Ohjausjärjestelmän suunnittelu kannettavalle paineswing-adsorptiohappigeneraattorille

Ohjausjärjestelmän suunnittelu kannettavalle painevaihteluadsorptiohappigeneraattorille
 

 

Happi on peruselementti ihmiselämän toiminnan ylläpitämiseksi ja sillä on tärkeä rooli erilaisissa lääketieteellisissä hoidoissa ja hätäpelastustoimissa. Hapen tuotantolaitteet ovat tärkeitä lääketieteellisiä tukilaitteita. Pressure swing adsorption (PSA) hapen tuotantomenetelmää on käytetty laajalti pienissä ja keskisuurissa hapentuotantolaitteissa, koska sen edut ovat alhainen energiankulutus, saastuminen ja pienet investoinnit. Painevaihteluadsorptiomenetelmän toimintaperiaate on: molekyyliseulojen adsorptio-ominaisuuksien erojen ansiosta happea ja typpeä vastaan ​​typpi adsorboituu paineistetuissa olosuhteissa hapen erottamiseksi; alennetussa paineessa typpi desorboidaan molekyyliseulan adsorptiokyvyn palauttamiseksi hapen ja typen erotuksen saavuttamiseksi. Suurin osa nykyisistä painevaihteluadsorptiohapen tuotantolaitteista on kooltaan suuria ja painavia, mikä ei pysty vastaamaan siirrettävyyden tarpeisiin kentällä tai ajoneuvoissa. Kannettavat paineswing-adsorptiohappigeneraattorit viittaavat kevyesti kantaviin hapentuotantolaitteisiin, joissa on oma virtalähde ja jotka ovat kevyitä. Kiinassa on kuitenkin suhteellisen vähän tutkimusta tällä alalla, ja nykyiset ohjausjärjestelmät ovat yleensä suurikokoisia, vähän automatisoituja ja huonosti vakaita. Tässä tutkimuksessa, yhdistettynä painevaihteluadsorptiohapen tuotantoprosessiin, suunniteltiin ja kehitettiin kannettaviin painevaihteluadsorptiohappigeneraattoreihin sopiva ohjausjärjestelmä tarjoamaan teknistä tukea kannettavien happigeneraattoreiden jatkotutkimukselle ja soveltamiselle.

Painekeinu adsorptio hapen tuotantoprosessi

Kannettavan painevaihteluadsorptiohappigeneraattorin kehittämiseksi tässä tutkimuksessa yhdistettiin painevaihteluadsorptiohapen tuotannon periaate ja määritettiin ensin hapentuotannon perusprosessivirta, kuten kuvassa näkyy. Kannettavan happigeneraattorin tilavuuden ja painon vähentämiseksi tässä kokeessa käytettiin kaksitornista hapen tuotantoprosessia. Kaksitornista hapentuotantoprosessia käytetään laajalti pienissä hapentuotantolaitteissa sen yksinkertaisen rakenteen, kätevän huollon ja alhaisten kustannusten vuoksi. Vuorottelemalla kahden adsorptiotornin toimintaa voidaan saavuttaa jatkuva ja vakaa hapentuotanto vähentäen samalla tehokkaasti laitteiston tilavuutta ja massaa. Happisaannon lisäämiseksi ja energiankulutuksen vähentämiseksi tässä kokeessa suunniteltiin ja otettiin käyttöön prosessi tasausprosessilla. Tasoitusprosessi parantaa entisestään hapen tuotannon tehokkuutta ja vähentää järjestelmän energiankulutusta optimoimalla paine-eroa. Tämän prosessin yhdistelmä ei vain paranna kannettavan painevaihteluadsorptiohappigeneraattorin suorituskykyä, vaan myös hallitsee tehokkaasti laitteiden energiankulutusta ja tilavuutta varmistaen samalla hapen puhtauden.



Kuormakäyttöpiirin suunnittelu
Kannettavan PSA-happikonsentraattorin pääasiallisia työkuormia ovat ilmakompressorit ja solenoidiventtiilit. Yhdistettyä solenoidiventtiiliä käyttämällä happikonsentraattorin tilavuutta ja painoa voidaan vähentää tehokkaasti ja samalla parantaa järjestelmän vakautta. Kuitenkin, koska ilmakompressorin ja solenoidiventtiilin käyttöjännite on DC 12V, kun taas mikro-ohjaimen käyttöjännite on DC 3,3V, näitä kuormia on vaikea ohjata suoraan. Siksi 74LVC04-invertteri kääntää mikro-ohjaimen signaalin ja ULN2003 Darlington-putki vahvistaa ilmakompressorin ja solenoidiventtiilin toimintaa.
ULN2003 on korkean suorituskyvyn komposiittitransistoriryhmä, jolla on hyvä korkean lämpötilan ja korkean paineen kestävyys ja vahva kuormituskyky. Siinä on vapaakäyntidiodi ja se voi ohjata suoraan suuria virtakuormia, mukaan lukien releet. Ilmakompressorin ja magneettiventtiilin käyttöpiirikaavio on esitetty kuvassa.



Ilmakompressorin käyttöpiirin suunnittelu
Ilmakompressori on kannettavan painevaihteluadsorptiohappigeneraattorin (PSA) ydinvoimakomponentti. Se erottaa hapen hengittämällä ympäröivää ilmaa ja paineistamalla sen lähettääkseen sen adsorptiotorniin, joka on keskeinen linkki hapen tuotantoprosessissa. Täyttääkseen kannettavien laitteiden tehokkaat ja vakaat suorituskykyvaatimukset, tämä järjestelmä käyttää Thomasin mikroharjatonta tasavirtakompressoria, jonka etuna on tasainen toiminta, suuri virtaus, alhainen tärinä, alhainen melu ja alhainen energiankulutus, ja se sopii erittäin hyvin happigeneraattorin sovellusskenaario.
Harjaton tasavirtamoottori vaatii erillisen käyttöpiirin elektronisen kommutoinnin suorittamiseksi loppuun sen normaalin toiminnan varmistamiseksi. Siksi on suunniteltu joukko JY01-ohjauspiiriin perustuvia moottorikäyttöpiirejä. Periaate näkyy kuvassa. Optimoidun piirisuunnittelun avulla ilmakompressorin toimintanopeutta ja vakautta voidaan ohjata tarkasti.
Piirin suunnittelu ja periaate
JY01 on erityisesti harjattomiin tasavirtamoottoreihin käytetty ohjaussiru, jolla on seuraavat päätoiminnot:
Nopeuden lineaarinen säätö: saavuttaa moottorin nopeuden tarkka säätö;
Useita suojamekanismeja: mukaan lukien ylivirtasuoja, alijännitesuoja ja oikosulkusuojaus piirien turvallisen toiminnan varmistamiseksi;
Sinimuotoisen pulssinleveysmodulaation (SPWM) lähtö: parantaa ajotehokkuutta ja vähentää moottorin tärinää ja melua.
Ohjauspiiri perustuu JY01:een ja roottorin asentosignaali (Ha, Hb, Hc) saadaan Hall-anturin kautta ja siru muodostaa vastaavan ohjaussignaalin. JY01:n SPWM-signaalilähtö ohjaa ohjausmoduulia IR2021 ja ohjaa siten ylemmän ja alemman siltavarren kenttätransistoria (FET). Ajosignaali on jaettu ylä- ja alavarren ohjaussignaaleihin: olkavarren signaaleja MA, MB ja MC edustavat vastaavasti AT, BT ja CT, ja alavarren signaaleja edustavat AB, BB ja CB.

Lopuksi
Kalvoerotuksen hapen tuotantomekanismin mukaisesti tässä tutkimuksessa kehitetään kompakti kalvoerotushappigeneraattorin ohjausjärjestelmä, joka käyttää yksisiruista STM32F407-mikrotietokonetta keskusohjausyksikkönä, ja samalla muotoilee vastaavat oheislaitteiden ohjauspiirit ja ohjausalgoritmit. Koko ohjauskokoonpanon etuja ovat käyttäjäystävällisyys, helppokäyttöisyys, erittäin vakaa ja erittäin luotettava sekä erinomaiset ihmisen ja koneen vuorovaikutusominaisuudet. Tässä ohjausjärjestelmässä kehitetty happigeneraattorin prototyyppi on pienikokoinen ja huomattavan kevyt. Kun hapen ulostulonopeus saavuttaa 0,8 l/min, hapen puhtaus voi saavuttaa jopa 93,2 %, mikä täyttää esiasetetut suunnittelun vertailuarvot. Tulevaisuudessa on suunnitelmia tutkia hapen tuotantoprosessin älykästä säätelyä. Säätämällä tarkasti parametreja, kuten pumpun nopeutta, läpäisyaikaa ja kalvon painetta, happigeneraattorin hapen ulostulonopeus ja puhtaus voidaan säätää automaattisesti ympäristön lämpötilan muutosten mukaan ja pitää suhteellisen vakiona.