基于STM32的變壓器冷卻系統的設計及測試

張 宇

（晉能控股集團大斗溝煤業公司，山西 大同 037003）

引言

當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節：開始發電，途徑不同的輸配電器，直至用戶使用。據統計，90%變壓器會遇到：無法實時監測工作狀態、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，核心是基于STM32的閉環控制回路，這個系統針對無法實時監測工作狀態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測環境及工作參數，還能保持變壓器恒溫工作于安全溫度內，不僅延長了變壓器的使用壽命，還合理地節約了資源，具有很好的推廣意義。

1 冷卻系統設計方案

1.1 選擇冷卻方式

表1是不同冷卻方式的優缺點。分析結果可以看出最經濟方便的冷卻形式是加強油浸風冷。所以，系統主要的冷卻方式是通過油浸風冷來完成。

表1 冷卻方式比較

1.2 設計總體方案

圖1是系統總體方案圖，執行該步驟必須先選擇冷卻方式。

圖1 系統總體方案圖

1.3 設計模塊選型

1.3.1 主控芯片系統中相當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快速運行，結合經濟性因素，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位內核架構Cortex-M3等技術都是源于ARM英國公司，不僅成本低廉[1]，而且可以實現接口和外設以及系統高速運行的不同需求，比較實惠經濟。

1.3.2 電機冷卻控制

系統的異步電機使用的是三相交流380 V的，轉速公式的計算方程為：

式中：s為轉差率；p為磁極對數；f為供電頻率，Hz；n為電機轉速，r/min。

表2是不同調速方式的優缺點。比較了四種調速方式，確定了電動機調節轉速的方式是定子調壓調速。

表2 調速方式比較

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，此過程就是閉環控制，當輸入量與取出量的相位相差1 800，就是閉環控制負反饋，反饋量是電機的溫度及轉速，輸出量是風機冷卻的輸出電壓。圖2是完整的閉環結構控制圖。

圖2 閉環控制結構圖

電機運行快慢以及工作中的變壓器溫度，共同控制了電機冷卻的轉速。實際溫度比預設溫度低時，電機冷卻無需開啟；實際溫度比設定溫度高時，電機冷卻需要開啟，可以將工作中的變壓器溫度快速降低，還能對電機冷卻的實時轉速做出監測，查看輸出值是否合適。電機冷卻的轉速是通過比例微分積分的PID來控制的，圖3是具體的控制結構圖。

圖3 PID控制算法控制結構圖

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

式中：風機不同偏差的位置中，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；風機位置時刻中，u（k）是k時刻風機位置，u（k-1）是k-1時刻風機位置；風機位置的時刻差值中，△u（k）代表k及k-1風機位置的差值；微積分常數值有q0和q1以及q2。

1.3.3 監測反饋量

溫度監測模塊DS18B20屬于系統里的重要模塊，變壓器的實時溫度是閉環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，輸出的數字信號是16位的。傳感模塊DS18B20使用單總線結構，即理想狀態下多個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，所以溫度監測搭建系統使用的是傳感模塊DS18B20。溫度傳感器DS18B20被安裝在變壓器的進、出油點和中心點以及接頭和外壁上，變壓器可以實現溫度數據的整體監測[2]。

監測電機運行快慢。閉環控制中電機的冷卻轉速也屬于反饋參數。當輸出轉速與預期存在偏差或電機出現故障時，監測轉速模塊可以第一時間預警并對主控芯片做出反饋，減少故障電機帶來的損耗。轉子頻率的監測就是所需監測的電機轉速，應用比較器LM3931個及接插件2個即可，比較經濟簡單。式（3）至式（7）是詳細的計算公式：

式中：電機轉速n由五個公式結合得到測量結果；f1為電源頻率，Hz；f2為轉子頻率，Hz；我國默認50 Hz的電源頻率；n0為同步轉速，r/min。

1.3.4 通信模塊

通信RS485是工業總線的標準協議，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，可以實現遠距離傳輸。變壓器要和單片機系統保持一定的距離，所以單片機靠RS485傳輸變壓器不同部位的溫度數據。通信方式RS485也被應用于單片機通信及監測電機冷卻的電源模塊。

無線局域網通信Wi-Fi，是當今社會實現信息無線傳輸的主要便捷方式，在覆蓋信號的區域中可以簡單快捷的將數據上傳到網絡，主控室的權限拿到后即可實現任何地點的數據查看。變壓器數據運行的傳輸以及主控室返回到單片機的通信模式都是Wi-Fi方式。

1.3.5 電源監測電機冷卻供電

三相交流380 V的冷卻電機進行供電，電源監測添加在系統中，減少了電機因電源故障及缺相供電造成的非正常運行機率。電源監測的實現是依據各相電壓頻率及幅值的監測，類似于電機轉子監測頻率的原理?？偩€RS485將數據傳送回單片機后，監測模塊對數據進行實時分析，對不合適的電源電壓發出報警，工作人員根據提示進行檢修。

2 測試效果

系統設計完成后，聯合變壓器某公司測試效果，檢驗現場運行是否達到實際需求。設定10 d的測試周期，保持不關機。每55單片機需進行一次數據的傳輸主控終端。設定43.0℃的溫度值，需日常統計運行的變壓器平均溫度值，下頁表3是具體統計結果。

表3 10 d時間內變壓器運行溫度實測數據 ℃

以上分析得出，保持0.5℃以內的誤差，總體是43.0℃左右的溫度，此時的通信結果在測試期間會較為準確，可以達到現場需求。

3 結論

本文所研究的變壓器基于STM32的閉環冷卻控制系統，可以自動調節運行電動機的冷卻系統，主要依靠的是電機轉速冷卻系統的自動調節以及當前運行的變壓器溫度。經多次現場實時測驗，表明該系統可以實現調節運行中的變壓器溫度并保持恒溫工作，加強了冷卻系統運行效率。