電力柜智能除濕系統(tǒng)研究與設(shè)計

賴義漢,王宇松，傅智河

(龍巖學(xué)院，福建 龍巖　364012)

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電力柜智能除濕系統(tǒng)研究與設(shè)計

賴義漢,王宇松，傅智河

(龍巖學(xué)院，福建 龍巖364012)

摘要：針對電力柜內(nèi)部電力設(shè)備工作的安全性和穩(wěn)定性受環(huán)境影響的問題，分析半導(dǎo)體制冷器的工作原理，并結(jié)合我國南部地區(qū)濕度較大這一實際情況，設(shè)計基于單片機和半導(dǎo)體制冷技術(shù)的智能除濕系統(tǒng).該系統(tǒng)的特點是：根據(jù)箱內(nèi)溫濕度條件自動啟停除濕器，將電力柜內(nèi)的濕空氣快速凝結(jié)成水排出箱外，達到自動降溫除濕的目的；具備故障檢測和報警功能，將相關(guān)數(shù)據(jù)信息通過串口發(fā)送至上位機，實時監(jiān)測箱體的溫濕度及除濕器的運行狀態(tài)；與傳統(tǒng)的防潮除濕設(shè)備相比較，具有控制靈活、溫濕度檢測準(zhǔn)確、功耗低等優(yōu)點，除濕效果良好.

關(guān)鍵詞：單片機；電力柜；除濕器；半導(dǎo)體制冷

電力柜內(nèi)部電力設(shè)備工作的穩(wěn)定性會受環(huán)境如濕度、溫度等因素的影響，尤其在我國南方地域，空氣的相對濕度大，特別是在雨季、大風(fēng)雨天氣下潮濕現(xiàn)象尤為嚴(yán)重.該地區(qū)的電力設(shè)備如果長期運行在高度潮濕環(huán)境之下，其絕緣能力將隨之下降，機械、電氣等性能會受到影響，嚴(yán)重者會在絕緣體表面沿面放電，甚至發(fā)生誤動、拒動等事故[1].因此，為保證箱體內(nèi)電力設(shè)備的安全可靠運行，需要對電力柜進行有效降溫除濕.目前，常用的防潮除濕設(shè)備一般有空調(diào)和工業(yè)除濕機等，但這些設(shè)備結(jié)構(gòu)或者較復(fù)雜、耗電量大、成本高、安裝麻煩，或者采用化學(xué)干燥劑除濕(化學(xué)干燥劑需要及時更換和再生，存在衰老等問題)，或者在箱體內(nèi)加裝電加熱器進行除濕(電加熱器僅對周圍局部的潮濕空氣進行分解作用，當(dāng)水分子受熱后上升，又會在電力柜四周或電力設(shè)備上冷卻，產(chǎn)生凝露，水分依舊殘留在電力柜內(nèi)部)，總之效果不甚理想[2-5].而半導(dǎo)體制冷技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、無噪聲、無磨損、壽命長、可靠性高、對環(huán)境無污染等優(yōu)點，故而設(shè)計了基于單片機和半導(dǎo)體制冷技術(shù)的智能除濕系統(tǒng)，利用單片機輸出PWM信號來驅(qū)動半導(dǎo)體制冷片及風(fēng)扇，并用LCD顯示電力柜內(nèi)部環(huán)境信息，實現(xiàn)自動除濕、故障檢測及報警等功能.這個系統(tǒng)具有控制靈活、溫濕度檢測準(zhǔn)確、功耗低等特點.

1半導(dǎo)體制冷工作原理

圖1　半導(dǎo)體制冷片結(jié)構(gòu)示意圖

半導(dǎo)體制冷片的基本元件是熱電偶對，即把一只N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連接成半導(dǎo)體熱電偶.根據(jù)半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)原理，當(dāng)通過直流電流時，熱電偶對的一端就會吸收熱量(稱為冷端)，而另一端則放出熱量(稱為熱端).若將若干對半導(dǎo)體熱電偶串聯(lián)起來，就構(gòu)成了常見的熱電堆，即半導(dǎo)體制冷片.半導(dǎo)體制冷片結(jié)構(gòu)如圖1所示.實際中常利用各種傳熱手段，使半導(dǎo)體的熱端不斷散熱并且保持一定的溫度，而把半導(dǎo)體的冷端放到工作環(huán)境中吸熱降溫，這就是制冷器的工作原理[6].

半導(dǎo)體制冷片在出廠后，其制冷能力是確定的，對于單個熱電偶，其產(chǎn)冷量公式[7]為

(1)

其消耗的電功率為

N0=I2R+IαabΔT，

(2)

其制冷效率為

(3)

式中：Q0為單個熱電偶產(chǎn)冷量(W);Qp為結(jié)點上的換熱量(W);Qhc為冷結(jié)點的總熱量(W);αab為熱電偶的溫差電動勢率，即賽貝克系數(shù)(V/K)；Tc為熱電偶冷端溫度(K)；I為工作電流(A)；R為熱電偶的電阻(Ω)；K為熱電偶的單位傳熱量(W/K)；ΔT為冷熱節(jié)點的溫差(K).

從以上公式可以看出，半導(dǎo)體制冷片的產(chǎn)冷量和制冷效率的大小與工作電流、半導(dǎo)體熱電堆冷熱端的溫差等因素有關(guān)：溫差大，產(chǎn)冷量少，制冷效率低；溫差小，產(chǎn)冷量多，制冷效率高.顯然，有效的散熱是保證半導(dǎo)體制冷工作高效的重要條件[8].

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體除濕器系統(tǒng)主要由單片機、電源、溫濕度檢測電路、半導(dǎo)體制冷片及風(fēng)扇驅(qū)動電路、LCD顯示模塊及上下位機通信模塊等組成，如圖2所示.系統(tǒng)原理是當(dāng)潮濕空氣經(jīng)風(fēng)扇吸入后，先經(jīng)半導(dǎo)體制冷器的冷面降溫結(jié)露，形成水滴流入引水槽，再由導(dǎo)水管流出箱體外，同時半導(dǎo)體制冷片的散熱面對冷凝后的空氣進行加熱，以進一步降低柜內(nèi)空氣的相對濕度.系統(tǒng)采用多個溫度傳感器檢測電力柜內(nèi)外環(huán)境溫度，即當(dāng)柜內(nèi)溫度過高時且高于柜外溫度時，能實時啟動箱體換氣扇，使內(nèi)外空氣對流，從而降低溫度，防止電力設(shè)備老化；通過按鍵設(shè)置除濕器的除濕閥值，當(dāng)柜內(nèi)環(huán)境濕度高于設(shè)定值時，除濕器開始工作，反之柜內(nèi)環(huán)境濕度低于設(shè)定值時，除濕器停止工作，有自動除濕和手動除濕兩種工作模式.半導(dǎo)體制冷片熱端設(shè)有過熱保護電路，防止因溫度過高而燒毀半導(dǎo)體制冷器，即當(dāng)超過半導(dǎo)體制冷器的最大溫度值時，制冷器停止工作.系統(tǒng)具有故障檢測功能，當(dāng)設(shè)備運行出現(xiàn)故障時會報警.箱體內(nèi)環(huán)境的溫濕度及除濕器的工作狀態(tài)通過串口發(fā)送至上位機進行實時監(jiān)測.

圖2　系統(tǒng)總體方框圖

3主要模塊電路設(shè)計

3.1單片機控制系統(tǒng)

單片機控制系統(tǒng)由復(fù)位電路、晶振電路、顯示電路及報警電路等組成.控制芯片采用單時鐘周期的STC12C5A60S2單片機.該芯片內(nèi)部集成有8路的10位高速AD轉(zhuǎn)換器，有1 KB的EEPROM和2路的PWM輸出.顯示電路采用Nokia5110的LCD顯示模塊，其內(nèi)部已含有控制及驅(qū)動電路，具有體積小、傳輸速率快等優(yōu)點.該顯示屏為84×48 點陣的LCD，用于顯示當(dāng)前箱體環(huán)境濕度、溫度、除濕閥值及除濕器的運行狀態(tài)等信息.LCD模塊與單片機采用SPI串行接口通信模式，采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在200 μA 以下，功耗低，因而適合長時間工作.單片機控制系統(tǒng)電路如圖3所示.

圖3　單片機控制系統(tǒng)

3.2溫濕度檢測電路

濕度傳感器采用法國Humirel公司的電容式相對濕度傳感器HSll01.它是一種基于電容原理的濕度傳感器，在環(huán)境溫度相對穩(wěn)定情況下，電容值隨著空氣濕度的變化而變化.由濕度傳感器HSll01與TLC555集成電路構(gòu)成多諧振蕩電路，如圖4所示.HSl101濕度傳感器充當(dāng)振蕩電容，將相對濕度值變化轉(zhuǎn)換成頻率信號輸出，經(jīng)過單片機處理后得到對應(yīng)的濕度值.TLC555 定時器的輸出引腳與單片機的P3.4引腳相連，計數(shù)出的1 s內(nèi)輸入的脈沖個數(shù)，即為TLC555振蕩器的振蕩頻率.

圖4　溫濕度檢測電路

圖4中的R3為555電路非平衡電阻，作為內(nèi)部溫度補償，目的是為了引入溫度效應(yīng)，使它與HS1101的溫度效應(yīng)相匹配，因此要求R3阻值要達到1%精度，最大的溫度效應(yīng)小于0.01%.由于不同型號的555內(nèi)部溫度補償有所不同，R2、R3的阻值必須與特定的芯片相匹配：根據(jù)HS1101資料手冊可知，對于CMOS工藝的TLC555 定時器,R2的阻值為576 kΩ，R3的阻值為909 kΩ.測得的相對濕度RH與輸出的脈沖頻率具有如下關(guān)系：

f=f55(Hz)(1.1038-1.9368×10-3×RH+3.0114×10-6×RH2-

3.4403×10-8×RH3，

(4)

式中:f55(Hz)表示相對濕度為55%時的頻率值,在25 ℃ 下，f55(Hz)=6660 Hz.因此，根據(jù)測得的脈沖頻率即可求出相對濕度值.表1 列出了輸出頻率與相對濕度數(shù)據(jù)的典型值.

表1　輸出頻率與相對濕度數(shù)據(jù)對照表

溫度檢測電路采用3個溫度傳感器DS18B20，分別檢測電力柜箱體內(nèi)、外環(huán)境的溫度及半導(dǎo)體熱端溫度.3個DS18B20傳感器的輸出分別與單片機的P2.0、P2.1和P2.2口連接(圖4中只畫了一個溫度傳感器)，經(jīng)單片機處理得到具體溫度值.

3.3半導(dǎo)體制冷器及風(fēng)扇驅(qū)動電路

半導(dǎo)體制冷片采用TEC1-12705，其最大電流為5 A，最大溫差約為67 ℃.由于半導(dǎo)體驅(qū)動電路電流較大，電路采用P型MOS管IRF9540.該管內(nèi)阻較小、工作電流較大，耐175 ℃高溫.半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動電路如圖5所示.在工作時，Q1、Q2組成復(fù)合管作為MOS管的前級放大驅(qū)動，J1口接半導(dǎo)體制片.Q1管的基極作為信號輸入端接單片機的P1.3的PWM輸出，由PWM輸出脈沖控制半導(dǎo)體制冷片工作電流.電阻R10的一端接單片機的P1.2(ADC1)口，由單片機內(nèi)部集成的AD模塊采樣電壓,從而檢測半導(dǎo)體制冷片的工作情況.

圖5　半導(dǎo)體制冷片驅(qū)動電路

半導(dǎo)體制冷片的散熱風(fēng)扇與電力柜的換氣風(fēng)扇的驅(qū)動電路如圖6所示.本設(shè)計將SI2302MOS管作為驅(qū)動電路.SI2302是N型MOSFET管，最大工作電流最大約為1.2 A.單片機的PWM0(P1.5)輸出信號直接驅(qū)動MOS管，高電平時MOS管導(dǎo)通，低電平截止.圖6中的J2接口接風(fēng)扇， 電阻R13的一端接單片機的P1.1(ADC1)口，采樣風(fēng)扇的工作電壓，以檢測風(fēng)扇的工作情況.

圖6　風(fēng)扇驅(qū)動電路

4系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖7　控制系統(tǒng)主流程圖

控制系統(tǒng)程序主流程如圖7所示.控制系統(tǒng)首先讀取當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度值，如果箱體內(nèi)的溫度較高(默認(rèn)大于45 ℃以上)且大于箱體外的溫度時，啟動換氣風(fēng)扇，以降低箱體內(nèi)的溫度；把當(dāng)前的濕度值與設(shè)定值進行比較，判斷是否啟動除濕功能，除濕閥值可通過按鍵任意設(shè)定，設(shè)定后存入單片機EEPROM中，斷電后數(shù)據(jù)不丟失；啟動除濕器后，單片機實時進行電路故障檢測，通過單片機的AD轉(zhuǎn)換器接口檢測半導(dǎo)體制冷片、風(fēng)扇等驅(qū)動電路的電壓值，判斷電路是否運行正常，同時還要檢測半導(dǎo)體制冷片熱端的溫度值，防止半導(dǎo)體制冷片熱端溫度過高而燒壞.由公式(3)中可知，半導(dǎo)體制冷片的工作效率與冷熱端的溫差有關(guān)，溫差越大效率越低，制冷量越少，因此，如果超過最高允許值時，應(yīng)關(guān)閉制冷片，等待溫度正常后再重新啟動.

在濕度測量中，根據(jù)公式(4)可知，f與RH之間是一種比較復(fù)雜的曲線關(guān)系，為了簡化計算，可以將頻率與濕度之間的非線性關(guān)系按照表1分成10段進行處理，每一小段內(nèi)按線性關(guān)系處理，可大大簡化計算過程.

上位機功能界面采用VB6.0設(shè)計，應(yīng)用VB內(nèi)部的串口控件MSComm實現(xiàn)串行口通信功能.上下位機之間采用RS-232串口通信接口，波特率為9600 bps，8位數(shù)據(jù)位，1位起始位和1位停止位.數(shù)據(jù)傳送格式為：幀頭+數(shù)據(jù)幀+幀尾，其中幀頭為0x55，幀尾為0xAA，數(shù)據(jù)幀由溫度符號(正負)、溫度、濕度、濕度閥值、除濕器運行狀態(tài)等9個字節(jié)組成.為達到實時采集目的，把MSComm設(shè)置成事件驅(qū)動方式，首先判斷幀頭，如果接收到0x55，則關(guān)閉MSComm接收事件，然后接收數(shù)據(jù)幀，當(dāng)接收到幀尾0xAA時，重新啟動MSComm接收事件，等待下一次事件的產(chǎn)生.單片機每60 s發(fā)送1次數(shù)據(jù)，上位機接收數(shù)據(jù)并顯示記錄電力柜環(huán)境的溫、濕度與除濕閥值、除濕器的運行狀態(tài).

5實驗測試

為驗證除濕器的工作效果，把除濕器放在大小為0.6 m×1.2 m×1.6 m的箱體內(nèi)進行測試，將實驗測試環(huán)境設(shè)定為溫度24 ℃、相對濕度43%.首先在箱體內(nèi)通過加濕器加濕至94%，然后關(guān)閉加濕器，開啟除濕器，把除濕器設(shè)置在手動工作模式.經(jīng)過1 h的測試，結(jié)果見表2.

表2　實驗測試數(shù)據(jù)

從表中可以看出：當(dāng)環(huán)境濕度較高時，濕度下降快，除濕效果明顯；隨著相對濕度的逐漸下降，除濕效果會有所下降，但總體除濕效果還是比較明顯.

6結(jié)語

智能除濕器把被動防止凝露方式改為主動引導(dǎo)凝露，通過實驗驗證和現(xiàn)場測試，除濕器能夠有效地完成除濕工作，保證電力設(shè)備的安全穩(wěn)定運行.除濕器結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、控濕準(zhǔn)確，可用于如戶外端子箱、高低壓控制柜、高低壓開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站、儀表箱等需要自動除潮濕、防凝露的場合.此外，如果對通信協(xié)議及上位機做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和處理，可實現(xiàn)多個電力柜除濕系統(tǒng)的實時監(jiān)測.

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(編輯徐永銘)

Research and Design of Smart Dehumidification System of Electric Cabinet

LAI Yihan, WANG Yusong, FU Zhihe

(Mechanics college, Longyan University, Longyan, 364012, China)

Abstract:In view of the security and the stability of the power equipment inside cabinet influenced by the environment,especially the humid air in the south of our country,an intelligent dehumidification system was designed based on single chip and semiconductor refrigeration technology according to the working principles of the semiconductor refrigerator.The system can start or stop dehumidifier automatically according to the humidity inside the cabinet by condensing the humid air into water and exhausting it outside the cabinet.The system also posesses fault detection and alarm function by sending the body temperature,humidity and dehumidifier running state to the real-time monitoring in PC through the serial port. Compared with the traditional moisture proof and humidity control equipment,it has the advantages of flexible control,accurate temperature and humidity detection,low power consumption and effective dehumidification.

Key words:microprocessor; electric cabinet; dehumidifier; semiconductor refrigeration

中圖分類號：TN36

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-358X(2016)01-0087-06

作者簡介：賴義漢(1968-)，男，副教授，碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)及其應(yīng)用研究.

基金項目：龍巖學(xué)院產(chǎn)學(xué)研合作項目(LC2014001)

收稿日期：2015-10-21