עיצוב מערכת בקרה עבור מחולל חמצן ספיגת לחץ נייד

תכנון מערכת בקרה עבור מחולל חמצן ספיחת נדנדת לחץ נייד
 

 

חמצן הוא מרכיב בסיסי לשמירה על פעילויות חיי אדם וממלא תפקיד חיוני בטיפולים רפואיים שונים ובחילוץ חירום. ציוד לייצור חמצן הוא ציוד תמיכה רפואי חשוב. שיטת הפקת חמצן בתנופת לחץ (PSA) הייתה בשימוש נרחב בציוד לייצור חמצן קטן ובינוני בשל יתרונותיה של צריכת אנרגיה נמוכה, ללא זיהום והשקעה נמוכה. עקרון העבודה של שיטת הספיחה בתנופת לחץ הוא: באמצעות ההבדל במאפייני הספיחה של נפות מולקולריות לחמצן ולחנקן, חנקן נספג בתנאי לחץ כדי להפריד חמצן; בתנאי לחץ מופחת, חנקן נספג כדי לשחזר את ביצועי הספיחה של המסננת המולקולרית כדי להשיג הפרדת חמצן וחנקן. רוב הציוד הנוכחי לייצור חמצן לספיגת תנופת לחץ הוא גדול בגודלו וכבד במשקל, שאינו יכול לענות על צורכי הניידות בשטח או על כלי רכב. מחוללי חמצן ניידים לספיחת תנופת לחץ מתייחסים לאותם ציוד לייצור חמצן שניתן לשאת בקלילות, בעל אספקת חשמל משלהם, ובעלי משקל קל. עם זאת, יש מחקר קטן יחסית בתחום זה בסין, ומערכות הבקרה הקיימות הן בדרך כלל גדולות בגודלן, נמוכות באוטומציה ודלות ביציבות. במחקר זה, בשילוב עם תהליך ייצור חמצן בספיחת תנופת לחץ, תוכננה ופותחה מערכת בקרה המתאימה למחוללי חמצן ניידים לספיחת תנופת לחץ כדי לספק תמיכה טכנית להמשך מחקר ויישום של מחוללי חמצן ניידים.

תהליך ייצור חמצן בתנופת לחץ

על מנת לפתח מחולל חמצן נייד לספיחת תנופת לחץ, מחקר זה שילב את העיקרון של ייצור חמצן ספיחה בתנופת לחץ וקבע תחילה את זרימת התהליך הבסיסית של ייצור חמצן, כפי שמוצג באיור. על מנת להפחית את הנפח והמשקל של מחולל החמצן הנייד, ניסוי זה אימץ תהליך ייצור חמצן של שני מגדלים. תהליך ייצור חמצן דו-מגדלי נמצא בשימוש נרחב בציוד קטן לייצור חמצן בשל המבנה הפשוט, התחזוקה הנוחה והעלות הנמוכה שלו. על ידי פעולתם לסירוגין של שני מגדלי ספיחה, ניתן להגיע להפקת חמצן רציפה ויציבה, תוך הפחתת נפח ומסה יעילה של הציוד. על מנת להגדיל את תפוקת החמצן ולהפחית את צריכת האנרגיה, ניסוי זה תכנן ואימץ תהליך עם תהליך השוואה. תהליך השוויון משפר עוד יותר את יעילות ייצור החמצן ומפחית את צריכת האנרגיה של המערכת על ידי ייעול הפרש הלחצים. השילוב של תהליך זה לא רק משפר את הביצועים של מחולל החמצן הנייד בתנופת לחץ, אלא גם שולט ביעילות בצריכת האנרגיה ובנפח הציוד תוך הבטחת טוהר החמצן.



עיצוב מעגל כונן עומס
עומסי העבודה העיקריים של רכז החמצן הנייד PSA כוללים מדחסי אוויר ושסתומי סולנואיד. על ידי שימוש בשסתום סולנואיד משולב, ניתן להפחית ביעילות את הנפח והמשקל של רכז החמצן תוך שיפור יציבות המערכת. עם זאת, מכיוון שמתח הפעולה של מדחס האוויר ושסתום הסולנואיד הוא DC 12V, בעוד שמתח הפעולה של המיקרו-בקר הוא DC 3.3V, קשה להניע ישירות את העומסים הללו. לכן, פלט האות על ידי המיקרו-בקר מתהפך על ידי מהפך 74LVC04 ומוגבר על ידי צינור ULN2003 Darlington כדי להניע את פעולת מדחס האוויר ושסתום הסולנואיד.
ULN2003 הוא מערך טרנזיסטור מרוכב בעל ביצועים גבוהים עם טמפרטורה גבוהה ועמידות בלחץ גבוה ויכולת עומס חזקה. הוא משלב דיודה עם גלגלים חופשיים ויכול להניע ישירות עומסי זרם גבוהים כולל ממסרים. סכימת מעגל ההנעה של מדחס האוויר ושסתום הסולנואיד מוצגת באיור.



עיצוב מעגל הנעה של מדחס אוויר
מדחס האוויר הוא מרכיב הכוח המרכזי של מחולל החמצן הנייד (PSA). הוא מפריד חמצן על ידי שאיפת אוויר סביבה ולחץ עליו כדי לשלוח אותו למגדל הספיחה, שהוא חוליה מרכזית בתהליך ייצור החמצן. על מנת לעמוד בדרישות הביצועים היעילות והיציבות של ציוד נייד, מערכת זו משתמשת במדחס DC ללא מברשות תומאס מיקרו, בעל היתרונות של פעולה חלקה, זרימה גדולה, רטט נמוך, רעש נמוך וצריכת אנרגיה נמוכה, והוא מתאים מאוד עבור תרחיש היישום של מחולל החמצן.
מנוע DC ללא מברשות דורש מעגל הנעה ייעודי להשלמת המעבר האלקטרוני כדי להבטיח את פעולתו הרגילה. לכן מתוכננת קבוצה של מעגלי הנעה מנוע המבוססת על שבב הבקרה JY01. העיקרון מוצג באיור. באמצעות עיצוב המעגל האופטימלי, ניתן לשלוט במדויק על מהירות הפעולה והיציבות של מדחס האוויר.
עיצוב ועיקרון מעגל
JY01 הוא שבב בקרה המשמש במיוחד עבור מנועי DC ללא מברשות, עם הפונקציות העיקריות הבאות:
ויסות מהירות ליניארי: להשיג שליטה מדויקת על מהירות המנוע;
מנגנוני הגנה מרובים: כולל הגנה מפני זרם יתר, הגנה על תת-מתח והגנה מפני קצר חשמלי להבטחת פעולת מעגל בטוחה;
פלט אפנון רוחב דופק סינוסואידי (SPWM): לשיפור יעילות הנהיגה ולהפחתת רעידות ורעש של המנוע.
מעגל ההנעה מבוסס על JY01, ואות מיקום הרוטור (Ha, Hb, Hc) מתקבל דרך חיישן Hall, והשבב יוצר את אות ההנעה המתאים. פלט אות SPWM על ידי JY01 שולט במודול ההנעה IR2021, ובכך מניע את טרנזיסטור אפקט השדה (FET) של זרועות הגשר העליונות והתחתונות. אות הנהיגה מחולק לאותות בקרת זרוע עליונה ותחתונה: אותות הזרוע העליונה של MA, MB ו-MC מיוצגים על ידי AT, BT ו-CT בהתאמה, ואותות הזרוע התחתונה מיוצגים על ידי AB, BB ו-CB.

לסיכום
בהתאם למנגנון של ייצור חמצן בהפרדת ממברנה, מחקר זה ממציא מערכת בקרת מחולל חמצן בהפרדת ממברנה שלוקחת את המיקרו-מחשב STM32F407 שבב יחיד כיחידת הבקרה המרכזית, תוך ניסוח של מעגלי בקרה היקפיים מתאימים. אלגוריתמי בקרה. מערך הבקרה כולו מציג את היתרונות של היותו ידידותי למשתמש, קל לתפעול, יציב מאוד ואמין במיוחד, יחד עם יכולות אינטראקציה מעולות בין אדם למכונה. אב הטיפוס של מחולל החמצן שפותח תחת משטר בקרה זה הוא בגודל זעיר ובעל משקל קל להפליא. כאשר קצב תפוקת החמצן מגיע ל-0.8 ליטר לדקה, טוהר החמצן יכול להגיע עד ל-93.2%, תוך עמידה באמות המידה העיצוביות שנקבעו מראש. במבט קדימה, יש תוכניות לחקור את הרגולציה המושכלת של תהליך ייצור החמצן. על ידי התאמה מדויקת של פרמטרים כגון מהירות המשאבה, זמן החדירה ולחץ הממברנה, ניתן לכוונן אוטומטית את קצב תפוקת החמצן וטוהר מחולל החמצן בהתאם לשינויים בטמפרטורת הסביבה ולשמור על רמה קבועה יחסית.