝置和一個(gè)功率為100 W的加濕器，前20分鐘只打開加濕器，后20分鐘關(guān)閉加濕器打開除濕器。

　　從表1可以看出本系統(tǒng)在手動模式下除濕效果良好，且隨著除濕時(shí)間的推移除濕能力有所下降，但是除濕效果依然明顯。

　　表2給出了自動模式下的除濕記錄值，在該自動模式下在10 kV開關(guān)柜內(nèi)放置本裝置和一個(gè)功率為100 W的加濕器，除濕器和加濕器一直保持開啟狀態(tài)，在第20分鐘時(shí)關(guān)閉加濕器。

　　從表2可以看出本系統(tǒng)可以在自動模式下達(dá)到很好的除濕效果，且假定除濕器一直開啟，可以使實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)的濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于環(huán)境濕度值。

6 結(jié)論

　　本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)設(shè)計(jì)一套基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的溫濕度控制產(chǎn)品。在分析了半導(dǎo)體制冷技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用全新的數(shù)字化方法對10 kV開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度值進(jìn)行控制，該系統(tǒng)測量精度高，具有較好的抗干擾性能，能夠在惡劣的電磁環(huán)境中正常運(yùn)行，有效提高了10 kV開關(guān)柜內(nèi)的安全運(yùn)行環(huán)境水平。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第59頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。