浪涌保護器溫度控制系統的設計
0引言
浪涌保護器也叫防雷器、電涌保護器、SPD等，是一種限制瞬態過電壓、泄放過電流的電氣防護器件，有著良好的非線性特性,用以保護耐壓水平低的電氣或電子系統設備免遭雷電電磁脈沖及各類過電壓的損害。雷電或操作過電壓等暫態過程會導致電涌保護器內部的氧化鋅壓敏電阻動作從而引起溫度升高，如不能及時將熱量散發出去,氧化鋅壓敏電阻溫度超過某一極限值將發生熱崩潰,熱崩潰會引起氧化鋅壓敏電阻的擊穿以及電涌保護器整體的破碎炸裂,嚴重時會引起電源系統短路甚至火災事故，導致浪涌保護器預期壽命顯著縮短。目前對浪涌保護器及其內部氧化鋅壓敏電阻熱特性研究的手段主要有建立有限元模型仿真和使用熱成像儀成像。吳維韓、何金良等利用有限元法對氧化鋅避雷器溫度場分布和散熱特性進行研究,確定了氧化鋅閥片功率損耗與溫度和荷電率的關系,為判定氧化鋅避雷器的熱穩定性能提供了依據。桑建平使用熱成像儀對工作的避雷器進行觀測，確定了溫度分布情況，制作避雷器比例單元進行高壓熱特性試驗,給出了具體溫升數據曲線。根據對壓敏電阻熱特性的研究,一些學者從壓敏電阻制造工藝入手,希望通過改變壓敏電阻原料配方，增加壓敏電阻的通流容量來減少發熱量,但效果并不明顯。還有學者對浪涌保護器內部結構進行重新設計,采用改變散熱通道增加散熱葉片等方法降低浪涌保護器內部溫度,但這些方案破壞了浪涌保護器密封結構，易受潮濕環境影響以及外界電磁干擾。
為解決浪涌保護器運行時的散熱問題,本文利用半導體制冷片作為冷卻設備對浪涌保護器及其內部氧化鋅壓敏電阻進行降溫。基于STM32F4系列單片機設計溫度控制系統,在對浪涌保護器及內部壓敏電阻進行溫度監測的同時,控制半導體制冷片工作對壓敏電阻進行散熱。
1系統總體設計
浪涌保護器溫度控制系統包含半導體制冷片、主控制器、溫度傳感器、WiFi模塊等器件。系統工作的流程主要是:多組溫度傳感器對氧化鋅壓敏電阻溫度進行實時監測，并將溫度數據實時傳輸至主控制器。主控制器在收到溫度數據后先對其進行濾波去噪處理,隨后進行控制算法的計算判斷溫度數據的值，并驅動制冷模塊對氧化鋅壓敏電阻進行降溫，使氧化鋅壓敏電阻溫度處于合適值。溫度數據可通過WiFi 通信模塊實時傳輸至后方平臺，同時當氧化鋅壓敏電阻溫度急劇.上升出現熱崩潰,冷卻裝置無法有效降溫，時, WiFi通信模塊將報警信號送至后方平臺，提醒及時更換設備。2系統硬件設計
設計以半導體制冷片為溫度控制核心元件的浪涌保護器溫控系統,使得電涌保護器中的氧化鋅壓敏電阻在工作時不因溫度過高而增加功率損耗導致其過快老化裂化，同時能有效減少電涌保護器外殼及附屬器件發生爆裂的現象。整個系統由制冷模塊、測溫模塊、溫度控制模塊、通信模塊和電源模塊5部分組成，如圖1所示。2.1溫度控制模塊選擇應用
制冷模塊選用基于珀爾帖效應的半導體制冷片作為核心器件。半導體制冷片體積小,尺寸與氧化鋅壓敏電阻相似,根據功能需求選擇型號為TEC1一12715的半導體制冷片。將制冷片制冷面緊貼浪涌保護器內的氧化鋅壓敏電阻,當浪涌保護器處于工作狀態溫度升高時，收到溫度控制模塊發送的指令后制冷片工作對其進行降溫,使壓敏電阻表面溫度及浪涌保護器內部環境溫度處于正常值。制冷片的散熱面通過散熱片將熱量傳導至浪涌保護器的外部,從而降低器件內部的溫度。半導體制冷片制冷效率高,可在短時間內迅速降溫。當雷電流來襲,氧化鋅壓敏電阻工作發熱時，半導體制冷片可迅速工作,將溫度控制在合適值。2.2溫度控制模塊
溫度控制模塊的微處理器選擇基于AMR Cortex-M4內核的STM32F407ZGT6高性能微控制器,主頻最高可達168MHz,擁有1MB的FLASH程序存儲器，192KB的SRAM。同時帶有4個片選的靜態存儲控,制器,支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR/NAND等存儲除運算速度快、存儲容量大，STM32F407ZGT6還擁有豐富的外設資源。其有多達3個IC接口、4個USART接口、4個UART接口、3個SPI接口、2個具有復用的全雙工模式的TS接口、2個CAN接口以及SDIO接口。多種外設接口為微處理器與外部設備的通信提供了高速有效的媒介控制終端使用了2個USART接口,分別用于與WiFi通信模塊通信和調試接口。微處理器PD端口的1.2.3引腳與DS1203 的RST. SCLK.DATA 3個接口相連。PF端口的8.9、10引腳分別與報警用蜂鳴器及LED燈相連。定時器3通道3作為輸出,驅動制冷模塊,微處理器電路連接圖如圖2所示。
2.3 測溫模塊
測溫模塊的單片機采用型號為MSP430F247的處理器芯片。該芯片擁有豐富外設資源的同時處理速度快且功耗低,其內置的rC總線方便與外設間的通信連接團測溫模塊中采用了TMP275型溫度傳感器。TMP275測溫后不經數模轉換等處理,可以直接輸出數字信號送至微處理器處理。測溫精度為+0.5 C,工作電流為50 μA,可通過FC總線與微處理器進行信號傳輸。溫度傳感器電路連接圖如圖4所示。
2.4通信模塊
通信模塊是整個溫控系統內部數據傳輸以及溫控系統與外界連接的通道。選擇WiFi通信模塊將實時監控所得的溫度數據傳輸至后方終端，可在后方平臺對浪涌保護器內部的溫度進行實時監控。而系統內部各模塊間的數據通信同樣通過串口將數據傳給WiFi通信模塊實現。WiFi通信模塊選擇了型號為USR-WIFI232-S的超低功耗WiFi模塊,該芯片支持EEE 802.11b/g,傳輸速度為54 Mbit/s。微處理器對WiFi模塊進行初始化及相關信息配置后,通過串口.將數據傳遞給WiFi模塊從而實現無線通信。WiFi 通信模塊電路連接圖如圖5所示。2.5電源模塊
電源模塊為整個系統提供電能,首先選用變壓器和二極管將220 V交流電通過變壓、整流、穩壓轉變為15V直流電，可為半導體制冷片供電。再通過AMS1117-3.3電源穩壓芯片,將輸入15 V電壓通過AMS1117-3.3降到3.3 V為微處理器、WiFi模塊等工作電壓為3.3 V的器件供電。3軟件設計
溫度控制程序流程圖如圖6所示。溫度控制模塊上電后,微處理器首先對時鐘及其他外設、模塊進行初始化操作。初始化完成后,微處理器通過WiFi通信模塊向測溫模塊發送識別數據,收到響應后進行連接,進入工作模式。微處理器向測溫模塊發送指令數據,收到返回的溫度數據后將其保存至指定的存儲空間。溫度數據在進行濾波去噪處理后進行判斷,是否.需要驅動制冷模塊工作,同時將溫度通過WiFi通信模塊實時傳輸至外部終端以供讀取。4測試結果
根據以上硬件和軟件設計對基于半導體制冷片的浪涌保護器溫度控制系統進行測試,以證明整個系統可安全有效地運行。將安裝好半導體制冷片以及測溫模塊的浪涌保護器接入8/20 μs短路電流發生器,進行模擬雷電流沖擊試驗，同時設置一組不安裝溫度控制系統的浪涌保護器作為對照。圖8( a)為未加半導體制冷片時,不同參考電壓下氧化鋅壓敏電阻功耗隨溫度的變化情況。溫度越高,其功耗也越大,當溫度超過一定值后很容易造成壓敏電阻的熱崩潰現象。圖8( b)為加裝半導體制冷片時不同參考電壓下氧化鋅壓敏電阻片功耗隨溫度的變化情況。在相同的溫度變化情況下，功耗降低明顯,說明半導體制冷片對氧化鋅壓敏電阻片的散熱效果明顯,能夠對浪涌保護器起到很好的保護作用。5結束語
本文所設計的溫度控制系統能有效解決浪涌保護器工作時其自身及內部氧化鋅壓敏電阻的散熱問題。利用半導體制冷片對氧化鋅壓敏電阻工作發熱時進行降溫,降溫速度快、效率高,絕緣性能好。溫度控制模塊對浪涌保護器及其內部氧化鋅壓敏電阻的溫度控制，可以有效防止氧化鋅壓敏電阻因溫度過高而增加功率損耗導致其過快老化裂化或浪涌保護器外殼及附屬器件發生爆裂的現象,從而達到浪涌保護器長期穩定運行的目的。同時浪涌保護器內部的實時溫度可以通過通訊模塊傳輸至外部終端，可在后方平臺對溫度數據進行監控。在后續實際應用中可對網絡端進行優化，設計LabVIEW系統平臺,便于器件的整體維護檢修。
作者：王昊 ,楊仲江，申東玄,馬俊彥
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