基于半导体制冷技术的10 kV开关柜智能除湿器的设计

陈富国 兰黎阳 余亚东 李杰

摘要：针对变电站中的10 kV开关柜内的温湿度控制需要，设计一套基于半导体制冷技术的温湿度控制装置。该装置对柜内的温湿度值等参数进行实时采集，并运用现代数字信号处理算法对采集到的数据进行初步分析，根据分析结果控制开关柜内的温湿度值。系统采用标准Modbus通信协议将监测数据上传至在线监测智能电子设备（intelligent electronic devices，IED），同时具有监测阈值设置及智能告警功能。本装置在实际运行过程中得到了良好的除湿效果，能够实现预期设计目标。

关键词：半导体制冷；温湿度控制；除湿效果

引言

随着坚强智能电网的稳步推广，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行[1]。同时，伴随着开关柜智能化程度的提高，对开关柜内的环境水平的要求也越来越高。现阶段10 kV开关柜大多是采用空调和常规加热器来保证开关柜内的温湿度水平，虽然可以满足使用要求，但是此方案成本高，重量较大，装配也不是十分方便。故本文基于现状，设计了一套基于半导体制冷技术的温湿度控制产品（即除湿器），该产品将冷热半导体技术应用于10 kV开关柜内，以此达到控制柜内温湿度的目的。

1 半导体制冷的模型建立

半导体制冷技术是利用半导体的Peltier效应[2-3]，即当直流电通过两种不同半导体材料串联制成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量。利用热电制冷片的这种特性，通过改变直流电极性即可使装置实现制冷或制热功能。

基于半导体制冷技术的除湿器通过控制冷热端的温度来进行热量交换，本文根据能量平衡方程及相关的理论创建了制冷系统的数学模型。

假定半导体制冷端处于正常工作条件下，根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。

Q0=n[aITl-0.5I2R-KTx]

（1）

式中Qo是系统总的制冷量；n为所选择的半导体极对数；a=ap-an，即为塞贝克系数；I为系统的工作电流；R为半导体制冷片的接触电阻值；K为半导体材料的参数值；Tx=Th一Tl，即制冷片在正常工作时的冷热面的温差值。

式（2）给出了半导体制冷片的换热量值

Ql=hF（Ta-T）

（2）

式中Ql是系统总的换热量，h为所选择的半导体材料的参数值，F为塞贝克系数，Ta为系统能够达到的最大工作温度，T半导体制冷片设定的温度值。

式（3）给出了半导体的制冷器的微分方程。

（3）

将式（1）和式（2）代入式（3）中可以得到制冷系统的动态模拟方程式，即下式（4）所示。

（4）

式（4）中Vρ模拟的等效电压值，Ca为假定制冷状态下的等效电容值。至此，半导体制冷端的数学等效模型如上式（4）所示。

2 系统总体架构设计

由节1中的半导体制冷能量平衡方程及相关理论创建的数学模型可以得到图1所示的系统整体控制框图。

图1中整个控制系统采用高性能的STM32F407VET6作为控制核心，采用高分辨率的温湿度传感器AM2302作为温湿度采集的核心部件，同时能够通过三位数码管实时显示温湿度值，两路隔离型的继电器输出控制，具有手动除湿、自动除湿、报警指示等7路状态指示，一路具有远传通信功能的RS485物理接口。

3 系统的硬件实现

依据简化设计、模块化设计和防电磁干扰设计的方针，笔者对基于半导体制冷技术的温湿度控制器的硬件电路进行了详细的设计。

3.1 CPU核心模块设计

系统控制核心为ST公司的STM32F407 VET6，完成除湿器的温湿度采集、温湿度显示、开漏控制输出、RS-485通信功能，同时完成系统控制的条件判定与策略实现，该芯片具有强大的嵌入式控制功能和完善的事件管理能力使其完全满足本系统的功能，同时具有強大的扩展潜力；系统外部晶振为25 MHz，经ARM内部多次信频之后，可以使ARM主控芯片工作在168 MHz，完全满足系统性能需要。

3.2 电源模块设计

根据工程的需要，该温湿度控制产品采取直流12V输入。而在本控制系统中主控芯片和通信电路的供电为5V，故需要设计出一种功耗低、安全隔离、抗干扰能力强的电源电路。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波及稳压：U2为高效的隔离型12V转5V的DC-DC电源转换芯片，该电压转换器是隔离型芯片，抗干扰能力强；V2、L1、E3和TVS1构成了电源电路的后端保护、滤波及稳压。

3.3 显示模块的设计

为了更加直观和人性化，笔者根据现场需要，设计了数码管显示电路，可以实时显示10 kV开关柜内的温湿度值。温湿度实时显示电路如图3所示。

图3中，PD1为三段LED数码管显示；U4为串行数码管驱动芯片，可减少微处理器I/O口的使用；Q1、Q2、Q3为数码管片选驱动放大管。

3.4 输出控制模块的设计

为更加可靠地控制开关柜内的温湿度值，笔者对温湿度控制回路进行了精心设计，同时考虑了现场环境的电磁兼容性问题。传统的温湿度控制输出电路在抵御电磁干扰方面存在严重的不足[5-6]，为更加准确地控制开关柜内温湿度值且具有良好的抗扰动能力，本文采用光电隔离技术，使开入、开出回路通过光耦进行电气上的隔离，避免将外部电磁干扰引入处理器内部，提高控制的可靠性。输出控制回路如图4所示。

其中R4为光电隔离芯片的限流电阻：D1是高速线性光耦；V3为快恢复二极管，起钳位保护作用；JK1为低功耗输出控制继电器。文中所设计的控制输出模块集过电压保护和光电隔离于一体，抗电磁干扰能力强、寿命长、响应速度快。

3.5 RS-485通信模块设计

基于半导体制冷技术的温湿度控制产品与后台监测系统之间采用RS-485通信，如图5所示。

其中，U3为MAX485转换芯片，其抗干扰能力较好，广泛应用于通信电路中：R10和R12为通信电路中的上拉和下拉电阻，更好的实现温湿度参数的传输：F1、F2为保险丝、G3、G4、G5为固体放电管、T1、T2为起保护作用的双向TVS管。

4 系统软件功能的实现

软件采用模块化设计[7-9]，主要包括系统运行参数设置模块、数码管显示模块、控制输出模块、数据分析判断及状态指示模块。系统软件流程图如图6所示。

系统程序运行时，首先完成系统参数的初始化，以确保整个系统软件中各个子程序的功能实现及系统运行的稳定性。在进行初始化配置时需要在程序工程项目中添加ST公司提供的固件函数库，实现对相应寄存器及外设的驱动。系统及外设初始化包括时钟、嵌套向量中断控制器、GPIO口、定时器初始化配置、各通信接口及外围电路模块的初始化配置。

5 实验验证

为验证本文所研制系统的有效性和可行性，设计了两组实验进行验证，分别针对手动模式和自动模式下控制温湿度值。实验条件为当前环境气温30℃，相对湿度为37%，

选择本公司内部KYN28A-12型10 kV开关柜为实验本体。表1给出了手动模式下的除湿记录值，在手动模式下在10 kV开关柜内放置本装置和一个功率为100 W的加湿器，前20分钟只打开加湿器，后20分钟关闭加湿器打开除湿器。

从表1可以看出本系统在手动模式下除湿效果良好，且随着除湿时间的推移除湿能力有所下降，但是除湿效果依然明显。

表2给出了自动模式下的除湿记录值，在该自动模式下在10 kV开关柜内放置本装置和一个功率为100 W的加湿器，除湿器和加湿器一直保持开启状态，在第20分钟时关闭加湿器。

从表2可以看出本系统可以在自动模式下达到很好的除湿效果，且假定除湿器一直开启，可以使实验箱内的湿度远远低于环境湿度值。

6 结论

本文从工程应用角度出发设计一套基于半导体制冷技术的温湿度控制产品。在分析了半导体制冷技术的基础上，采用全新的数字化方法对10 kV开关柜内的温湿度值进行控制，该系统测量精度高，具有较好的抗干扰性能，能够在恶劣的电磁环境中正常运行，有效提高了10 kV开关柜内的安全运行环境水平。

参考文献：

[1]史俊.半导體制冷除湿技术在端子箱中的应用研究[J].通讯世界，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应用[J].冶金动力

[3]闰铮，党建军，高亚强，等.一种电柜专用制冷型除湿器系统研究[J].机械与电子，2014（1）：37-38.

[4]高远，蒋玉思.单级半导体制冷器设计中常用公式的推导[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对比试验研究[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系统的设计[J].仪表技术与传感器，2013，（4）：1-2.

[7]王华学.基于无线传感网的高压开关柜温湿度测控系统设计[J].电子测试，2015（4）：9-10.

[8]韦海.试论除湿技术在变电设备运行中的应用[J].建材与装饰，2016（43）：202-203.

[9]岳增坤.基于半导体制冷技术的变电站室外端子箱除湿器的研制[D].保定：华北电力大学，2012.