張 宇
(晉能控股集團(tuán)大斗溝煤業(yè)公司,山西 大同 037003)
當(dāng)今社會(huì)使用最頻繁的能量就是電能,電力變壓器是輸配電安全運(yùn)行的核心,其貫穿整個(gè)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(jì),90%變壓器會(huì)遇到:無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(gè)系統(tǒng)針對(duì)無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)顯示和監(jiān)測(cè)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。
表1是不同冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)。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
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
1.3.1 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(yùn)行,結(jié)合經(jīng)濟(jì)性因素,芯片確定了STM32F103ZET6型號(hào),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(shí)現(xiàn)接口和外設(shè)以及系統(tǒng)高速運(yùn)行的不同需求,比較實(shí)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(jì)算方程為:
式中:s為轉(zhuǎn)差率;p為磁極對(duì)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(diǎn)。比較了四種調(diào)速方式,確定了電動(dòng)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(hào)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(yùn)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(shí)際溫度比預(yù)設(shè)溫度低時(shí),電機(jī)冷卻無需開啟;實(shí)際溫度比設(shè)定溫度高時(shí),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(duì)電機(jī)冷卻的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速做出監(jiān)測(cè),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(dòng)控制理論里可以計(jì)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(shí)刻中,u(k)是k時(shí)刻風(fēng)機(jī)位置,u(k-1)是k-1時(shí)刻風(fēng)機(jī)位置;風(fēng)機(jī)位置的時(shí)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(cè)反饋量
溫度監(jiān)測(cè)模塊DS18B20屬于系統(tǒng)里的重要模塊,變壓器的實(shí)時(shí)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(hào)處理集和傳感器于一體,輸出的數(shù)字信號(hào)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(gè)DS18B20模塊可以被掛載到同一總線。溫度檢測(cè)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(cè)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(diǎn)和中心點(diǎn)以及接頭和外壁上,變壓器可以實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的整體監(jiān)測(cè)[2]。
監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)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(shí),監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)速模塊可以第一時(shí)間預(yù)警并對(duì)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(cè)就是所需監(jiān)測(cè)的電機(jī)轉(zhuǎn)速,應(yīng)用比較器LM3931個(gè)及接插件2個(gè)即可,比較經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單。式(3)至式(7)是詳細(xì)的計(jì)算公式:
式中:電機(jī)轉(zhuǎn)速n由五個(gè)公式結(jié)合得到測(cè)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(shí)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(cè)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(huì)實(shí)現(xiàn)信息無線傳輸?shù)闹饕憬莘绞?,在覆蓋信號(hào)的區(qū)域中可以簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)任何地點(diǎn)的數(shù)據(jù)查看。變壓器數(shù)據(jù)運(yùn)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(cè)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(cè)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(yùn)行機(jī)率。電源監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)是依據(jù)各相電壓頻率及幅值的監(jiān)測(cè),類似于電機(jī)轉(zhuǎn)子監(jiān)測(cè)頻率的原理??偩€RS485將數(shù)據(jù)傳送回單片機(jī)后,監(jiān)測(cè)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,對(duì)不合適的電源電壓發(fā)出報(bào)警,工作人員根據(jù)提示進(jìn)行檢修。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,聯(lián)合變壓器某公司測(cè)試效果,檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行是否達(dá)到實(shí)際需求。設(shè)定10 d的測(cè)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(jì)運(yùn)行的變壓器平均溫度值,下頁表3是具體統(tǒng)計(jì)結(jié)果。
表3 10 d時(shí)間內(nèi)變壓器運(yùn)行溫度實(shí)測(cè)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(shí)的通信結(jié)果在測(cè)試期間會(huì)較為準(zhǔn)確,可以達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)需求。
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(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)行電動(dòng)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(dòng)調(diào)節(jié)以及當(dāng)前運(yùn)行的變壓器溫度。經(jīng)多次現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)測(cè)驗(yàn),表明該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)運(yùn)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(yùn)行效率。