医院用电动通风机

Narayanaswamy P R Iyer博士著

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目前,由冠状病毒引起的新型冠状病毒感染症(COVID - 19)正在全球快速扩散。新型冠状病毒发生了变异,第二波疫情正在世界各国扩散。全球有近1.4852亿人感染,约313.4万人死于这种冠状病毒感染。抗击COVID - 19的疫苗已经抵达药房。单是疫苗并不能100%保护生命免受冠状病毒的侵害。

据悉,大部分冠状病毒感染者除了体温和咳嗽外,还伴有呼吸困难,最后死亡。印度的医院没有足够的氧气瓶和呼吸机来为这些冠状病毒患者输送氧气。这导致了如此多的COVID - 19患者死亡。虽然有疫苗,但目前挽救新冠肺炎患者生命的方法是向医院提供氧气瓶和低价呼吸机。

考虑到这一点,Myna电气和电子咨询公司开发了一款电动通风机。该呼吸机可用于COVID - 19等呼吸困难患者。利用微机软件对该模型进行了测试。模型仿真结果是成功的。该模型是使用一个交流-交流-直流电力电子转换器,在直流模式下运行。输入为220v, 50hz交流电源。这是逐步降低到一个合适的幅度(24 V, 50 Hz,交流),并给予一对IGBT双向开关,在直流模式下工作。在电力电子转换器的输出端连接一个低通滤波器和一个用于调节施加电压的电位分压器。这个分压器的输出连接到永磁直流(PMDC)电机的电枢上。该PMDC的两种操作模式是可能的。 In the first mode, the DC is supplied with positive polarity to one terminal of armature and the other negative terminal is grounded. After a specified period of time, this applied voltage polarity to armature terminals are reversed so that PMDC motor starts rotating in the opposite direction. In the second mode, the applied DC voltage polarity is maintained the same throughout so that PMDC motor runs in one direction only. A gear train and rotating disc connected to the PMDC motor shaft with metallic links and push rod provide a crank shaft motion as in a steam engine to press and release the plastic container to supply oxygen to the patient. The length of these metallic links and push rod have to be adjusted to the table size where this electric ventilator is placed, to provide desired performance.

电动呼吸机

所提出的电通风机框图如图1 (A)、(B)和(C)所示,其设置如图2所示。参照图1(A),将220v, 50hz交流电源提供给三绕组变压器的一次电源。将两个二次绕组的输出电压给一对IGBT双向开关,并将二次绕组的另两端接地。两个双向开关的输出端子绑在一起,然后连接到低通滤波器(RF, CF),然后连接到电位分压器(RPOT)。RPOT的可变端子连接PMDC电机的正极,负极接地。

电动呼吸机设置

栅极驱动电路如图1(B)所示。这里一个可变频率时钟脉冲输出驱动一个四位二进制上计数器。它的一个指定值柜台然后使用逻辑门进行解码输出,并且该方脉冲输出被给出作为两次计数器的划分时钟输入。这除以两个计数器的输出给出了一个或门的一个输入,另一个输入到或门来自选择器开关SSW。使用Not Gate的+5 V电源及其反相输出形成两个输入到SSW。使用SSW选择+5 V或UDR输入会导致输出Q或门保持高(+5V),始终确保PMDC电机的单向旋转。如果SSW被抛出到BDR位置,则Q输出或门的输出均为高低(0V),使两种方式或双向动作转到PMDC电机。使用NOT GAND输出Q_BAR输出,将此Q输出或门输出反转。该Q和Q_BAR输出被提供为四个光学隔离器,该隔离器形成图4中的一对双向开关的栅极驱动器。1(a)。

电源单元如图1(C)所示。这里,220v, 50hz交流电源给一个降压变压器,它提供9v, 50hz交流输出电压。这个变压器的二次输出电压然后用一个全波二极管桥式整流器整流,滤波并作为输入到一个IC稳压器7805。+ 5 V电源集成电路调节器的输出形式为数字集成电路在无花果。1 (B)。这5 V的输出IC 7805也给四个直流对直流转换器的给输出光电隔离器+ 15 V的电源在无花果。1 (B)。

门驱动也可以用嵌入式微控制器来开发。图3(A)、图3(B)、图3(C)所示为PIC12F683单片机原理图、栅极驱动连接图及实现IGBT双向开关对栅极驱动的流程图。图3(A)以GP0、GP1、GP4作为输出端口。GP2和GP3为输入端口。一个10khz时钟连接到GP2端口,形成tock输入。使用OPTION寄存器为时钟选择1:256的预刻度。端口GP0提供了0.25 Hz的时钟输出,具有相同的开和关时间。GP1端口始终输出逻辑HIGH (+ 5v), GP4始终输出逻辑LOW (0v)。门驱动连接如图3(B)所示。GP1、GP4接口输出给标识为DSW1的SPDT开关。GP0口的输出Q和SPDT DSW1的输出Q给一个二输入OR门。 The output of the OR gate and the inverted output using NOT gate are given to four opto isolators which form the gate drive for the pair of IGBT bidirectional switches in Fig. 1(A). When DSW1 is thrown to GP1 port, output Q of OR gate is always HIGH, Q_BAR is always LOW and the PMDC motor rotates only in one direction. When DSW1 is thrown to GP4 port, Q takes both HIGH and LOW value and Q_BAR takes LOW and HIGH values with a time interval of 2 Seconds and the PMDC motor rotates in both direction due to reversal of voltage polarity at the armature terminals. The flowchart for PIC12F683 implementation to generate 0.25 Hz square wave at the GP0 port is shown in Fig. 3(C). To generate on and off delay each of 2 Seconds, a pre-calculated digit (178) is uploaded TMR0 register, GP0 is set HIGH and TMR0 is allowed to count up. As the TMR0 register overflows, the TMRO interrupt flag is cleared, GP0 is reset to LOW and uploading the above pre-calculated digit to TMR0 register and allowing it to count up until overflow occurs, the time delay process is repeated and port GP0 output is a 0.25 Hz square pulse.

电动通风机闸门驱动的PIC单片机实现

永磁直流电动机驱动的电动通风机模型

图1 (A)至(C)所示的电动通风机模型如图4所示。在图4中,消除了电压分压器RPOT,以便在PMDC电机的电枢端子上施加满额定电压。在图2中,轮系,圆盘,机械连杆和推杆被连接。尽管这有助于PMDC电机的一些负载,这一负载被忽略,一个零外部负载被应用。在外负载为零的情况下,对PMDC电机进行单向和双向旋转,仿真如图4所示。这将在下一节中介绍。

仿真结果

在图4中,开关DSW1首次抛出+ 5 V(逻辑1)位置的单向旋转PMDC电动机额定电压应用于电枢终端,进行了仿真,结果显示在图5 (A)、(B)和(C),与开关DSW1零伏特(逻辑0)PMDC电动机的位置为双向操作,仿真结果如图6(A)、(B)和(C)所示。

讨论的结果

AC到AC CUF DC转换器是我的专利[1]。从图5中,可以看出,通过施加在电枢上施加的额定DC电压,PMDC电动机的速度继续仅在一个方向上旋转并且达到800rpm。不施加负载,稳态电枢电流远低于额定值。从图6中可以看出,通过施加在电枢上施加的额定电压,PMDC电动机在两个方向上旋转分别达到+200和-200rpm。在两种情况下,必须使用比例为1:200或更高的减速齿轮。同样具有潜在分频器RPOT,可以从最小值开始施加电压,并逐渐增加直到所需的速度和性能。通过齿轮系连接到电动机的轴的臂向前和向后推动并释放塑料空气容器向患者施加氧气。推动和释放塑料空气容器的速度和时间持续时间可以通过改变时钟频率来改变。电动杆上的该推杆,时钟频率,齿轮比和施加电压的长度只能在表格上的机械设置之后确定。

结论

用模拟结果提出了一种在DC模式下操作的专利AC到AC CUM DC转换器开发电动呼吸机的新方法。仿真结果表明,使用潜在分压器在电机电枢上施加适当的直流电压,使用Suitalble速度齿轮比和改变时钟频率,可以在PMDC电动机的单向和双向旋转模式下实现所需的性能。


作者:Dr. Narayanaswamy P R Iyer, Myna Electrical and Electronics Consultancy的创始人和电子顾问

参考:

[1] Narayanaswamy P R Iyer:“单相AC到PWM单相AC和DC变换器”(替代标题:Swamy变换器),专利,工程学院,诺丁汉大学,英国,诺丁汉,2013年11月。

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