赖义汉,王宇松，傅智河

(龙岩学院，福建 龙岩　364012)



电力柜智能除湿系统研究与设计

赖义汉,王宇松，傅智河

(龙岩学院，福建 龙岩364012)

摘要：针对电力柜内部电力设备工作的安全性和稳定性受环境影响的问题，分析半导体制冷器的工作原理，并结合我国南部地区湿度较大这一实际情况，设计基于单片机和半导体制冷技术的智能除湿系统.该系统的特点是：根据箱内温湿度条件自动启停除湿器，将电力柜内的湿空气快速凝结成水排出箱外，达到自动降温除湿的目的；具备故障检测和报警功能，将相关数据信息通过串口发送至上位机，实时监测箱体的温湿度及除湿器的运行状态；与传统的防潮除湿设备相比较，具有控制灵活、温湿度检测准确、功耗低等优点，除湿效果良好.

关键词：单片机；电力柜；除湿器；半导体制冷

电力柜内部电力设备工作的稳定性会受环境如湿度、温度等因素的影响，尤其在我国南方地域，空气的相对湿度大，特别是在雨季、大风雨天气下潮湿现象尤为严重.该地区的电力设备如果长期运行在高度潮湿环境之下，其绝缘能力将随之下降，机械、电气等性能会受到影响，严重者会在绝缘体表面沿面放电，甚至发生误动、拒动等事故[1].因此，为保证箱体内电力设备的安全可靠运行，需要对电力柜进行有效降温除湿.目前，常用的防潮除湿设备一般有空调和工业除湿机等，但这些设备结构或者较复杂、耗电量大、成本高、安装麻烦，或者采用化学干燥剂除湿(化学干燥剂需要及时更换和再生，存在衰老等问题)，或者在箱体内加装电加热器进行除湿(电加热器仅对周围局部的潮湿空气进行分解作用，当水分子受热后上升，又会在电力柜四周或电力设备上冷却，产生凝露，水分依旧残留在电力柜内部)，总之效果不甚理想[2-5].而半导体制冷技术具有结构简单、体积小、无噪声、无磨损、寿命长、可靠性高、对环境无污染等优点，故而设计了基于单片机和半导体制冷技术的智能除湿系统，利用单片机输出PWM信号来驱动半导体制冷片及风扇，并用LCD显示电力柜内部环境信息，实现自动除湿、故障检测及报警等功能.这个系统具有控制灵活、温湿度检测准确、功耗低等特点.

1半导体制冷工作原理

图1　半导体制冷片结构示意图

半导体制冷片的基本元件是热电偶对，即把一只N型半导体和P型半导体连接成半导体热电偶.根据半导体材料的Peltier效应原理，当通过直流电流时，热电偶对的一端就会吸收热量(称为冷端)，而另一端则放出热量(称为热端).若将若干对半导体热电偶串联起来，就构成了常见的热电堆，即半导体制冷片.半导体制冷片结构如图1所示.实际中常利用各种传热手段，使半导体的热端不断散热并且保持一定的温度，而把半导体的冷端放到工作环境中吸热降温，这就是制冷器的工作原理[6].

半导体制冷片在出厂后，其制冷能力是确定的，对于单个热电偶，其产冷量公式[7]为

(1)

其消耗的电功率为

N0=I2R+IαabΔT，

(2)

其制冷效率为

(3)

式中：Q0为单个热电偶产冷量(W);Qp为结点上的换热量(W);Qhc为冷结点的总热量(W);αab为热电偶的温差电动势率，即赛贝克系数(V/K)；Tc为热电偶冷端温度(K)；I为工作电流(A)；R为热电偶的电阻(Ω)；K为热电偶的单位传热量(W/K)；ΔT为冷热节点的温差(K).

从以上公式可以看出，半导体制冷片的产冷量和制冷效率的大小与工作电流、半导体热电堆冷热端的温差等因素有关：温差大，产冷量少，制冷效率低；温差小，产冷量多，制冷效率高.显然，有效的散热是保证半导体制冷工作高效的重要条件[8].

2系统结构及工作原理

半导体除湿器系统主要由单片机、电源、温湿度检测电路、半导体制冷片及风扇驱动电路、LCD显示模块及上下位机通信模块等组成，如图2所示.系统原理是当潮湿空气经风扇吸入后，先经半导体制冷器的冷面降温结露，形成水滴流入引水槽，再由导水管流出箱体外，同时半导体制冷片的散热面对冷凝后的空气进行加热，以进一步降低柜内空气的相对湿度.系统采用多个温度传感器检测电力柜内外环境温度，即当柜内温度过高时且高于柜外温度时，能实时启动箱体换气扇，使内外空气对流，从而降低温度，防止电力设备老化；通过按键设置除湿器的除湿阀值，当柜内环境湿度高于设定值时，除湿器开始工作，反之柜内环境湿度低于设定值时，除湿器停止工作，有自动除湿和手动除湿两种工作模式.半导体制冷片热端设有过热保护电路，防止因温度过高而烧毁半导体制冷器，即当超过半导体制冷器的最大温度值时，制冷器停止工作.系统具有故障检测功能，当设备运行出现故障时会报警.箱体内环境的温湿度及除湿器的工作状态通过串口发送至上位机进行实时监测.

图2　系统总体方框图

3主要模块电路设计

3.1单片机控制系统

单片机控制系统由复位电路、晶振电路、显示电路及报警电路等组成.控制芯片采用单时钟周期的STC12C5A60S2单片机.该芯片内部集成有8路的10位高速AD转换器，有1 KB的EEPROM和2路的PWM输出.显示电路采用Nokia5110的LCD显示模块，其内部已含有控制及驱动电路，具有体积小、传输速率快等优点.该显示屏为84×48 点阵的LCD，用于显示当前箱体环境湿度、温度、除湿阀值及除湿器的运行状态等信息.LCD模块与单片机采用SPI串行接口通信模式，采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200 μA 以下，功耗低，因而适合长时间工作.单片机控制系统电路如图3所示.

图3　单片机控制系统

3.2温湿度检测电路

湿度传感器采用法国Humirel公司的电容式相对湿度传感器HSll01.它是一种基于电容原理的湿度传感器，在环境温度相对稳定情况下，电容值随着空气湿度的变化而变化.由湿度传感器HSll01与TLC555集成电路构成多谐振荡电路，如图4所示.HSl101湿度传感器充当振荡电容，将相对湿度值变化转换成频率信号输出，经过单片机处理后得到对应的湿度值.TLC555 定时器的输出引脚与单片机的P3.4引脚相连，计数出的1 s内输入的脉冲个数，即为TLC555振荡器的振荡频率.

图4　温湿度检测电路

图4中的R3为555电路非平衡电阻，作为内部温度补偿，目的是为了引入温度效应，使它与HS1101的温度效应相匹配，因此要求R3阻值要达到1%精度，最大的温度效应小于0.01%.由于不同型号的555内部温度补偿有所不同，R2、R3的阻值必须与特定的芯片相匹配：根据HS1101资料手册可知，对于CMOS工艺的TLC555 定时器,R2的阻值为576 kΩ，R3的阻值为909 kΩ.测得的相对湿度RH与输出的脉冲频率具有如下关系：

f=f55(Hz)(1.1038-1.9368×10-3×RH+3.0114×10-6×RH2-

3.4403×10-8×RH3，

(4)

式中:f55(Hz)表示相对湿度为55%时的频率值,在25 ℃ 下，f55(Hz)=6660 Hz.因此，根据测得的脉冲频率即可求出相对湿度值.表1 列出了输出频率与相对湿度数据的典型值.

表1　输出频率与相对湿度数据对照表

温度检测电路采用3个温度传感器DS18B20，分别检测电力柜箱体内、外环境的温度及半导体热端温度.3个DS18B20传感器的输出分别与单片机的P2.0、P2.1和P2.2口连接(图4中只画了一个温度传感器)，经单片机处理得到具体温度值.

3.3半导体制冷器及风扇驱动电路

半导体制冷片采用TEC1-12705，其最大电流为5 A，最大温差约为67 ℃.由于半导体驱动电路电流较大，电路采用P型MOS管IRF9540.该管内阻较小、工作电流较大，耐175 ℃高温.半导体制冷片驱动电路如图5所示.在工作时，Q1、Q2组成复合管作为MOS管的前级放大驱动，J1口接半导体制片.Q1管的基极作为信号输入端接单片机的P1.3的PWM输出，由PWM输出脉冲控制半导体制冷片工作电流.电阻R10的一端接单片机的P1.2(ADC1)口，由单片机内部集成的AD模块采样电压,从而检测半导体制冷片的工作情况.

图5　半导体制冷片驱动电路

半导体制冷片的散热风扇与电力柜的换气风扇的驱动电路如图6所示.本设计将SI2302MOS管作为驱动电路.SI2302是N型MOSFET管，最大工作电流最大约为1.2 A.单片机的PWM0(P1.5)输出信号直接驱动MOS管，高电平时MOS管导通，低电平截止.图6中的J2接口接风扇， 电阻R13的一端接单片机的P1.1(ADC1)口，采样风扇的工作电压，以检测风扇的工作情况.

图6　风扇驱动电路

4系统软件设计

图7　控制系统主流程图

控制系统程序主流程如图7所示.控制系统首先读取当前环境的温度和湿度值，如果箱体内的温度较高(默认大于45 ℃以上)且大于箱体外的温度时，启动换气风扇，以降低箱体内的温度；把当前的湿度值与设定值进行比较，判断是否启动除湿功能，除湿阀值可通过按键任意设定，设定后存入单片机EEPROM中，断电后数据不丢失；启动除湿器后，单片机实时进行电路故障检测，通过单片机的AD转换器接口检测半导体制冷片、风扇等驱动电路的电压值，判断电路是否运行正常，同时还要检测半导体制冷片热端的温度值，防止半导体制冷片热端温度过高而烧坏.由公式(3)中可知，半导体制冷片的工作效率与冷热端的温差有关，温差越大效率越低，制冷量越少，因此，如果超过最高允许值时，应关闭制冷片，等待温度正常后再重新启动.

在湿度测量中，根据公式(4)可知，f与RH之间是一种比较复杂的曲线关系，为了简化计算，可以将频率与湿度之间的非线性关系按照表1分成10段进行处理，每一小段内按线性关系处理，可大大简化计算过程.

上位机功能界面采用VB6.0设计，应用VB内部的串口控件MSComm实现串行口通信功能.上下位机之间采用RS-232串口通信接口，波特率为9600 bps，8位数据位，1位起始位和1位停止位.数据传送格式为：帧头+数据帧+帧尾，其中帧头为0x55，帧尾为0xAA，数据帧由温度符号(正负)、温度、湿度、湿度阀值、除湿器运行状态等9个字节组成.为达到实时采集目的，把MSComm设置成事件驱动方式，首先判断帧头，如果接收到0x55，则关闭MSComm接收事件，然后接收数据帧，当接收到帧尾0xAA时，重新启动MSComm接收事件，等待下一次事件的产生.单片机每60 s发送1次数据，上位机接收数据并显示记录电力柜环境的温、湿度与除湿阀值、除湿器的运行状态.

5实验测试

为验证除湿器的工作效果，把除湿器放在大小为0.6 m×1.2 m×1.6 m的箱体内进行测试，将实验测试环境设定为温度24 ℃、相对湿度43%.首先在箱体内通过加湿器加湿至94%，然后关闭加湿器，开启除湿器，把除湿器设置在手动工作模式.经过1 h的测试，结果见表2.

表2　实验测试数据

从表中可以看出：当环境湿度较高时，湿度下降快，除湿效果明显；随着相对湿度的逐渐下降，除湿效果会有所下降，但总体除湿效果还是比较明显.

6结语

智能除湿器把被动防止凝露方式改为主动引导凝露，通过实验验证和现场测试，除湿器能够有效地完成除湿工作，保证电力设备的安全稳定运行.除湿器结构简单、使用方便、控湿准确，可用于如户外端子箱、高低压控制柜、高低压开关柜、环网柜、箱式变电站、仪表箱等需要自动除潮湿、防凝露的场合.此外，如果对通信协议及上位机做适当的调整和处理，可实现多个电力柜除湿系统的实时监测.

参考文献：

[1] 唐达獒，周斌全.除湿器在高压开关柜内的应用[J].机电一体化,2014(1):38-43.

[2] 姜毅,周成华,郭俊峰,等.智能端子箱防凝露控制器的研制与试验研究[J].高压电器,2010(8):59-62.

[3] 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(6)：12-17.

[4] ZHANG T，IAU X H,JIANG Y．Performance optimization of heat pump driven liquid desiccant dehumidification systems[J].Energy Build,2012,52:132-144.

[5] XIAO F,GE G,NIU X F．Control performance of a dedicated outdoor air system adopting liquiddesiccant dehumidification[J].Appl Energy,2011,88(1):143-149.

[6] 成波,王昌龙,李倩雯,等.半导体制冷式除湿干燥装置的控制系统研制[J].扬州大学学报,2014，17(1)：67-70.

[7] 徐德胜.半导体制冷与应用技术[M].上海:上海交通大学出版社,1999.

[8] 卢菡菡,刘志奇,徐昌贵,等.恒定产冷量半导体制冷器的实验研究[J].工业仪表与自动化装置,2013(5):114-116.

(编辑徐永铭)

Research and Design of Smart Dehumidification System of Electric Cabinet

LAI Yihan, WANG Yusong, FU Zhihe

(Mechanics college, Longyan University, Longyan, 364012, China)

Abstract:In view of the security and the stability of the power equipment inside cabinet influenced by the environment,especially the humid air in the south of our country,an intelligent dehumidification system was designed based on single chip and semiconductor refrigeration technology according to the working principles of the semiconductor refrigerator.The system can start or stop dehumidifier automatically according to the humidity inside the cabinet by condensing the humid air into water and exhausting it outside the cabinet.The system also posesses fault detection and alarm function by sending the body temperature,humidity and dehumidifier running state to the real-time monitoring in PC through the serial port. Compared with the traditional moisture proof and humidity control equipment,it has the advantages of flexible control,accurate temperature and humidity detection,low power consumption and effective dehumidification.

Key words:microprocessor; electric cabinet; dehumidifier; semiconductor refrigeration

中图分类号：TN36

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2016)01-0087-06

作者简介：赖义汉(1968-)，男，副教授，硕士，主要从事嵌入式系统及其应用研究.

基金项目：龙岩学院产学研合作项目(LC2014001)

收稿日期：2015-10-21