Conception d'un système de contrôle pour générateur d'oxygène portable à adsorption modulée en pression

Conception d'un système de contrôle pour un générateur d'oxygène portable à adsorption modulée en pression
 

 

L'oxygène est un élément fondamental pour maintenir les activités de la vie humaine et joue un rôle essentiel dans divers traitements médicaux et secours d'urgence. L'équipement de production d'oxygène est un équipement de soutien médical important. La méthode de production d'oxygène par adsorption modulée en pression (PSA) a été largement utilisée dans les équipements de production d'oxygène de petite et moyenne taille en raison de ses avantages de faible consommation d'énergie, d'absence de pollution et de faible investissement. Le principe de fonctionnement de la méthode d'adsorption modulée en pression est le suivant : grâce à la différence dans les caractéristiques d'adsorption des tamis moléculaires en oxygène et en azote, l'azote est adsorbé dans des conditions sous pression pour séparer l'oxygène ; dans des conditions de pression réduite, l'azote est désorbé pour restaurer les performances d'adsorption du tamis moléculaire afin d'obtenir une séparation de l'oxygène et de l'azote. La plupart des équipements actuels de production d'oxygène par adsorption modulée en pression sont de grande taille et lourds, ce qui ne peut pas répondre aux besoins de portabilité sur le terrain ou sur les véhicules. Les générateurs d'oxygène portables à adsorption modulée en pression font référence aux équipements de production d'oxygène qui peuvent être transportés légèrement, disposent de leur propre alimentation électrique et sont légers. Cependant, il y a relativement peu de recherches dans ce domaine en Chine, et les systèmes de contrôle existants sont généralement de grande taille, peu automatisés et peu stables. Dans cette étude, combiné au processus de production d'oxygène par adsorption modulée en pression, un système de contrôle adapté aux générateurs d'oxygène portables à adsorption modulée en pression a été conçu et développé pour fournir un support technique pour des recherches et des applications ultérieures de générateurs d'oxygène portables.

Processus de production d'oxygène par adsorption modulée en pression

Afin de développer un générateur d'oxygène portable à adsorption modulée en pression, cette étude a combiné le principe de la production d'oxygène par adsorption modulée en pression et a d'abord déterminé le flux de base du processus de production d'oxygène, comme le montre la figure. Afin de réduire le volume et le poids du générateur d’oxygène portable, cette expérience a adopté un processus de production d’oxygène à deux tours. Le processus de production d'oxygène à deux tours est largement utilisé dans les petits équipements de production d'oxygène en raison de sa structure simple, de sa maintenance pratique et de son faible coût. En alternant le fonctionnement de deux tours d'adsorption, une production continue et stable d'oxygène peut être obtenue, tout en réduisant efficacement le volume et la masse de l'équipement. Afin d'augmenter le rendement en oxygène et de réduire la consommation d'énergie, cette expérience a conçu et adopté un procédé avec un processus d'égalisation. Le processus d'égalisation améliore encore l'efficacité de la production d'oxygène et réduit la consommation d'énergie du système en optimisant la différence de pression. La combinaison de ce processus améliore non seulement les performances du générateur d'oxygène portable à adsorption modulée en pression, mais contrôle également efficacement la consommation d'énergie et le volume de l'équipement tout en garantissant la pureté de l'oxygène.



Conception du circuit d'entraînement de charge
Les principales charges de travail du concentrateur d'oxygène portable PSA comprennent les compresseurs d'air et les électrovannes. En utilisant une électrovanne combinée, le volume et le poids du concentrateur d'oxygène peuvent être efficacement réduits tout en améliorant la stabilité du système. Cependant, étant donné que la tension de fonctionnement du compresseur d'air et de l'électrovanne est de 12 V CC, tandis que la tension de fonctionnement du microcontrôleur est de 3,3 V CC, il est difficile de piloter directement ces charges. Par conséquent, le signal émis par le microcontrôleur est inversé par l'onduleur 74LVC04 et amplifié par le tube Darlington ULN2003 pour piloter le fonctionnement du compresseur d'air et de l'électrovanne.
ULN2003 est un réseau de transistors composites hautes performances avec une bonne résistance aux températures et aux pressions élevées et une forte capacité de charge. Il intègre une diode de roue libre et peut piloter directement des charges à courant élevé, notamment des relais. Le schéma du circuit de commande du compresseur d'air et de l'électrovanne est illustré sur la figure.



Conception du circuit d'entraînement du compresseur d'air
Le compresseur d’air est le principal composant d’alimentation du générateur d’oxygène portable à adsorption modulée en pression (PSA). Il sépare l’oxygène en inhalant l’air ambiant et en le mettant sous pression pour l’envoyer dans la tour d’adsorption, maillon clé du processus de production d’oxygène. Afin de répondre aux exigences de performance efficaces et stables des équipements portables, ce système utilise un compresseur DC micro sans balais Thomas, qui présente les avantages d'un fonctionnement fluide, d'un débit important, de faibles vibrations, d'un faible bruit et d'une faible consommation d'énergie, et est très approprié pour le scénario d'application du générateur d'oxygène.
Le moteur à courant continu sans balais nécessite un circuit d'entraînement dédié pour compléter la commutation électronique afin d'assurer son fonctionnement normal. Par conséquent, un ensemble de circuits de commande de moteur basés sur la puce de commande JY01 est conçu. Le principe est illustré sur la figure. Grâce à la conception optimisée du circuit, la vitesse de fonctionnement et la stabilité du compresseur d'air peuvent être contrôlées avec précision.
Conception et principe du circuit
JY01 est une puce de contrôle spécialement utilisée pour les moteurs à courant continu sans balais, avec les fonctions principales suivantes :
Régulation linéaire de la vitesse : pour obtenir un contrôle précis de la vitesse du moteur ;
Plusieurs mécanismes de protection : y compris une protection contre les surintensités, une protection contre les sous-tensions et une protection contre les courts-circuits pour garantir un fonctionnement sûr du circuit ;
Sortie de modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (SPWM) : pour améliorer l'efficacité de la conduite et réduire les vibrations et le bruit du moteur.
Le circuit de pilotage est basé sur JY01, et le signal de position du rotor (Ha, Hb, Hc) est obtenu via le capteur Hall, et la puce génère le signal de pilotage correspondant. Le signal SPWM émis par JY01 contrôle le module de pilotage IR2021, pilotant ainsi le transistor à effet de champ (FET) des bras de pont supérieur et inférieur. Le signal de conduite est divisé en signaux de commande du bras supérieur et inférieur : les signaux du bras supérieur de MA, MB et MC sont représentés respectivement par AT, BT et CT, et les signaux du bras inférieur sont représentés par AB, BB et CB.

En conclusion
Conformément au mécanisme de production d'oxygène par séparation membranaire, cette recherche conçoit un système de contrôle compact du générateur d'oxygène par séparation membranaire qui prend le micro-ordinateur monopuce STM32F407 comme unité de contrôle centrale, tout en formulant également des circuits de contrôle périphériques correspondants et algorithmes de contrôle. L’ensemble de la configuration de contrôle présente les avantages d’être convivial, facile à utiliser, hautement stable et extrêmement fiable, ainsi que d’excellentes capacités d’interaction homme-machine. Le prototype du générateur d’oxygène développé sous ce régime de contrôle est de petite taille et présente un poids remarquablement léger. Lorsque le débit d'oxygène atteint 0,8 L/min, la pureté de l'oxygène peut atteindre 93,2 %, répondant ainsi aux critères de conception prédéfinis. À l’avenir, il est prévu d’explorer la régulation intelligente du processus de production d’oxygène. En ajustant avec précision des paramètres tels que la vitesse de la pompe, le temps de perméation et la pression de la membrane, le débit de sortie d'oxygène et la pureté du générateur d'oxygène peuvent être automatiquement réglés en fonction des changements de température ambiante et maintenus à un niveau relativement constant.