張 宇

（晉能控股集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司，山西 大同 037003）

引言

當(dāng)今社會使用最頻繁的能量就是電能，電力變壓器是輸配電安全運行的核心，其貫穿整個傳輸電能的環(huán)節(jié)：開始發(fā)電，途徑不同的輸配電器，直至用戶使用。據(jù)統(tǒng)計，90%變壓器會遇到：無法實時監(jiān)測工作狀態(tài)、高溫工作以及超大損耗等問題。本文分析了變壓器所遇到的問題，研究了變壓器新型冷卻系統(tǒng)，核心是基于STM32的閉環(huán)控制回路，這個系統(tǒng)針對無法實時監(jiān)測工作狀態(tài)和高溫工作以及超大損耗等問題都得到了有效的解決，變壓器不僅可以記錄并實時顯示和監(jiān)測環(huán)境及工作參數(shù)，還能保持變壓器恒溫工作于安全溫度內(nèi)，不僅延長了變壓器的使用壽命，還合理地節(jié)約了資源，具有很好的推廣意義。

1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 選擇冷卻方式

表1是不同冷卻方式的優(yōu)缺點。分析結(jié)果可以看出最經(jīng)濟(jì)方便的冷卻形式是加強(qiáng)油浸風(fēng)冷。所以，系統(tǒng)主要的冷卻方式是通過油浸風(fēng)冷來完成。

表1 冷卻方式比較

1.2 設(shè)計總體方案

圖1是系統(tǒng)總體方案圖，執(zhí)行該步驟必須先選擇冷卻方式。

圖1 系統(tǒng)總體方案圖

1.3 設(shè)計模塊選型

1.3.1 主控芯片系統(tǒng)中相當(dāng)于中央控制器作用的是芯片部位，性能好的芯片可以使系統(tǒng)快速運行，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性因素，芯片確定了STM32F103ZET6型號，屬于ST公司的比較好的一種芯片。其ARM V7和中央處理器CPU以及處理器32位內(nèi)核架構(gòu)Cortex-M3等技術(shù)都是源于ARM英國公司，不僅成本低廉[1]，而且可以實現(xiàn)接口和外設(shè)以及系統(tǒng)高速運行的不同需求，比較實惠經(jīng)濟(jì)。

1.3.2 電機(jī)冷卻控制

系統(tǒng)的異步電機(jī)使用的是三相交流380 V的，轉(zhuǎn)速公式的計算方程為：

式中：s為轉(zhuǎn)差率；p為磁極對數(shù)；f為供電頻率，Hz；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

表2是不同調(diào)速方式的優(yōu)缺點。比較了四種調(diào)速方式，確定了電動機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式是定子調(diào)壓調(diào)速。

表2 調(diào)速方式比較

輸入量是被輸入端接收的反饋比較量，而控制信號是由變化的輸出量中取出的，此過程就是閉環(huán)控制，當(dāng)輸入量與取出量的相位相差1 800，就是閉環(huán)控制負(fù)反饋，反饋量是電機(jī)的溫度及轉(zhuǎn)速，輸出量是風(fēng)機(jī)冷卻的輸出電壓。圖2是完整的閉環(huán)結(jié)構(gòu)控制圖。

圖2 閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)運行快慢以及工作中的變壓器溫度，共同控制了電機(jī)冷卻的轉(zhuǎn)速。實際溫度比預(yù)設(shè)溫度低時，電機(jī)冷卻無需開啟；實際溫度比設(shè)定溫度高時，電機(jī)冷卻需要開啟，可以將工作中的變壓器溫度快速降低，還能對電機(jī)冷卻的實時轉(zhuǎn)速做出監(jiān)測，查看輸出值是否合適。電機(jī)冷卻的轉(zhuǎn)速是通過比例微分積分的PID來控制的，圖3是具體的控制結(jié)構(gòu)圖。

圖3 PID控制算法控制結(jié)構(gòu)圖

控制PID的增量式算法在自動控制理論里可以計算電機(jī)冷卻轉(zhuǎn)速的具體控制程序，式（2）是詳細(xì)的表達(dá)式：

式中：風(fēng)機(jī)不同偏差的位置中，e（k）是第k次偏差，e（k-1）是第k-1次偏差，e（k-2）是第k-2次偏差；風(fēng)機(jī)位置時刻中，u（k）是k時刻風(fēng)機(jī)位置，u（k-1）是k-1時刻風(fēng)機(jī)位置；風(fēng)機(jī)位置的時刻差值中，△u（k）代表k及k-1風(fēng)機(jī)位置的差值；微積分常數(shù)值有q0和q1以及q2。

1.3.3 監(jiān)測反饋量

溫度監(jiān)測模塊DS18B20屬于系統(tǒng)里的重要模塊，變壓器的實時溫度是閉環(huán)控制反饋參量中重要的。溫度傳感芯片的傳感模塊DS18B20集信號處理集和傳感器于一體，輸出的數(shù)字信號是16位的。傳感模塊DS18B20使用單總線結(jié)構(gòu)，即理想狀態(tài)下多個DS18B20模塊可以被掛載到同一總線。溫度檢測的范圍在-55~+125℃，±0.5℃的精度差和0.062 5℃的靈敏度，所以溫度監(jiān)測搭建系統(tǒng)使用的是傳感模塊DS18B20。溫度傳感器DS18B20被安裝在變壓器的進(jìn)、出油點和中心點以及接頭和外壁上，變壓器可以實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的整體監(jiān)測[2]。

監(jiān)測電機(jī)運行快慢。閉環(huán)控制中電機(jī)的冷卻轉(zhuǎn)速也屬于反饋參數(shù)。當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速與預(yù)期存在偏差或電機(jī)出現(xiàn)故障時，監(jiān)測轉(zhuǎn)速模塊可以第一時間預(yù)警并對主控芯片做出反饋，減少故障電機(jī)帶來的損耗。轉(zhuǎn)子頻率的監(jiān)測就是所需監(jiān)測的電機(jī)轉(zhuǎn)速，應(yīng)用比較器LM3931個及接插件2個即可，比較經(jīng)濟(jì)簡單。式（3）至式（7）是詳細(xì)的計算公式：

式中：電機(jī)轉(zhuǎn)速n由五個公式結(jié)合得到測量結(jié)果；f1為電源頻率，Hz；f2為轉(zhuǎn)子頻率，Hz；我國默認(rèn)50 Hz的電源頻率；n0為同步轉(zhuǎn)速，r/min。

1.3.4 通信模塊

通信RS485是工業(yè)總線的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，雙絞線是AB式的，具備良好的抗干擾性和100 Mbitls的傳輸速率最最大值，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。變壓器要和單片機(jī)系統(tǒng)保持一定的距離，所以單片機(jī)靠RS485傳輸變壓器不同部位的溫度數(shù)據(jù)。通信方式RS485也被應(yīng)用于單片機(jī)通信及監(jiān)測電機(jī)冷卻的電源模塊。

無線局域網(wǎng)通信Wi-Fi，是當(dāng)今社會實現(xiàn)信息無線傳輸?shù)闹饕憬莘绞剑诟采w信號的區(qū)域中可以簡單快捷的將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)絡(luò)，主控室的權(quán)限拿到后即可實現(xiàn)任何地點的數(shù)據(jù)查看。變壓器數(shù)據(jù)運行的傳輸以及主控室返回到單片機(jī)的通信模式都是Wi-Fi方式。

1.3.5 電源監(jiān)測電機(jī)冷卻供電

三相交流380 V的冷卻電機(jī)進(jìn)行供電，電源監(jiān)測添加在系統(tǒng)中，減少了電機(jī)因電源故障及缺相供電造成的非正常運行機(jī)率。電源監(jiān)測的實現(xiàn)是依據(jù)各相電壓頻率及幅值的監(jiān)測，類似于電機(jī)轉(zhuǎn)子監(jiān)測頻率的原理?？偩€RS485將數(shù)據(jù)傳送回單片機(jī)后，監(jiān)測模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析，對不合適的電源電壓發(fā)出報警，工作人員根據(jù)提示進(jìn)行檢修。

2 測試效果

系統(tǒng)設(shè)計完成后，聯(lián)合變壓器某公司測試效果，檢驗現(xiàn)場運行是否達(dá)到實際需求。設(shè)定10 d的測試周期，保持不關(guān)機(jī)。每55單片機(jī)需進(jìn)行一次數(shù)據(jù)的傳輸主控終端。設(shè)定43.0℃的溫度值，需日常統(tǒng)計運行的變壓器平均溫度值，下頁表3是具體統(tǒng)計結(jié)果。

表3 10 d時間內(nèi)變壓器運行溫度實測數(shù)據(jù) ℃

以上分析得出，保持0.5℃以內(nèi)的誤差，總體是43.0℃左右的溫度，此時的通信結(jié)果在測試期間會較為準(zhǔn)確，可以達(dá)到現(xiàn)場需求。

3 結(jié)論

本文所研究的變壓器基于STM32的閉環(huán)冷卻控制系統(tǒng)，可以自動調(diào)節(jié)運行電動機(jī)的冷卻系統(tǒng)，主要依靠的是電機(jī)轉(zhuǎn)速冷卻系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)以及當(dāng)前運行的變壓器溫度。經(jīng)多次現(xiàn)場實時測驗，表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)運行中的變壓器溫度并保持恒溫工作，加強(qiáng)了冷卻系統(tǒng)運行效率。