作者 / 陈富国1 兰黎阳1 余亚东1 李杰2
1.平高集团有限公司(河南 平顶山 467001)2.平顶山学院机械与电气工程学院(河南平 顶山 467000)
陈富国(1983.11)，男，硕士生，工程师，研讨方向：高压开关设备智能化关键技能。
摘要：针对变电站中的10 kV开关柜内的温湿度操控需求，规划一套依据半导体制冷技能的温湿度操控设备。该设备对柜内的温湿度值等参数进行实时收集，并运用现代数字信号处理算法对收集到的数据进行开始剖析，依据剖析成果操控开关柜内的温湿度值。体系选用规范Modbus通讯协议将监测数据上传至在线监测智能电子设备(intelligent electronic devices，IED)，一起具有监测阈值设置及智能告警功用。本设备在实践运转过程中得到了杰出的除湿作用，可以完结预期规划政策。
导言
跟着刚强智能电网的稳步推行，越来越多的智能化气体绝缘封闭式组合电器(以下简称GIS)产品在电网中成功运转[1]。一起，伴跟着开关柜智能化程度的进步，对开关柜内的环境水平的要求也越来越高。现阶段10 kV开关柜大多是选用空谐和惯例加热器来保证开关柜内的温湿度水平，尽管可以满意运用要求，可是此计划本钱高，分量较大，安装也不是非常便利。故本文依据现状，规划了一套依据半导体制冷技能的温湿度操控产品(即除湿器)，该产品将冷热半导体技能使用于10 kV开关柜内，以此到达操控柜内温湿度的意图。
1 半导体制冷的模型树立
半导体制冷技能是运用半导体的Peltier效应[2-3]，即当直流电经过两种不同半导体资料串联制成的电偶时，在电偶的两头即可别离吸收热量和放出热量。运用热电制冷片的这种特性，经过改动直流电极性即可使设备完结制冷或制热功用。
依据半导体制冷技能的除湿器经过操控冷热端的温度来进行热量交流，本文依据能量平衡方程及相关的理论创立了制冷体系的数学模型。
假定半导体制冷端处于正常作业条件下，依据制冷的相关理论可以得到制冷量方程式[4-5]为式(1)所示。
式(4)中
模仿的等效电压值，Ca为假定制冷状况下的等效%&&&&&%值。至此，半导体制冷端的数学等效模型如上式(4)所示。
2 体系全体架构规划
由节1中的半导体制冷能量平衡方程及相关理论创立的数学模型可以得到图1所示的体系全体操控框图。
图1中整个操控体系选用高功用的STM32F407VET6作为操控中心，选用高分辨率的温湿度传感器AM2302作为温湿度收集的中心部件，一起可以经过三位数码管实时显现温湿度值，两路阻隔型的继电器输出操控，具有手动除湿、主动除湿、报警指示等7路状况指示，一路具有远传通讯功用的RS485物理接口。
3 体系的硬件完结
依据简化规划、模块化规划和防电磁搅扰规划的政策，笔者对依据半导体制冷技能的温湿度操控器的硬件电路进行了具体的规划。
3.1 CPU中心模块规划
体系操控中心为ST公司的STM32F407 VET6，完结除湿器的温湿度收集、温湿度显现、开漏操控输出、RS-485通讯功用，一起完结体系操控的条件断定与战略完结，该芯片具有强壮的嵌入式操控功用和完善的事情管理才能使其彻底满意本体系的功用，一起具有强壮的扩展潜力;体系外部晶振为25 MHz，经ARM内部屡次倍频之后，可以使ARM主控芯片作业在168 MHz，彻底满意体系功用需求。
3.2 电源模块规划
依据工程的需求，该温湿度操控产品采纳直流12 V输入。而在本操控体系中主控芯片和通讯电路的供电为5 V，故需求规划出一种功耗低、安全阻隔、抗搅扰才能强的电源电路。DC 12V转DC 5V的电源电路如图2所示。
图2中，FR1、V1、E1和E2构成了电源电路的前端滤涉及稳压;U2为高效的阻隔型12 V转5 V的DC-DC电源转化芯片，该电压转化器是阻隔型芯片，抗搅扰才能强;V2、L1、E3和TVS1构成了电源电路的后端维护、滤涉及稳压。
3.3 显现模块的规划
为了愈加直观和人性化，笔者依据现场需求，规划了数码管显现电路，可以实时显现10 kV开关柜内的温湿度值。温湿度实时显现电路如图3所示。
图3中，PD1为三段LED数码管显现;U4为串行数码管驱动芯片，可削减微处理器I/O口的运用;Q1、Q2、Q3为数码管片选驱动放大管。
3.4 输出操控模块的规划
为愈加可靠地操控开关柜内的温湿度值，笔者对温湿度操控回路进行了精心规划，一起考虑了现场环境的电磁兼容性问题。传统的温湿度操控输出电路在抵挡电磁搅扰方面存在严峻的缺乏[5-6]，为愈加精确地操控开关柜内温湿度值且具有杰出的抗扰动才能，本文选用光电阻隔技能，使开入、开出回路经过光耦进行电气上的阻隔，防止将外部电磁搅扰引进处理器内部，进步操控的可靠性。输出操控回路如图4所示。
其间R4为光电阻隔芯片的限流电阻;D1是高速线性光耦;V3为快康复二极管，起钳位维护作用;JK1为低功耗输出操控继电器。文中所规划的操控输出模块集过电压维护和光电阻隔于一体，抗电磁搅扰才能强、寿命长、呼应速度快。
3.5 RS-485通讯模块规划
依据半导体制冷技能的温湿度操控产品与后台监测体系之间选用RS-485通讯，如图5所示。
其间，U3为MAX485转化芯片，其抗搅扰才能较好，广泛使用于通讯电路中;R10和R12为通讯电路中的上拉和下拉电阻，更好的完结温湿度参数的传输;F1、F2为保险丝、 G3、G4、G5为固体放电管、T1、T2为起维护作用的双向TVS管。
4 体系软件功用的完结
软件选用模块化规划[7-9]，首要包含体系运转参数设置模块、数码管显现模块、操控输出模块、数据剖析判断及状况指示模块。体系软件流程图如图6所示。
体系程序运转时，首要完结体系参数的初始化，以保证整个体系软件中各个子程序的功用完结及体系运转的稳定性。在进行初始化装备时需求在程序工程项目中增加ST公司供给的固件函数库，完结对相应寄存器及外设的驱动。体系及外设初始化包含时钟、嵌套向量中止操控器、GPIO口、定时器初始化装备、各通讯接口及外围电路模块的初始化装备。
5 实验验证
为验证本文所研发体系的有用性和可行性，规划了两组实验进行验证，别离针对手动形式和主动形式下操控温湿度值。实验条件为当时环境气温30℃，相对湿度为37%，
挑选本公司内部KYN28A-12型10 kV开关柜为实验本体。表1给出了手动形式下的除湿记载值，在手动形式下在10 kV开关柜内放置本设备和一个功率为100 W的加湿器，前20分钟只翻开加湿器，后20分钟封闭加湿器翻开除湿器。
从表1可以看出本体系在手动形式下除湿作用杰出，且跟着除湿时刻的推移除湿才能有所下降，可是除湿作用仍然显着。
表2给出了主动形式下的除湿记载值，在该主动形式下在10 kV开关柜内放置本设备和一个功率为100 W的加湿器，除湿器和加湿器一向坚持敞开状况，在第20分钟时封闭加湿器。
从表2可以看出本体系可以在主动形式下到达很好的除湿作用，且假定除湿器一向敞开，可以使实验箱内的湿度远远低于环境湿度值。
6 定论
本文从工程使用视点动身规划一套依据半导体制冷技能的温湿度操控产品。在剖析了半导体制冷技能的基础上，选用全新的数字化办法对10 kV开关柜内的温湿度值进行操控，该体系丈量精度高，具有较好的抗搅扰功用，可以在恶劣的电磁环境中正常运转，有用进步了10 kV开关柜内的安全运转环境水平。
参考文献：
[1]史俊.半导体制冷除湿技能在端子箱中的使用研讨[J].通讯国际,2016(1):163-164.
[2]沈南飞,徐从福. 半导体除湿器在高压开关柜内的使用[J].冶金动力,2015(12):7-8.
[3]闫铮,党建军,高亚强,等.一种电柜专用制冷型除湿器体系研讨[J].机械与电子,2014(1):37-38.
[4]高远,蒋玉思.单级半导体制冷器规划中常用公式的推导[J].广东有色金属学报，2003,13(2):130-131.
[5]韩耀明. 半导体制冷微型除湿器与化学干燥剂的比照实验研讨[J].制冷,2008,27(2):13-14.
[6]张振国,胡彧. 高压带电体温度无线监测体系的规划[J]. 外表技能与传感器,2013,(4):1-2.
[7]王华学.依据无线传感网的高压开关柜温湿度测控体系规划[J].电子测验,2015(4):9-10.
[8]韦海.试论除湿技能在变电设备运转中的使用[J].建材与装修,2016(43):202-203.
[9]岳增坤.依据半导体制冷技能的变电站室外端子箱除湿器的研发[D]保定:华北电力大学,2012.
本文来源于《电子产品国际》2018年第1期第59页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
