基于半導體制冷技術的10 kV開關柜智能除濕器的設計

作者 / 陳富國1 蘭黎陽1 余亞東1 李杰2

　　1.平高集團有限公司(河南 平頂山 467001)2.平頂山學院機械與電氣工程學院(河南平 頂山 467000)

　　陳富國(1983.11)，男，碩士生，工程師，研究方向：高壓開關設備智能化關鍵技術。

摘要：針對變電站中的10 kV開關柜內(nèi)的溫濕度控制需要，設計一套基于半導體制冷技術的溫濕度控制裝置。該裝置對柜內(nèi)的溫濕度值等參數(shù)進行實時采集，并運用現(xiàn)代數(shù)字信號處理算法對采集到的數(shù)據(jù)進行初步分析，根據(jù)分析結果控制開關柜內(nèi)的溫濕度值。系統(tǒng)采用標準Modbus通信協(xié)議將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測智能電子設備(intelligent electronic devices，IED)，同時具有監(jiān)測閾值設置及智能告警功能。本裝置在實際運行過程中得到了良好的除濕效果，能夠?qū)崿F(xiàn)預期設計目標。

引言

　　隨著堅強智能電網(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)中成功運行^[1]。同時，伴隨著開關柜智能化程度的提高，對開關柜內(nèi)的環(huán)境水平的要求也越來越高。現(xiàn)階段10 kV開關柜大多是采用空調(diào)和常規(guī)加熱器來保證開關柜內(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，設計了一套基于半導體制冷技術的溫濕度控制產(chǎn)品(即除濕器)，該產(chǎn)品將冷熱半導體技術應用于10 kV開關柜內(nèi)，以此達到控制柜內(nèi)溫濕度的目的。

1 半導體制冷的模型建立

　　半導體制冷技術是利用半導體的Peltier效應^[2-3]，即當直流電通過兩種不同半導體材料串聯(lián)制成的電偶時，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現(xiàn)制冷或制熱功能。

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

　　假定半導體制冷端處于正常工作條件下，根據(jù)制冷的相關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，半導體制冷端的數(shù)學等效模型如上式(4)所示。

2 系統(tǒng)總體架構設計

　　由節(jié)1中的半導體制冷能量平衡方程及相關理論創(chuàng)建的數(shù)學模型可以得到圖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，同時能夠通過三位數(shù)碼管實時顯示溫濕度值，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(tǒng)的硬件實現(xiàn)

　　依據(jù)簡化設計、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的溫濕度控制器的硬件電路進行了詳細的設計。

3.1 CPU核心模塊設計

　　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，同時完成系統(tǒng)控制的條件判定與策略實現(xiàn)，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足本系統(tǒng)的功能，同時具有強大的擴展?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 電源模塊設計

　　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，故需要設計出一種功耗低、安全隔離、抗干擾能力強的電源電路。DC 12V轉DC 5V的電源電路如圖2所示。

　　圖2中，F(xiàn)R1、V1、E1和E2構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5 V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(wěn)壓。

3.3 顯示模塊的設計

　　為了更加直觀和人性化，筆者根據(jù)現(xiàn)場需要，設計了數(shù)碼管顯示電路，可以實時顯示10 kV開關柜內(nèi)的溫濕度值。溫濕度實時顯示電路如圖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 輸出控制模塊的設計

　　為更加可靠地控制開關柜內(nèi)的溫濕度值，筆者對溫濕度控制回路進行了精心設計，同時考慮了現(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重的不足^[5-6]，為更加準確地控制開關柜內(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，使開入、開出回路通過光耦進行電氣上的隔離，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電壓保護和光電隔離于一體，抗電磁干擾能力強、壽命長、響應速度快。

3.5 RS-485通信模塊設計

　　基于半導體制冷技術的溫濕度控制產(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，更好的實現(xiàn)溫濕度參數(shù)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(tǒng)軟件功能的實現(xiàn)

　　軟件采用模塊化設計^[7-9]，主要包括系統(tǒng)運行參數(shù)設置模塊、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)程序運行時，首先完成系統(tǒng)參數(shù)的初始化，以確保整個系統(tǒng)軟件中各個子程序的功能實現(xiàn)及系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。在進行初始化配置時需要在程序工程項目中添加ST公司提供的固件函數(shù)庫，實現(xiàn)對相應寄存器及外設的驅(qū)動。系統(tǒng)及外設初始化包括時鐘、嵌套向量中斷控制器、GPIO口、定時器初始化配置、各通信接口及外圍電路模塊的初始化配置。

5 實驗驗證

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

　　選擇本公司內(nèi)部KYN28A-12型10 kV開關柜為實驗本體。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開關柜內(nèi)放置本裝置和一個功率為100 W的加濕器，前20分鐘只打開加濕器，后20分鐘關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開關柜內(nèi)放置本裝置和一個功率為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分鐘時關閉加濕器。

　　從表2可以看出本系統(tǒng)可以在自動模式下達到很好的除濕效果，且假定除濕器一直開啟，可以使實驗箱內(nèi)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的溫濕度控制產(chǎn)品。在分析了半導體制冷技術的基礎上，采用全新的數(shù)字化方法對10 kV開關柜內(nèi)的溫濕度值進行控制，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)境中正常運行，有效提高了10 kV開關柜內(nèi)的安全運行環(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，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。