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【解決方案】電機制氧-剖析便攜制氧機的工作原理

ZLG致遠電子 ? 2022-11-22 10:06 ? 次閱讀

新冠肺炎肆虐全球,便攜式制氧機能讓病人在康復階段隨時隨地吸上高純度的氧氣!無需化學物,更不用電解水,以空氣為原料,通過無刷電機等加工就有氧氣!

新冠肺炎肆虐全球,如何讓病人在康復階段隨時隨地都能吸到90%以上純度的氧氣,成為擺在面前的難題!便攜式制氧機的橫空出世完美地解決此問題。無需化學物,更不用電解水,以空氣為原料,通過無刷電機等加工就能源源不斷地輸出氧氣!本文將剖析其中的電機制氧的原理!

a3095520-6854-11ed-b116-dac502259ad0.jpg ?制氧機工作原理

空氣中的主要成分有氮氣和氧氣,并且氮氣的分子直徑遠大于氧氣。如果有一種辦法將氮氣過濾出來,剩下的就是高純度的氧氣了。

a3122aba-6854-11ed-b116-dac502259ad0.png

圖1 空氣比例

利用變壓吸附法即可實現!此方法利用分子篩物理吸附和解吸技術,在加壓時將直徑大的氮分子吸附,剩余直徑小的氧分子通過分子篩被收集起來,經過凈化處理后即成為高純度的氧氣。分子篩在減壓時將所吸附的氮排放回環境空氣中,在下一次加壓時又可以吸附氮氣并制取氧氣,整個過程為周期性的動態循環過程,分子篩并不消耗。制氧機用的分子篩呈粉末狀,是一種在分子水平上篩選物質的多孔材料,主要是由沸石材料構成。正因為它可以在分子水平上過濾不同直徑的氣體,人們將它裝進罐中,做成為分子篩罐。

制氧機按下面的步驟循環工作:

  1. 空氣被過濾后進入壓縮機,經過冷凝器,隨后在電磁閥的選擇下,輪流進入分子篩罐1和2。
  2. 電磁閥讓高壓空氣只進入分子篩罐1,不進入分子篩罐2;氮分子被分子篩罐1吸附,而氧分子直接通過進入儲氧罐;同時打開分子篩罐2的排氣閥,在低壓下,原來被吸附的氮氣分子被解吸出來,排放到大氣中。
  3. 電磁閥讓高壓空氣只進入分子篩罐2,不進入分子篩罐1;氮分子被分子篩罐2吸附,而氧分子直接通過進入儲氧罐;同時打開分子篩罐1的排氣閥,在低壓下,原來被吸附的氮氣分子被解吸出來,排放到大氣中。
  4. 儲氧罐中的高純度的氧氣通過流量計對外輸出。

這樣,在分子篩罐1和2輪流工作下,即可輸出恒定的氧氣。

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圖2制氧機框圖(圖片源自網絡侵刪)

制氧機出來的就是90%以上的高純度氧氣,人要是直接吸入這樣的氧氣,用不了多久,鼻粘膜就會因為太干燥而流血。所以需要在出口處通過濕化瓶,用純凈水濕潤氧氣,人吸氧時才會舒服。而對于便攜式制氧機,因為不方便攜帶濕化瓶,所以采用脈沖供氧的方式,流量計測量到人要吸氣時才通過單向閥對外供氧,同時也能節省電量。


a3363608-6854-11ed-b116-dac502259ad0.jpg 便攜制氧機介紹

便攜制氧機是在傳統插電的制氧機的基礎上進行小型化。主要將傳統的基于交流異步電機的壓縮機,改為基于直流無刷電機的微型壓縮機,工作電壓在12~24V,并且使用鋰電池供電,小小一個背包在身,一般可以連續4個小時以上供氧。基于無刷電機的微型壓縮機是整臺便攜制氧機的“心臟”,需要它在保證供養量的情況下,盡可能省電、安靜。普遍采用的微型無油空氣壓縮機,大概拳頭大,因為內部沒有任何機油,保證空氣不會被污染。采用直流無刷電機為動力,一般額定12V~18V/30~60W/3000RPM。需氧量越大,電機速度要越高,但耗電也越快。在遇險時,例如登山缺氧,可以將電機速度調得盡量低,雖然制氧量降低,但能延長使用時間,等待救援。


a3095520-6854-11ed-b116-dac502259ad0.jpg ?便攜制氧機驅動板

致遠電子針對微型無油空氣壓縮機,出品了便攜制氧機專用的無刷直流電機驅動板,具有以下特點:

  • 優化的算法,根據制氧機深度改進的無感FOC算法,傳統無感FOC算法在此運行會劇烈震動、無法使用;
  • 大范圍轉速無感FOC算法支持低速大扭矩,能在50~3500RPM大范圍轉速穩定工作,制氧機能輕松實現多檔位選擇;其他方案一般只能在1000~3000RPM小范圍轉速下工作;
  • 穩定的轉速,ADRC算法替換傳統的PID算法,在1000~3000RPM滿載下,轉速波動僅為5RPM左右;其他基于PID的FOC方案約50RPM;方波方案一般無法勻速,速度會受吸氧量的影響而波動;轉速越穩定,震動越小,更安靜、更省電;
  • 優化加減速,采用工業伺服的S曲線控制加減速,換擋平順、不抖動;
  • 穩定且靈活,醫療產品級,基于高性能ARM處理器DC12~24V/120W,1~2ms PWM脈沖輸入調速,過流、過壓、欠壓、堵轉、缺相、功率保護等等。

a34948a6-6854-11ed-b116-dac502259ad0.png圖3便攜制氧機驅動板演示DEMO

下一期我們將深度剖析ADRC算法如何讓制氧機穩定工作。敬請留意!

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