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)

陳富國(guó) 蘭黎陽(yáng) 余亞?wèn)| 李杰

摘要：針對(duì)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(duì)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(hào)處理算法對(duì)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(cè)數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測(cè)智能電子設(shè)備（intelligent electronic devices，IED），同時(shí)具有監(jiān)測(cè)閾值設(shè)置及智能告警功能。本裝置在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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)。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷；溫濕度控制；除濕效果

引言

隨著堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的穩(wěn)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(duì)開關(guān)柜內(nèi)的環(huán)境水平的要求也越來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)控制冷熱端的溫度來(lái)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。

Q0=n[aITl-0.5I2R-KTx]

（1）

式中Qo是系統(tǒng)總的制冷量；n為所選擇的半導(dǎo)體極對(duì)數(shù)；a=ap-an，即為塞貝克系數(shù)；I為系統(tǒng)的工作電流；R為半導(dǎo)體制冷片的接觸電阻值；K為半導(dǎo)體材料的參數(shù)值；Tx=Th一Tl，即制冷片在正常工作時(shí)的冷熱面的溫差值。

式（2）給出了半導(dǎo)體制冷片的換熱量值

Ql=hF（Ta-T）

（2）

式中Ql是系統(tǒng)總的換熱量，h為所選擇的半導(dǎo)體材料的參數(shù)值，F(xiàn)為塞貝克系數(shù)，Ta為系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大工作溫度，T半導(dǎo)體制冷片設(shè)定的溫度值。

式（3）給出了半導(dǎo)體的制冷器的微分方程。

（3）

將式（1）和式（2）代入式（3）中可以得到制冷系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模擬方程式，即下式（4）所示。

（4）

式（4）中Vρ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(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(guò)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(dòng)除濕、自動(dòng)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(jiǎn)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(duì)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Γ幌到y(tǒng)外部晶振為25 MHz，經(jīng)ARM內(nèi)部多次信頻之后，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12V輸入。而在本控制系統(tǒng)中主控芯片和通信電路的供電為5V，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12V轉(zhuǎn)5V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(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(chǎng)環(huán)境的電磁兼容性問(wèn)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(dòng)能力，本文采用光電隔離技術(shù)，使開入、開出回路通過(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(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(guò)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(zhǎng)、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(tái)監(jiān)測(cè)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(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)寄存器及外設(shè)的驅(qū)動(dòng)。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(duì)手動(dòng)模式和自動(dòng)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(duì)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(dòng)模式下的除濕記錄值，在手動(dòng)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(dòng)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(dòng)模式下的除濕記錄值，在該自動(dòng)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(dòng)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(duì)10 kV開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度值進(jìn)行控制，該系統(tǒng)測(cè)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。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]沈南飛，徐從福.半導(dǎo)體除濕器在高壓開關(guān)柜內(nèi)的應(yīng)用[J].冶金動(dòng)力

[3]閏錚，黨建軍，高亞強(qiáng)，等.一種電柜專用制冷型除濕器系統(tǒng)研究[J].機(jī)械與電子，2014（1）：37-38.

[4]高遠(yuǎn)，蔣玉思.單級(jí)半導(dǎo)體制冷器設(shè)計(jì)中常用公式的推導(dǎo)[J].廣東有色金屬學(xué)報(bào)，2003，13（2）：130-131.

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

[6]張振國(guó)，胡彧.高壓帶電體溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013，（4）：1-2.

[7]王華學(xué).基于無(wú)線傳感網(wǎng)的高壓開關(guān)柜溫濕度測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2015（4）：9-10.

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

[9]岳增坤.基于半導(dǎo)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.