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(guó)1蘭黎陽(yáng)1余亞東1李杰2
本文引用地址：
1.平高集團(tuán)有限公司(河南平頂山)2.平頂山學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院(河南平頂山)
陳富國(guó)(1983.11)
摘要：針對(duì)變電站中的10kV開關(guān)柜內(nèi)的需要
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(jiǎn)稱GIS)產(chǎn)品在電網(wǎng)中成功運(yùn)行[1]
1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
，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)
3.1CPU核心模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)控制核心為ST公司的STM32F407VET6，完成除濕器的溫濕度采集
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。DC12V轉(zhuǎn)DC5V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10kV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
3.5RS-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
選擇本公司內(nèi)部KYN28A-12型10kV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
從表1可以看出本系統(tǒng)在手動(dòng)模式下良好
表2給出了自動(dòng)模式下的除濕記錄值
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
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)10kV開關(guān)柜內(nèi)的溫濕度值進(jìn)行控制
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本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第1期第59頁(yè)
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