基于半導體制冷技術(shù)的10 kV開(kāi)關(guān)柜智能除濕器的設計

基于半導體制冷技術(shù)的10 kV開(kāi)關(guān)柜智能除濕器的設計

　　作者/陳富國1蘭黎陽(yáng)1余亞?wèn)|1李杰2

　　本文引用地址：

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

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

　　摘要：針對變電站中的10kV開(kāi)關(guān)柜內的需要，設計一套基于技術(shù)的裝置。該裝置對柜內的溫濕度值等參數進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并運用現代數字信號處理算法對采集到的數據進(jìn)行初步分析，根據分析結果控制開(kāi)關(guān)柜內的溫濕度值。系統采用標準Modbus通信協(xié)議將監測數據上傳至在線(xiàn)監測智能電子設備(intelligentelectronicdevices，IED)，同時(shí)具有監測閾值設置及智能告警功能。本裝置在實(shí)際運行過(guò)程中得到了良好的，能夠實(shí)現預期設計目標。

　　引言

　　隨著(zhù)堅強智能電網(wǎng)的穩步推廣，越來(lái)越多的智能化氣體絕緣封閉式組合電器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)GIS)產(chǎn)品在電網(wǎng)中成功運行[1]。同時(shí)，伴隨著(zhù)開(kāi)關(guān)柜智能化程度的提高，對開(kāi)關(guān)柜內的環(huán)境水平的要求也越來(lái)越高?，F階段10kV開(kāi)關(guān)柜大多是采用空調和常規加熱器來(lái)保證開(kāi)關(guān)柜內的溫濕度水平，雖然可以滿(mǎn)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。故本文基于現狀，設計了一套基于技術(shù)的產(chǎn)品(即除濕器)，該產(chǎn)品將冷熱半導體技術(shù)應用于10kV開(kāi)關(guān)柜內，以此達到控制柜內溫濕度的目的。

　　1的模型建立

　　半導體制冷技術(shù)是利用半導體的Peltier效應[2-3]，即當直流電通過(guò)兩種不同半導體材料串聯(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(guò)改變直流電極性即可使裝置實(shí)現制冷或制熱功能。

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

　　假定半導體制冷端處于正常工作條件下，根據制冷的相關(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，Ca為假定制冷狀態(tài)下的等效電容值。至此，半導體制冷端的數學(xué)等效模型如上式(4)所示。

　　2系統總體架構設計

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

　　圖1中整個(gè)控制系統采用高性能的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(guò)三位數碼管實(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(dòng)除濕、自動(dòng)除濕、報警指示等7路狀態(tài)指示，一路具有遠傳通信功能的RS485物理接口。

　　3系統的硬件實(shí)現

　　依據簡(jiǎn)化設計、模塊化設計和防電磁干擾設計的方針，筆者對基于半導體制冷技術(shù)的溫濕度控制器的硬件電路進(jìn)行了詳細的設計。

　　3.1CPU核心模塊設計

　　系統控制核心為ST公司的STM32F407VET6，完成除濕器的溫濕度采集、溫濕度顯示、開(kāi)漏控制輸出、RS-485通信功能，同時(shí)完成系統控制的條件判定與策略實(shí)現，該芯片具有強大的嵌入式控制功能和完善的事件管理能力使其完全滿(mǎn)足本系統的功能，同時(shí)具有強大的擴展潛力;系統外部晶振為25MHz，經(jīng)ARM內部多次倍頻之后，可以使ARM主控芯片工作在168MHz，完全滿(mǎn)足系統性能需要。

　　3.2電源模塊設計

　　根據工程的需要，該溫濕度控制產(chǎn)品采取直流12V輸入。而在本控制系統中主控芯片和通信電路的供電為5V，故需要設計出一種功耗低、安全隔離、抗干擾能力強的電源電路。DC12V轉DC5V的電源電路如圖2所示。

　　圖2中，FR1、V1、E1和E2構成了電源電路的前端濾波及穩壓;U2為高效的隔離型12V轉5V的DC-DC電源轉換芯片，該電壓轉換器是隔離型芯片，抗干擾能力強;V2、L1、E3和TVS1構成了電源電路的后端保護、濾波及穩壓。

　　3.3顯示模塊的設計

　　為了更加直觀(guān)和人性化，筆者根據現場(chǎng)需要，設計了數碼管顯示電路，可以實(shí)時(shí)顯示10kV開(kāi)關(guān)柜內的溫濕度值。溫濕度實(shí)時(shí)顯示電路如圖3所示。

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

　　3.4輸出控制模塊的設計

　　為更加可靠地控制開(kāi)關(guān)柜內的溫濕度值，筆者對溫濕度控制回路進(jìn)行了精心設計，同時(shí)考慮了現場(chǎng)環(huán)境的電磁兼容性問(wèn)題。傳統的溫濕度控制輸出電路在抵御電磁干擾方面存在嚴重的不足[5-6]，為更加準確地控制開(kāi)關(guān)柜內溫濕度值且具有良好的抗擾動(dòng)能力，本文采用光電隔離技術(shù)，使開(kāi)入、開(kāi)出回路通過(guò)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(xiàn)性光耦;V3為快恢復二極管，起鉗位保護作用;JK1為低功耗輸出控制繼電器。文中所設計的控制輸出模塊集過(guò)電壓保護和光電隔離于一體，抗電磁干擾能力強、壽命長(cháng)、響應速度快。

　　3.5RS-485通信模塊設計

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

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

　　4系統軟件功能的實(shí)現

　　軟件采用模塊化設計[7-9]，主要包括系統運行參數設置模塊、數碼管顯示模塊、控制輸出模塊、數據分析判斷及狀態(tài)指示模塊。系統軟件流程圖如圖6所示。

　　系統程序運行時(shí)，首先完成系統參數的初始化，以確保整個(gè)系統軟件中各個(gè)子程序的功能實(shí)現及系統運行的穩定性。在進(jìn)行初始化配置時(shí)需要在程序工程項目中添加ST公司提供的固件函數庫，實(shí)現對相應寄存器及外設的驅動(dòng)。系統及外設初始化包括時(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)驗驗證

　　為驗證本文所研制系統的有效性和可行性，設計了兩組實(shí)驗進(jìn)行驗證，分別針對手動(dòng)模式和自動(dòng)模式下控制溫濕度值。實(shí)驗條件為當前環(huán)境氣溫30℃，相對濕度為37%，

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

　　從表1可以看出本系統在手動(dòng)模式下良好，且隨著(zhù)除濕時(shí)間的推移除濕能力有所下降，但是依然明顯。

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

　　從表2可以看出本系統可以在自動(dòng)模式下達到很好的除濕效果，且假定除濕器一直開(kāi)啟，可以使實(shí)驗箱內的濕度遠遠低于環(huán)境濕度值。

　　6結論

　　本文從工程應用角度出發(fā)設計一套基于半導體制冷技術(shù)的溫濕度控制產(chǎn)品。在分析了半導體制冷技術(shù)的基礎上，采用全新的數字化方法對10kV開(kāi)關(guān)柜內的溫濕度值進(jìn)行控制，該系統測量精度高，具有較好的抗干擾性能，能夠在惡劣的電磁環(huán)境中正常運行，有效提高了10kV開(kāi)關(guān)柜內的安全運行環(huán)境水平。

　　參考文獻：

　　[1]史俊.半導體制冷除濕技術(shù)在端子箱中的應用研究[J].通訊世界,2016(1):163-164.

　　[2]沈南飛,徐從福.半導體除濕器在高壓開(kāi)關(guān)柜內的應用[J].冶金動(dòng)力,2015(12):7-8.

　　[3]閆錚,黨建軍,高亞強,等.一種電柜專(zhuān)用制冷型除濕器系統研究[J].機械與電子,2014(1):37-38.

　　[4]高遠,蔣玉思.單級半導體制冷器設計中常用公式的推導[J].廣東有色金屬學(xué)報，2003,13(2):130-131.

　　[5]韓耀明.半導體制冷微型除濕器與化學(xué)干燥劑的對比試驗研究[J].制冷,2008,27(2):13-14.

　　[6]張振國,胡彧.高壓帶電體溫度無(wú)線(xiàn)監測系統的設計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2013,(4):1-2.

　　[7]王華學(xué).基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的高壓開(kāi)關(guān)柜溫濕度測控系統設計[J].電子測試,2015(4):9-10.

　　[8]韋海.試論除濕技術(shù)在變電設備運行中的應用[J].建材與裝飾,2016(43):202-203.

　　[9]岳增坤.基于半導體制冷技術(shù)的變電站室外端子箱除濕器的研制[D]保定:華北電力大學(xué),2012.

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