Vezérlőrendszer kialakítása hordozható nyomáslengő adszorpciós oxigéngenerátorhoz

Hordozható nyomáslengő adszorpciós oxigéngenerátor vezérlőrendszerének tervezése
 

 

Az oxigén alapvető eleme az emberi élet tevékenységeinek fenntartásának, és létfontosságú szerepet játszik a különböző orvosi kezelésekben és sürgősségi mentésekben. Az oxigéntermelő berendezések fontos orvosi támogató berendezések. A nyomásingadozásos adszorpciós (PSA) oxigéntermelési módszert széles körben alkalmazzák kis és közepes méretű oxigéngyártó berendezésekben az alacsony energiafogyasztás, a szennyezésmentesség és az alacsony befektetés előnyei miatt. A nyomásingadozásos adszorpciós módszer működési elve: a molekulaszita oxigénhez és nitrogénhez való adszorpciós jellemzőinek különbsége révén a nitrogén nyomás alatti körülmények között adszorbeálódik az oxigén elválasztása érdekében; csökkentett nyomású körülmények között a nitrogén deszorbeálódik, hogy helyreállítsa a molekulaszita adszorpciós teljesítményét az oxigén és a nitrogén elválasztása érdekében. A jelenlegi nyomásingadszorpciós adszorpciós oxigéngyártó berendezések többsége nagy méretű és nagy tömegű, amely nem tudja kielégíteni a terepen vagy a járműveken való hordozhatóság igényeit. A hordozható nyomáslengő adszorpciós oxigéngenerátorok olyan oxigéntermelő berendezésekre utalnak, amelyek könnyen hordozhatók, saját tápegységgel rendelkeznek, és könnyűek. Kínában azonban viszonylag kevés kutatás folyik ezen a területen, és a meglévő vezérlőrendszerek általában nagy méretűek, alacsony automatizálásúak és gyenge a stabilitásuk. Ebben a tanulmányban a nyomásingadozásos adszorpciós oxigén előállítási eljárással kombinálva egy hordozható nyomáslengés adszorpciós oxigéngenerátorokhoz alkalmas vezérlőrendszert terveztek és fejlesztettek ki, amely technikai támogatást nyújt a hordozható oxigéngenerátorok további kutatásához és alkalmazásához.

Nyomáslengés adszorpciós oxigéngyártási folyamat

Egy hordozható nyomáslengés adszorpciós oxigéngenerátor kifejlesztése érdekében ez a tanulmány egyesítette a nyomásingadozásos adszorpciós oxigéntermelés elvét, és először meghatározta az oxigéntermelés alapvető folyamatfolyamát, amint az az ábrán látható. A hordozható oxigéngenerátor térfogatának és tömegének csökkentése érdekében ez a kísérlet kéttornyos oxigéntermelési eljárást alkalmaz. A kéttornyos oxigéngyártási eljárást széles körben használják kis oxigéngyártó berendezésekben egyszerű szerkezetének, kényelmes karbantartásának és alacsony költségének köszönhetően. Két adszorpciós torony működésének váltakozásával folyamatos és stabil oxigéntermelés érhető el, miközben hatékonyan csökkenti a berendezés térfogatát és tömegét. Az oxigénhozam növelése és az energiafelhasználás csökkentése érdekében ez a kísérlet egy kiegyenlítő eljárással rendelkező eljárást tervezett és fogadott el. A kiegyenlítési folyamat tovább javítja az oxigéntermelés hatékonyságát és a nyomáskülönbség optimalizálásával csökkenti a rendszer energiafogyasztását. Ennek a folyamatnak a kombinációja nemcsak a hordozható nyomáslengő-adszorpciós oxigéngenerátor teljesítményét javítja, hanem hatékonyan szabályozza a berendezés energiafogyasztását és térfogatát, miközben biztosítja az oxigén tisztaságát.



Terhelésmeghajtó áramkör kialakítása
A hordozható PSA oxigénkoncentrátor fő munkaterhelése a légkompresszorok és a mágnesszelepek. A kombinált mágnesszelep használatával az oxigénkoncentrátor térfogata és tömege hatékonyan csökkenthető, miközben a rendszer stabilitása is fokozható. Mivel azonban a légkompresszor és a mágnesszelep üzemi feszültsége DC 12V, míg a mikrokontroller üzemi feszültsége DC 3,3V, nehéz ezeket a terheléseket közvetlenül meghajtani. Ezért a mikrokontroller által kibocsátott jelet a 74LVC04 inverter megfordítja, és az ULN2003 Darlington cső erősíti a légkompresszor és a mágnesszelep működésének vezérlése érdekében.
Az ULN2003 egy nagy teljesítményű kompozit tranzisztor tömb, jó magas hőmérséklet- és nagynyomásállósággal és nagy teherbírással. Beépít egy szabadonfutó diódát, és közvetlenül képes nagy áramerősség meghajtására, beleértve a reléket is. A légkompresszor és a mágnesszelep meghajtási kapcsolási rajza az ábrán látható.



Légkompresszor meghajtó áramkör kialakítása
A légkompresszor a hordozható nyomásingadozású adszorpciós (PSA) oxigéngenerátor központi tápegysége. Az oxigént úgy választja le, hogy belélegzi a környezeti levegőt, és nyomás alá helyezi, hogy az adszorpciós toronyba kerüljön, ami az oxigéntermelési folyamat kulcsfontosságú láncszeme. A hordozható berendezések hatékony és stabil teljesítménykövetelményeinek teljesítése érdekében ez a rendszer Thomas mikro kefe nélküli egyenáramú kompresszort használ, amelynek előnye a zökkenőmentes működés, a nagy áramlás, az alacsony vibráció, az alacsony zajszint és az alacsony energiafogyasztás, és nagyon alkalmas az oxigéngenerátor alkalmazási forgatókönyve.
A kefe nélküli egyenáramú motorhoz külön meghajtó áramkör szükséges az elektronikus kommutáció befejezéséhez, hogy biztosítsa a normál működését. Ezért a JY01 vezérlő chipen alapuló motoros meghajtó áramkörök készletét tervezték. Az elv az ábrán látható. Az optimalizált áramkör-kialakítás révén a légkompresszor üzemi sebessége és stabilitása pontosan szabályozható.
Az áramkör tervezése és elve
A JY01 egy speciálisan kefe nélküli egyenáramú motorokhoz használt vezérlőchip, a következő fő funkciókkal:
Sebesség lineáris szabályozása: a motor fordulatszámának pontos szabályozása érdekében;
Többféle védelmi mechanizmus: beleértve a túláram elleni védelmet, az alacsony feszültség elleni védelmet és a rövidzárlat elleni védelmet az áramkör biztonságos működésének biztosítása érdekében;
Szinuszos impulzusszélesség-modulációs (SPWM) kimenet: a vezetési hatékonyság javítása, valamint a motor rezgésének és zajának csökkentése.
A meghajtó áramkör a JY01-en alapul, és a rotor helyzetjelét (Ha, Hb, Hc) a Hall érzékelőn keresztül kapjuk, és a chip generálja a megfelelő meghajtó jelet. A JY01 SPWM jelkimenete vezérli az IR2021 meghajtó modult, ezáltal meghajtja a felső és alsó hídkar térhatástranzisztorát (FET). A vezetési jel felsõ és alsó kar vezérlõjelekre oszlik: az MA, MB és MC felkar jeleit rendre AT, BT és CT, az alsó kar jeleit pedig AB, BB és CB képviseli.

Befejezésül
A membránleválasztó oxigéntermelés mechanizmusával összhangban ez a kutatás egy kompakt membránleválasztó oxigéngenerátor vezérlőrendszert dolgoz ki, amely az STM32F407 egychipes mikroszámítógépet veszi központi vezérlőegységként, miközben a megfelelő perifériás vezérlőáramköröket és vezérlő algoritmusok. A teljes vezérlési beállítás felhasználóbarát, könnyen kezelhető, rendkívül stabil és rendkívül megbízható, valamint kiváló ember-gép interakciós képességekkel rendelkezik. Az ezzel a szabályozási rendszerrel kifejlesztett oxigéngenerátor prototípusa kicsiny méretű és rendkívül könnyű. Amikor az oxigénkibocsátás eléri a 0,8 l/perc értéket, az oxigén tisztasága akár 93,2%-ot is elérhet, teljesítve az előre beállított tervezési referenciaértékeket. A jövőre nézve a tervek között szerepel az oxigéntermelési folyamat intelligens szabályozásának feltárása. Az olyan paraméterek pontos beállításával, mint a szivattyú fordulatszáma, a permeációs idő és a membránnyomás, az oxigéngenerátor oxigénkibocsátási sebessége és tisztasága automatikusan beállítható a környezeti hőmérséklet változásainak megfelelően, és viszonylag állandó szinten tartható.