基於半導體製冷技術的10 kV開關櫃智能91看片网站视频器的設計

基於半導體製冷技術的10 kV開關櫃智能91看片网站视频器的設計

　　作者/陳富國1蘭黎陽1餘亞東1李傑2

　　本文引用地址：

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

　　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10kV開關櫃內的需要，設計一套基於技術的裝置。該裝置對櫃內的溫濕度值等參數進行實時采集，並運用現代數字信號處理算法對采集到的數據進行初步分析，根據分析結果控製開關櫃內的溫濕度值。係統采用標準Modbus通信協議將監測數據上傳至在線監測智能電子設備(intelligentelectronicdevices，IED)，同時具有監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，能夠實現預期設計目標。

　　引言

　　隨著堅強智能電網的穩步推廣，越來越多的智能化氣體絕緣封閉式組合電器(以下簡稱GIS)產品在電網中成功運行[1]。同時，伴隨著開關櫃智能化程度的提高，對開關櫃內的環境水平的要求也越來越高。現階段10kV開關櫃大多是采用空調和常規加熱器來保證開關櫃內的溫濕度水平，雖然可以滿足使用要求，但是此看片网站入口成本高，重量較大，裝配也不是十分方便。故本文基於現狀，設計了一套基於技術的產品(即91看片网站视频器)，該產品將冷熱半導體技術應用於10kV開關櫃內，以此達到控製櫃內溫濕度的目的。

　　1的模型建立

　　半導體製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製成的電偶時，在電偶的兩端即可分別吸收熱量和放出熱量。利用熱電製冷片的這種特性，通過改變直流電極性即可使裝置實現製冷或製熱功能。

　　基於半導體製冷技術的91看片网站视频器通過控製冷熱端的溫度來進行熱量交換，本文根據能量平衡方程及相關的理論創建了製冷係統的數學模型。

　　假定半導體製冷端處於正常工作條件下，根據製冷的相關理論可以得到製冷量方程式[4-5]為式(1)所示。

　　式(4)中模擬的等效電壓值，Ca為假定製冷狀態下的等效電容值。至此，半導體製冷端的數學等效模型如上式(4)所示。

　　2係統總體架構設計

　　由節1中的半導體製冷能量平衡方程及相關理論創建的數學模型可以得到圖1所示的係統整體控製框圖。

　　圖1中整個控製係統采用高性能的STM32F407VET6作為控製核心，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碼管實時顯示溫濕度值，兩路隔離型的繼電器輸出控製，具有手動91看片网站视频、自動91看片网站视频、報警指示等7路狀態指示，一路具有遠傳通信功能的RS485物理接口。

　　3係統的硬件實現

　　依據簡化設計、模塊化設計和防電磁幹擾設計的方針，筆者對基於半導體製冷技術的溫濕度控製器的硬件電路進行了詳細的設計。

　　3.1CPU核心模塊設計

　　係統控製核心為ST公司的STM32F407VET6，完成91看片网站视频器的溫濕度采集、溫濕度顯示、開漏控製輸出、RS-485通信功能，同時完成係統控製的條件判定與策略實現，該芯片具有強大的嵌入式控製功能和完善的事件管理能力使其完全滿足本係統的功能，同時具有強大的擴展潛力;係統外部晶振為25MHz，經ARM內部多次倍頻之後，可以使ARM主控芯片工作在168MHz，完全滿足係統性能需要。

　　3.2電源模塊設計

　　根據工程的需要，該溫濕度控製產品采取直流12V輸入。而在本控製係統中主控芯片和通信電路的供電為5V，故需要設計出一種功耗低、安全隔離、抗幹擾能力強的電源電路。DC12V轉DC5V的電源電路如圖2所示。

　　圖2中，FR1、V1、E1和E2構成了電源電路的前端濾波及穩壓;U2為高效的隔離型12V轉5V的DC-DC電源轉換芯片，該電壓轉換器是隔離型芯片，抗幹擾能力強;V2、L1、E3和TVS1構成了電源電路的後端保護、濾波及穩壓。

　　3.3顯示模塊的設計

　　為了更加直觀和人性化，筆者根據現場需要，設計了數碼管顯示電路，可以實時顯示10kV開關櫃內的溫濕度值。溫濕度實時顯示電路如圖3所示。

　　圖3中，PD1為三段LED數碼管顯示;U4為串行數碼管驅動芯片，可減少微處理器I/O口的使用;Q1、Q2、Q3為數碼管片選驅動放大管。

　　3.4輸出控製模塊的設計

　　為更加可靠地控製開關櫃內的溫濕度值，筆者對溫濕度控製回路進行了精心設計，同時考慮了現場環境的電磁兼容性問題。傳統的溫濕度控製輸出電路在抵禦電磁幹擾方麵存在嚴重的不足[5-6]，為更加準確地控製開關櫃內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，避免將外部電磁幹擾引入處理器內部，提高控製的可靠性。輸出控製回路如圖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為快恢複二極管，起鉗位保護作用;JK1為低功耗輸出控製繼電器。文中所設計的控製輸出模塊集過電壓保護和光電隔離於一體，抗電磁幹擾能力強、壽命長、響應速度快。

　　3.5RS-485通信模塊設計

　　基於半導體製冷技術的溫濕度控製產品與後台監測係統之間采用RS-485通信，如圖5所示。

　　其中，U3為MAX485轉換芯片，其抗幹擾能力較好，廣泛應用於通信電路中;R10和R12為通信電路中的上拉和下拉電阻，更好的實現溫濕度參數的傳輸;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係統軟件功能的實現

　　軟件采用模塊化設計[7-9]，主要包括係統運行參數設置模塊、數碼管顯示模塊、控製輸出模塊、數據分析判斷及狀態指示模塊。係統軟件流程圖如圖6所示。

　　係統程序運行時，首先完成係統參數的初始化，以確保整個係統軟件中各個子程序的功能實現及係統運行的穩定性。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庫，實現對相應寄存器及外設的驅動。係統及外設初始化包括時鍾、嵌套向量中斷控製器、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

　　為驗證本文所研製係統的有效性和可行性，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製溫濕度值。實驗條件為當前環境氣溫30℃，相對濕度為37%，

　　選擇本公司內部KYN28A-12型10kV開關櫃為實驗本體。表1給出了手動模式下的91看片网站视频記錄值，在手動模式下在10kV開關櫃內放置本裝置和一個功率為100W的加濕器，前20分鍾隻打開加濕器，後20分鍾關閉加濕器打開91看片网站视频器。

　　從表1可以看出本係統在手動模式下良好，且隨著91看片网站视频時間的推移91看片网站视频能力有所下降，但是依然明顯。

　　表2給出了自動模式下的91看片网站视频記錄值，在該自動模式下在10kV開關櫃內放置本裝置和一個功率為100W的加濕器，91看片网站视频器和加濕器一直保持開啟狀態，在第20分鍾時關閉加濕器。

　　從表2可以看出本係統可以在自動模式下達到很好的91看片网站视频效果，且假定91看片网站视频器一直開啟，可以使實驗箱內的濕度遠遠低於環境濕度值。

　　6結論

　　本文從工程應用角度出發設計一套基於半導體製冷技術的溫濕度控製產品。在分析了半導體製冷技術的基礎上，采用全新的數字化方法對10kV開關櫃內的溫濕度值進行控製，該係統測量精度高，具有較好的抗幹擾性能，能夠在惡劣的電磁環境中正常運行，有效提高了10kV開關櫃內的安全運行環境水平。

　　參考文獻：

　　[1]史俊.半導體製冷91看片网站视频技術在端子箱中的應用研究[J].通訊世界,2016(1):163-164.

　　[2]沈南飛,徐從福.半導體91看片网站视频器在高壓開關櫃內的應用[J].冶金動力,2015(12):7-8.

　　[3]閆錚,黨建軍,高亞強,等.一種電櫃專用製冷型91看片网站视频器係統研究[J].機械與電子,2014(1):37-38.

　　[4]高遠,蔣玉思.單級半導體製冷器設計中常用公式的推導[J].廣東有色金屬學報，2003,13(2):130-131.

　　[5]韓耀明.半導體製冷微型91看片网站视频器與化學幹燥劑的對比試驗研究[J].製冷,2008,27(2):13-14.

　　[6]張振國,胡彧.高壓帶電體溫度無線監測係統的設計[J].儀表技術與傳感器,2013,(4):1-2.

　　[7]王華學.基於無線傳感網的高壓開關櫃溫濕度測控係統設計[J].電子測試,2015(4):9-10.

　　[8]韋海.試論91看片网站视频技術在變電設備運行中的應用[J].建材與裝飾,2016(43):202-203.

　　[9]嶽增坤.基於半導體製冷技術的變電站室外端子箱91看片网站视频器的研製[D]保定:華北電力大學,2012.

　　本文來源於《電子產品世界》2018年第1期第59頁，歡迎您寫論文時引用，並注明出處。