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歐姆龍3G3MZ變頻器在生物離心機中的應(yīng)用
浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院 戴苗杰 李方園
摘要：離心技術(shù)在生物科學(xué)，特別是在生物化學(xué)和分子生物學(xué)研究領(lǐng)域，已得到十分廣泛的應(yīng)用，每個生物化學(xué)和分子生物學(xué)實驗室都要裝備多種型式的離心機。本文介紹了歐姆龍3G3MZ在三種生物離心機中的應(yīng)用，并闡述了制動電阻的基本配置原則。
關(guān)鍵詞： 變頻器 離心機 制動電阻
1.引言
離心技術(shù)在生物科學(xué)，特別是在生物化學(xué)和分子生物學(xué)研究領(lǐng)域，已得到十分廣泛的應(yīng)用，每個生物化學(xué)和分子生物學(xué)實驗室都要裝備多種型式的離心機。離心技術(shù)主要用于各種生物樣品的分離和制備，生物樣品懸浮液在高速旋轉(zhuǎn)下，由于巨大的離心力作用，使懸浮的微小顆粒（細胞器、生物大分子的沉淀等）以一定的速度沉降，從而與溶液得以分離，而沉降速度取決于顆粒的質(zhì)量、大小和密度。
實驗用離心機又分為制備性離心機和分析性離心機，制備性離心機主要用于分離各種生物材料，每次分離的樣品容量比較大；分析性離心機一般都帶有光學(xué)系統(tǒng)，主要用于研究純的生物大分子和顆粒的理化性質(zhì)，依據(jù)待測物質(zhì)在離心場中的行為（用離心機中的光學(xué)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測），能推斷物質(zhì)的純度、形狀和分子量等。分析性離心機都是超速離心機。
一般情況下，低速離心時常以轉(zhuǎn)速“r/min”來表示，高速離心時則以“g” 表示。計算顆粒的相對離心力時，應(yīng)注意離心管與旋轉(zhuǎn)軸中心的距離“r”不同，即沉降顆粒在離心管中所處位置不同，則所受離心力也不同。因此在報告超離心條件時，通常總是用地心引力的倍數(shù)“×g”代替每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)“r/min”，因為它可以真實地反映顆粒在離心管內(nèi)不同位置的離心力及其動態(tài)變化。
做為小型變頻器，歐姆龍3G3MZ的軟啟動/軟停止功能、自由的速度設(shè)置以及無干擾靜音功能，使生物離心機更趨人性化。
2.制備性離心機的分類及其變頻控制制備性離心機可分為三類：
2.1 普通離心機
最大轉(zhuǎn)速6000 r/min左右，最大相對離心力近6000×g，容量為幾十毫升至幾升，分離形式是固液沉降分離，轉(zhuǎn)子有角式和外擺式，其轉(zhuǎn)速不能嚴格控制，通常不帶冷凍系統(tǒng)，于室溫下操作，用于收集易沉降的大顆粒物質(zhì)，如紅血球、酵母細胞等。這種離心機以前大多用交流整流子電動機驅(qū)動，電機的碳刷易磨損，轉(zhuǎn)速是用電壓調(diào)壓器調(diào)節(jié)，起動電流大，速度升降不均勻，一般轉(zhuǎn)頭是置于一個硬質(zhì)鋼軸上，因此精確地平衡離心管及內(nèi)容物就極為重要，否則會損壞離心機。
現(xiàn)采用OMRON變頻器3G3MZ，單相220V輸入，控制原理如圖1所示。
顯然，對于高速運行的離心機來說，快速制動是控制的核心內(nèi)容，歐姆龍3G3MZ變頻器內(nèi)置制動單元，只需要根據(jù)事情運行情況選配外置制動電阻即可，對于本系統(tǒng)來說，制動電阻的選擇應(yīng)該按以下步驟進行：
(1)制動轉(zhuǎn)矩TB的計算
假設(shè)電機從現(xiàn)在的運行速度開始制動，在一定的減速時間里，到達新的一個穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，這樣的一個制動過程所需的電磁轉(zhuǎn)矩TB可以由以下公式計算：
式中，TB為制動電磁轉(zhuǎn)矩（N.m）；GD2M為電機的轉(zhuǎn)動慣量（Nm2）；GD2L為電機負載側(cè)折算到電機側(cè)的轉(zhuǎn)動慣量（Nm2）；TL為負載阻轉(zhuǎn)矩（N.m）；N1為制動前電機速度（r/min）；N2為制動后電機轉(zhuǎn)速（r/min）；ts為減速時間（s）。
根據(jù)離心機的電磁制動負載為100%計算，根據(jù)參考文獻[1]的公式計算為45N.m。
(2)制動電阻的阻值計算
在制動單元工作過程中，直流母線的電壓升降取決于常數(shù)RC，R為制動電阻的阻值，C為變頻器的電解電容的容量。由充放電曲線可以知道，RC越小，母線電壓的放電速度越快，在C保持一定（變頻器型號確定）的情況下，R越小，母線電壓的放電速度越快。由以下公式可以求出制動電阻的阻值：
式中，UC為制動單元動作電壓值，通�？梢匀�710V；TM為電機額定轉(zhuǎn)矩（N.m）。
這里，設(shè)定N2為0，計算出阻值為30歐姆，基本能滿足離心機電機減速狀況的要求。
(3)制動電阻的標(biāo)稱功率
由于制動電阻為短時工作制，即每次通電時間很短，在通電期間，電阻溫升遠遠達不到穩(wěn)定溫升，但瞬時功率很高；每次通電后的間歇時間較長，在該段時間內(nèi)其溫度在不斷下降，如此循環(huán)往復(fù)，最終電阻達到一定的穩(wěn)定溫升，一般有80～100℃。因此根據(jù)電阻的特性和技術(shù)指標(biāo)，我們知道電阻的標(biāo)稱功率（即額定功率）將小于通電時的消耗功率，一般可以由下式求得：
式中，PR為制動電阻的標(biāo)稱功率或額定功率（W）；PS為制動期間的平均消耗功率W）；ED%為制動使用率，這里選擇10％；a為制動電阻降額系數(shù)，一般選1.5～2，該值可以由電阻的降額曲線查得。
PS可由以下公式求得：
2.2 高速冷凍離心機
最大轉(zhuǎn)速為20000～25000r/min，最大相對離心力為89000×g，最大容量可達3升，分離形式也是固液沉降分離，轉(zhuǎn)頭配有各種角式轉(zhuǎn)頭、蕩平式轉(zhuǎn)頭、區(qū)帶轉(zhuǎn)頭、垂直轉(zhuǎn)頭和大容量連續(xù)流動式轉(zhuǎn)頭、一般都有制冷系統(tǒng)，以消除高速旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頭與空氣之間摩擦而產(chǎn)生的熱量，離心室的溫度可以調(diào)節(jié)和維持在0～40℃，轉(zhuǎn)速、溫度和時間都可以嚴格準(zhǔn)確地控制，并有指針或數(shù)字顯示，通常用于微生物菌體、細胞碎片、大細胞器、硫銨沉淀和免疫沉淀物等的分離純化工作，但不能有效地沉降病毒、小細胞器(如核蛋白體)或單個分子。
高速離心機的變頻控制可以仿照圖一進行。
2.3 超速離心機
轉(zhuǎn)速可達50000～80000 r/min，相對離心力最大可達510000×g，最著名的生產(chǎn)廠商有美國的貝克曼公司和日本的日立公司等，離心容量由幾十毫升至2升，分離的形式是差速沉降分離和密度梯度區(qū)帶分離，離心管平衡允許的誤差要小于0.1克。超速離心機的出現(xiàn)，使生物科學(xué)的研究領(lǐng)域有了新的擴展，它能使過去僅僅在電子顯微鏡觀察到的亞細胞器得到分級分離，還可以分離病毒、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等。
超速離心機主要由驅(qū)動和速度控制、真空系統(tǒng)等組成。超速離心機的驅(qū)動裝置是由水冷或風(fēng)冷電動機直接用變頻感應(yīng)電機驅(qū)動，并由歐姆龍3G3MZ變頻器進行控制（圖2），由于驅(qū)動軸的直徑較細，因而在旋轉(zhuǎn)時此細軸可有一定的彈性彎曲，以適應(yīng)轉(zhuǎn)頭輕度的不平衡，而不致于引起震動或轉(zhuǎn)軸損傷。
除速度控制系統(tǒng)外，還有一個過速保護系統(tǒng)，以防止轉(zhuǎn)速超過轉(zhuǎn)頭最大規(guī)定轉(zhuǎn)速而引起轉(zhuǎn)頭的撕裂或爆炸，為此，離心腔用能承受此種爆炸的裝甲鋼板密閉。該過速保護系統(tǒng)采用歐姆龍3G3MZ的特定輸入檢測A2即可實現(xiàn)，其功能參數(shù)如附表所示：
附表 功能參數(shù)
在現(xiàn)場設(shè)置轉(zhuǎn)速傳感器，其輸入信號為反比例電流信號，當(dāng)A2端子的多功能模擬輸入的電流值不足n4.15設(shè)定值，即可判定喪失信號（即超速），這樣就可以有效保護生物離心機的裝置安全性。
3.結(jié)束語
歐姆龍3G3MZ系列變頻器在離心機采用變頻調(diào)速可以根據(jù)不同工藝要求進行調(diào)速，根據(jù)物料的不同方便地選擇多段速運行，同時采用變頻控制實現(xiàn)電機的軟啟動減少對電網(wǎng)的沖擊，變頻器具有過流、過載、過壓等豐富的保護功能，當(dāng)負載或電機出現(xiàn)異常時變頻器因故障停機并快速封鎖輸出，這樣可及時保護電機。
參考文獻
[1] 歐姆龍公司.歐姆龍3G3MZ變頻器用戶手冊2007
作者簡介
戴苗杰 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院06級電氣自動化學(xué)生，主要研究對象為控制與傳動產(chǎn)品的實踐應(yīng)用。
李方園(1973－) 男 高級工程師，1995年畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動化專業(yè)，現(xiàn)主要從事自動化控制的教學(xué)和造紙等輕工行業(yè)的科研工作。
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