Σχεδιασμός συστήματος ελέγχου για φορητή γεννήτρια οξυγόνου προσρόφησης ταλάντωσης πίεσης

Σχεδιασμός συστήματος ελέγχου φορητής γεννήτριας οξυγόνου προσρόφησης αιώρησης πίεσης
 

 

Το οξυγόνο είναι ένα βασικό στοιχείο για τη διατήρηση των δραστηριοτήτων της ανθρώπινης ζωής και διαδραματίζει ζωτικό ρόλο σε διάφορες ιατρικές θεραπείες και διασώσεις έκτακτης ανάγκης. Ο εξοπλισμός παραγωγής οξυγόνου είναι ένας σημαντικός εξοπλισμός ιατρικής υποστήριξης. Η μέθοδος παραγωγής οξυγόνου με προσρόφηση αιώρησης πίεσης (PSA) έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε μικρού και μεσαίου μεγέθους εξοπλισμό παραγωγής οξυγόνου λόγω των πλεονεκτημάτων της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, μη ρύπανσης και χαμηλής επένδυσης. Η αρχή λειτουργίας της μεθόδου προσρόφησης αιώρησης πίεσης είναι: μέσω της διαφοράς στα χαρακτηριστικά προσρόφησης των μοριακών κόσκινων σε οξυγόνο και άζωτο, το άζωτο προσροφάται υπό συνθήκες πίεσης για να διαχωριστεί το οξυγόνο. υπό συνθήκες μειωμένης πίεσης, το άζωτο εκροφάται για να αποκατασταθεί η απόδοση προσρόφησης του μοριακού κόσκινου για να επιτευχθεί διαχωρισμός οξυγόνου και αζώτου. Το μεγαλύτερο μέρος του τρέχοντος εξοπλισμού παραγωγής οξυγόνου προσρόφησης ταλάντευσης πίεσης είναι μεγάλου μεγέθους και μεγάλου βάρους, το οποίο δεν μπορεί να καλύψει τις ανάγκες φορητότητας στο πεδίο ή στα οχήματα. Οι φορητές γεννήτριες οξυγόνου προσρόφησης αιώρησης πίεσης αναφέρονται σε εκείνον τον εξοπλισμό παραγωγής οξυγόνου που μπορούν να μεταφερθούν ελαφρά, έχουν τη δική τους τροφοδοσία ρεύματος και έχουν μικρό βάρος. Ωστόσο, υπάρχει σχετικά μικρή έρευνα σε αυτόν τον τομέα στην Κίνα και τα υπάρχοντα συστήματα ελέγχου είναι γενικά μεγάλα σε μέγεθος, χαμηλά σε αυτοματοποίηση και φτωχά σε σταθερότητα. Σε αυτή τη μελέτη, σε συνδυασμό με τη διαδικασία παραγωγής οξυγόνου προσρόφησης αιώρησης πίεσης, σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε ένα σύστημα ελέγχου κατάλληλο για φορητές γεννήτριες οξυγόνου προσρόφησης αιώρησης πίεσης για να παρέχει τεχνική υποστήριξη για περαιτέρω έρευνα και εφαρμογή φορητών γεννητριών οξυγόνου.

Διαδικασία παραγωγής οξυγόνου προσρόφησης ταλάντευσης πίεσης

Προκειμένου να αναπτυχθεί μια φορητή γεννήτρια οξυγόνου προσρόφησης αιώρησης πίεσης, αυτή η μελέτη συνδύασε την αρχή της παραγωγής οξυγόνου προσρόφησης αιώρησης πίεσης και πρώτα προσδιόρισε τη βασική ροή διεργασίας παραγωγής οξυγόνου, όπως φαίνεται στο σχήμα. Προκειμένου να μειωθεί ο όγκος και το βάρος της φορητής γεννήτριας οξυγόνου, αυτό το πείραμα υιοθέτησε μια διαδικασία παραγωγής οξυγόνου δύο πύργων. Η διαδικασία παραγωγής οξυγόνου δύο πύργων χρησιμοποιείται ευρέως σε μικρό εξοπλισμό παραγωγής οξυγόνου λόγω της απλής δομής, της εύκολης συντήρησης και του χαμηλού κόστους. Με την εναλλαγή της λειτουργίας δύο πύργων προσρόφησης, μπορεί να επιτευχθεί συνεχής και σταθερή παραγωγή οξυγόνου, ενώ μειώνεται αποτελεσματικά ο όγκος και η μάζα του εξοπλισμού. Προκειμένου να αυξηθεί η απόδοση οξυγόνου και να μειωθεί η κατανάλωση ενέργειας, αυτό το πείραμα σχεδίασε και υιοθέτησε μια διαδικασία με μια διαδικασία εξισορρόπησης. Η διαδικασία εξισορρόπησης βελτιώνει περαιτέρω την απόδοση παραγωγής οξυγόνου και μειώνει την κατανάλωση ενέργειας του συστήματος βελτιστοποιώντας τη διαφορά πίεσης. Ο συνδυασμός αυτής της διαδικασίας όχι μόνο βελτιώνει την απόδοση της φορητής γεννήτριας οξυγόνου προσρόφησης αιώρησης πίεσης, αλλά επίσης ελέγχει αποτελεσματικά την κατανάλωση ενέργειας και τον όγκο του εξοπλισμού, διασφαλίζοντας παράλληλα την καθαρότητα του οξυγόνου.



Σχεδιασμός κυκλώματος κίνησης φορτίου
Τα κύρια φορτία εργασίας του φορητού συμπυκνωτή οξυγόνου PSA περιλαμβάνουν αεροσυμπιεστές και ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες. Με τη χρήση συνδυασμένης ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας, ο όγκος και το βάρος του συμπυκνωτή οξυγόνου μπορούν να μειωθούν αποτελεσματικά, ενώ παράλληλα ενισχύεται η σταθερότητα του συστήματος. Ωστόσο, δεδομένου ότι η τάση λειτουργίας του αεροσυμπιεστή και της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας είναι DC 12V, ενώ η τάση λειτουργίας του μικροελεγκτή είναι DC 3,3V, είναι δύσκολο να οδηγηθούν απευθείας αυτά τα φορτία. Επομένως, το σήμα εξόδου από τον μικροελεγκτή αναστρέφεται από τον μετατροπέα 74LVC04 και ενισχύεται από τον σωλήνα Darlington ULN2003 για να οδηγήσει τη λειτουργία του αεροσυμπιεστή και της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας.
Το ULN2003 είναι μια σύνθετη συστοιχία τρανζίστορ υψηλής απόδοσης με καλή αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία και υψηλή πίεση και ισχυρή ικανότητα φόρτωσης. Ενσωματώνει μια δίοδο ελεύθερου τροχού και μπορεί να οδηγήσει άμεσα φορτία υψηλού ρεύματος, συμπεριλαμβανομένων των ρελέ. Το σχηματικό κύκλωμα οδήγησης του αεροσυμπιεστή και της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας φαίνεται στο σχήμα.



Σχεδιασμός κυκλώματος κίνησης αεροσυμπιεστή
Ο αεροσυμπιεστής είναι το βασικό εξάρτημα ισχύος της φορητής γεννήτριας οξυγόνου προσρόφησης αιώρησης πίεσης (PSA). Διαχωρίζει το οξυγόνο εισπνέοντας τον αέρα του περιβάλλοντος και πιέζοντάς το για να το στείλει στον πύργο προσρόφησης, που αποτελεί βασικό κρίκο στη διαδικασία παραγωγής οξυγόνου. Προκειμένου να καλύψει τις αποδοτικές και σταθερές απαιτήσεις απόδοσης του φορητού εξοπλισμού, αυτό το σύστημα χρησιμοποιεί έναν συμπιεστή συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες Thomas micro, ο οποίος έχει τα πλεονεκτήματα της ομαλής λειτουργίας, της μεγάλης ροής, των χαμηλών κραδασμών, του χαμηλού θορύβου και της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και είναι πολύ κατάλληλος για το σενάριο εφαρμογής της γεννήτριας οξυγόνου.
Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες απαιτεί ένα αποκλειστικό κύκλωμα κίνησης για την ολοκλήρωση της ηλεκτρονικής μεταγωγής για να διασφαλιστεί η κανονική λειτουργία του. Επομένως, έχει σχεδιαστεί ένα σύνολο κυκλωμάτων κίνησης κινητήρα που βασίζονται στο τσιπ ελέγχου JY01. Η αρχή φαίνεται στο σχήμα. Μέσω της βελτιστοποιημένης σχεδίασης κυκλώματος, η ταχύτητα λειτουργίας και η σταθερότητα του αεροσυμπιεστή μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια.
Σχεδιασμός και Αρχή Κυκλωμάτων
Το JY01 είναι ένα τσιπ ελέγχου που χρησιμοποιείται ειδικά για κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες, με τις ακόλουθες κύριες λειτουργίες:
Γραμμική ρύθμιση ταχύτητας: για να επιτευχθεί ακριβής έλεγχος της ταχύτητας του κινητήρα.
Πολλαπλοί μηχανισμοί προστασίας: συμπεριλαμβανομένης της προστασίας από υπερένταση, της προστασίας από υπόταση και της προστασίας από βραχυκύκλωμα για τη διασφάλιση της ασφαλούς λειτουργίας του κυκλώματος.
Έξοδος διαμόρφωσης ημιτονοειδούς πλάτους παλμού (SPWM): για βελτίωση της απόδοσης οδήγησης και μείωση των κραδασμών και του θορύβου του κινητήρα.
Το κύκλωμα οδήγησης βασίζεται στο JY01 και το σήμα θέσης του ρότορα (Ha, Hb, Hc) λαμβάνεται μέσω του αισθητήρα Hall και το τσιπ παράγει το αντίστοιχο σήμα οδήγησης. Η έξοδος σήματος SPWM από το JY01 ελέγχει τη μονάδα οδήγησης IR2021, οδηγώντας έτσι το τρανζίστορ εφέ πεδίου (FET) των άνω και κάτω βραχιόνων γέφυρας. Το σήμα οδήγησης χωρίζεται σε σήματα ελέγχου άνω και κάτω βραχίονα: τα σήματα άνω βραχίονα των MA, MB και MC αντιπροσωπεύονται από AT, BT και CT αντίστοιχα, και τα σήματα κάτω βραχίονα αντιπροσωπεύονται από AB, BB και CB.

Εν κατακλείδι
Σύμφωνα με τον μηχανισμό παραγωγής οξυγόνου διαχωρισμού μεμβράνης, αυτή η έρευνα επινοεί ένα συμπαγές σύστημα ελέγχου γεννήτριας οξυγόνου διαχωρισμού μεμβράνης που λαμβάνει τον μικροϋπολογιστή STM32F407 ενός τσιπ ως κεντρική μονάδα ελέγχου, ενώ παράλληλα διαμορφώνει αντίστοιχα περιφερειακά κυκλώματα ελέγχου και αλγόριθμους ελέγχου. Ολόκληρη η ρύθμιση ελέγχου παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα ότι είναι φιλική προς το χρήστη, εύκολη στη χρήση, εξαιρετικά σταθερή και εξαιρετικά αξιόπιστη, μαζί με εξαιρετικές δυνατότητες αλληλεπίδρασης ανθρώπου-μηχανής. Το πρωτότυπο της γεννήτριας οξυγόνου που αναπτύχθηκε υπό αυτό το καθεστώς ελέγχου είναι μικρού μεγέθους και έχει εξαιρετικά μικρό βάρος. Όταν ο ρυθμός εξόδου οξυγόνου φτάσει τα 0,8 L/min, η καθαρότητα του οξυγόνου μπορεί να φτάσει έως και το 93,2%, πληρώντας τα προκαθορισμένα κριτήρια σχεδιασμού. Κοιτάζοντας το μέλλον, υπάρχουν σχέδια για τη διερεύνηση της έξυπνης ρύθμισης της διαδικασίας παραγωγής οξυγόνου. Προσαρμόζοντας με ακρίβεια παραμέτρους όπως η ταχύτητα της αντλίας, ο χρόνος διείσδυσης και η πίεση της μεμβράνης, ο ρυθμός εξόδου οξυγόνου και η καθαρότητα της γεννήτριας οξυγόνου μπορούν να ρυθμιστούν αυτόματα σύμφωνα με τις αλλαγές θερμοκρασίας περιβάλλοντος και να διατηρηθούν σε σχετικά σταθερό επίπεδο.