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欧姆龙3G3MZ变频器在生物离心机中的应用

【详细说明】                                                                                                                                

摘 要:离心技术在生物科学,特别是在生物化学和分子生物学研究领域,已得到十分广泛的应用,每个生物化学和分子生物学实验室都要装备多种型式的离心机。本文介绍了欧姆龙3G3MZ在三种生物离心机中的应用,并阐述了制动电阻的基本配置原则。

关键词:变频器 离心机 制动电阻

1 引言

  离心技术在生物科学,特别是在生物化学和分子生物学研究领域,已得到十分广泛的应用,每个生物化学和分子生物学实验室都要装备多种型式的离心机。离心技术主要用于各种生物样品的分离和制备,生物样品悬浮液在高速旋转下,由于巨大的离心力作用,使悬浮的微小颗粒(细胞器、生物大分子的沉淀等)以一定的速度沉降,从而与溶液得以分离,而沉降速度取决于颗粒的质量、大小和密度。

  实验用离心机又分为制备性离心机和分析性离心机,制备性离心机主要用于分离各种生物材料,每次分离的样品容量比较大;分析性离心机一般都带有光学系统,主要用于研究纯的生物大分子和颗粒的理化性质,依据待测物质在离心场中的行为(用离心机中的光学系统连续监测),能推断物质的纯度、形状和分子量等。分析性离心机都是超速离心机。

  一般情况下,低速离心时常以转速“r/min”来表示,高速离心时则以“g” 表示。计算颗粒的相对离心力时,应注意离心管与旋转轴中心的距离“r”不同,即沉降颗粒在离心管中所处位置不同,则所受离心力也不同。因此在报告超离心条件时,通常总是用地心引力的倍数“×g”代替每分钟转数“r/min”,因为它可以真实地反映颗粒在离心管内不同位置的离心力及其动态变化。

  做为小型变频器,欧姆龙3G3MZ的软启动/软停止功能、自由的速度设置以及无干扰静音功能,使生物离心机更趋人性化。

2 制备性离心机的分类及其变频控制

  制备性离心机可分为三类:

  2.1 普通离心机

  最大转速6000 r/min左右,最大相对离心力近6000×g,容量为几十毫升至几升,分离形式是固液沉降分离,转子有角式和外摆式,其转速不能严格控制,通常不带冷冻系统,于室温下操作,用于收集易沉降的大颗粒物质,如红血球、酵母细胞等。这种离心机以前大多用交流整流子电动机驱动,电机的碳刷易磨损,转速是用电压调压器调节,起动电流大,速度升降不均匀,一般转头是置于一个硬质钢轴上,因此精确地平衡离心管及内容物就极为重要,否则会损坏离心机。

  现采用OMRON变频器3G3MZ,单相220V输入,控制原理如图1所示。

图1 离心机变频控制

 

  显然,对于高速运行的离心机来说,快速制动是控制的核心内容,欧姆龙3G3MZ变频器内置制动单元,只需要根据事情运行情况选配外置制动电阻即可,对于本系统来说,制动电阻的选择应该按以下步骤进行:

  (1)制动转矩TB的计算

  假设电机从现在的运行速度开始制动,在一定的减速时间里,到达新的一个稳定转速,这样的一个制动过程所需的电磁转矩TB可以由以下公式计算:

式中,TB为制动电磁转矩(N.m);GD2M为电机的转动惯量(Nm2);GD2L为电机负载侧折算到电机侧的转动惯量(Nm2);TL为负载阻转矩(N.m);N1为制动前电机速度(r/min);N2为制动后电机转速(r/min);ts为减速时间(s)。

  根据离心机的电磁制动负载为100%计算,根据参考文献[1]的公式计算为45N.m。

  (2)制动电阻的阻值计算

  在制动单元工作过程中,直流母线的电压升降取决于常数RC,R为制动电阻的阻值,C为变频器的电解电容的容量。由充放电曲线可以知道,RC越小,母线电压的放电速度越快,在C保持一定(变频器型号确定)的情况下,R越小,母线电压的放电速度越快。由以下公式可以求出制动电阻的阻值:

 式中,UC为制动单元动作电压值,通常可以取710V;TM为电机额定转矩(N.m)。

  这里,设定N2为0,计算出阻值为30欧姆,基本能满足离心机电机减速状况的要求。

  (3)制动电阻的标称功率

  由于制动电阻为短时工作制,即每次通电时间很短,在通电期间,电阻温升远远达不到稳定温升,但瞬时功率很高;每次通电后的间歇时间较长,在该段时间内其温度在不断下降,如此循环往复,最终电阻达到一定的稳定温升,一般有80~100℃。因此根据电阻的特性和技术指标,我们知道电阻的标称功率(即额定功率)将小于通电时的消耗功率,一般可以由下式求得:

式中,PR为制动电阻的标称功率或额定功率(W);PS为制动期间的平均消耗功率(W);ED%为制动使用率,这里选择10%;a为制动电阻降额系数,一般选1.5~2,该值可以由电阻的降额曲线查得。

  PS可由以下公式求得:

2.2 高速冷冻离心机

  最大转速为20000~25000r/min,最大相对离心力为89000×g,最大容量可达3升,分离形式也是固液沉降分离,转头配有各种角式转头、荡平式转头、区带转头、垂直转头和大容量连续流动式转头、一般都有制冷系统,以消除高速旋转转头与空气之间摩擦而产生的热量,离心室的温度可以调节和维持在0~40℃,转速、温度和时间都可以严格准确地控制,并有指针或数字显示,通常用于微生物菌体、细胞碎片、大细胞器、硫铵沉淀和免疫沉淀物等的分离纯化工作,但不能有效地沉降病毒、小细胞器(如核蛋白体)或单个分子。

  高速离心机的变频控制可以仿照图一进行。

  2.3超速离心机

  转速可达50000~80000 r/min,相对离心力最大可达510000×g,最著名的生产厂商有美国的贝克曼公司和日本的日立公司等,离心容量由几十毫升至2升,分离的形式是差速沉降分离和密度梯度区带分离,离心管平衡允许的误差要小于0.1克。超速离心机的出现,使生物科学的研究领域有了新的扩展,它能使过去仅仅在电子显微镜观察到的亚细胞器得到分级分离,还可以分离病毒、核酸、蛋白质和多糖等。

  超速离心机主要由驱动和速度控制、真空系统等组成。超速离心机的驱动装置是由水冷或风冷电动机直接用变频感应电机驱动,并由欧姆龙3G3MZ变频器进行控制(图2),由于驱动轴的直径较细,因而在旋转时此细轴可有一定的弹性弯曲,以适应转头轻度的不平衡,而不致于引起震动或转轴损伤。

图2 超速离心机变频控制

 

  除速度控制系统外,还有一个过速保护系统,以防止转速超过转头最大规定转速而引起转头的撕裂或爆炸,为此,离心腔用能承受此种爆炸的装甲钢板密闭。该过速保护系统采用欧姆龙3G3MZ的特定输入检测A2即可实现,其功能参数如附表所示:

  附表 功能参数

 在现场设置转速传感器,其输入信号为反比例电流信号,当A2端子的多功能模拟输入的电流值不足n4.15设定值,即可判定丧失信号(即超速),这样就可以有效保护生物离心机的装置安全性。

3 结束语

  欧姆龙3G3MZ系列变频器在离心机采用变频调速可以根据不同工艺要求进行调速,根据物料的不同方便地选择多段速运行,同时采用变频控制实现电机的软启动减少对电网的冲击,变频器具有过流、过载、过压等丰富的保护功能,当负载或电机出现异常时变频器因故障停机并快速封锁输出,这样可及时保护电机。

参考文献

  [1] 欧姆龙公司.欧姆龙3G3MZ变频器用户手册2007

作者简介

  戴苗杰 浙江工商职业技术学院06级电气自动化学生,主要研究对象为控制与传动产品的实践应用。

  李方园(1973-) 男 高级工程师,1995年毕业于浙江大学电气自动化专业,现主要从事自动化控制的教学和造纸等轻工行业的科研工作。

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