歐姆龍3G3MZ變頻器在生物離心機(jī)中的應(yīng)用

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(gè)生物化學(xué)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室都要裝備多種型式的離心機(jī)。本文介紹了歐姆龍3G3MZ在三種生物離心機(jī)中的應(yīng)用，并闡述了制動(dòng)電阻的基本配置原則。

關(guān)鍵詞：變頻器 離心機(jī) 制動(dòng)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(gè)生物化學(xué)和分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室都要裝備多種型式的離心機(jī)。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(xì)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(shí)驗(yàn)用離心機(jī)又分為制備性離心機(jī)和分析性離心機(jī)，制備性離心機(jī)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(jī)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(cè)物質(zhì)在離心場(chǎng)中的行為（用離心機(jī)中的光學(xué)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測(cè)），能推斷物質(zhì)的純度、形狀和分子量等。分析性離心機(jī)都是超速離心機(jī)。

　　一般情況下，低速離心時(shí)常以轉(zhuǎn)速“r/min”來(lái)表示，高速離心時(shí)則以“g” 表示。計(jì)算顆粒的相對(duì)離心力時(shí)，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(bào)告超離心條件時(shí)，通?？偸怯玫匦囊Φ谋稊?shù)“×g”代替每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)“r/min”，因?yàn)樗梢哉鎸?shí)地反映顆粒在離心管內(nèi)不同位置的離心力及其動(dòng)態(tài)變化。

　　做為小型變頻器，歐姆龍3G3MZ的軟啟動(dòng)/軟停止功能、自由的速度設(shè)置以及無(wú)干擾靜音功能，使生物離心機(jī)更趨人性化。

2 制備性離心機(jī)的分類及其變頻控制

　　制備性離心機(jī)可分為三類：

　　2.1 普通離心機(jī)

　　最大轉(zhuǎn)速6000 r/min左右，最大相對(duì)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?chē)?yán)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(xì)胞等。這種離心機(jī)以前大多用交流整流子電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的碳刷易磨損，轉(zhuǎn)速是用電壓調(diào)壓器調(diào)節(jié)，起動(dòng)電流大，速度升降不均勻，一般轉(zhuǎn)頭是置于一個(gè)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(huì)損壞離心機(jī)。

　　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(duì)于高速運(yùn)行的離心機(jī)來(lái)說(shuō)，快速制動(dòng)是控制的核心內(nèi)容，歐姆龍3G3MZ變頻器內(nèi)置制動(dòng)單元，只需要根據(jù)事情運(yùn)行情況選配外置制動(dòng)電阻即可，對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，制動(dòng)電阻的選擇應(yīng)該按以下步驟進(jìn)行：

　?。?）制動(dòng)轉(zhuǎn)矩TB的計(jì)算

　　假設(shè)電機(jī)從現(xiàn)在的運(yùn)行速度開(kāi)始制動(dòng)，在一定的減速時(shí)間里，到達(dá)新的一個(gè)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，這樣的一個(gè)制動(dòng)過(guò)程所需的電磁轉(zhuǎn)矩TB可以由以下公式計(jì)算：

　　

　　式中，TB為制動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩（N.m）;GD2M為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nm2）;GD2L為電機(jī)負(fù)載側(cè)折算到電機(jī)側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nm2）;TL為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩（N.m）;N1為制動(dòng)前電機(jī)速度（r/min）;N2為制動(dòng)后電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）;ts為減速時(shí)間（s）。

　　根據(jù)離心機(jī)的電磁制動(dòng)負(fù)載為100%計(jì)算，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]的公式計(jì)算為45N.m。

　　（2）制動(dòng)電阻的阻值計(jì)算

　　在制動(dòng)單元工作過(guò)程中，直流母線的電壓升降取決于常數(shù)RC，R為制動(dòng)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(hào)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(dòng)電阻的阻值：

　　

　　式中，UC為制動(dòng)單元?jiǎng)幼麟妷褐担ǔ？梢匀?10V;TM為電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩（N.m）。

　　這里，設(shè)定N2為0，計(jì)算出阻值為30歐姆，基本能滿足離心機(jī)電機(jī)減速狀況的要求。

　　（3）制動(dòng)電阻的標(biāo)稱功率

　　由于制動(dòng)電阻為短時(shí)工作制，即每次通電時(shí)間很短，在通電期間，電阻溫升遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到穩(wěn)定溫升，但瞬時(shí)功率很高;每次通電后的間歇時(shí)間較長(zhǎng)，在該段時(shí)間內(nèi)其溫度在不斷下降，如此循環(huán)往復(fù)，最終電阻達(dá)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(shí)的消耗功率，一般可以由下式求得：

　　

　　式中，PR為制動(dòng)電阻的標(biāo)稱功率或額定功率（W）;PS為制動(dòng)期間的平均消耗功率（W）;ED%為制動(dòng)使用率，這里選擇10%;a為制動(dòng)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(jī)

　　最大轉(zhuǎn)速為20000～25000r/min，最大相對(duì)離心力為89000×g，最大容量可達(dá)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(dòng)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(shí)間都可以嚴(yán)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(xì)胞碎片、大細(xì)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(xì)胞器（如核蛋白體）或單個(gè)分子。

　　高速離心機(jī)的變頻控制可以仿照?qǐng)D一進(jìn)行。

　　2.3超速離心機(jī)

　　轉(zhuǎn)速可達(dá)50000～80000 r/min，相對(duì)離心力最大可達(dá)510000×g，最著名的生產(chǎn)廠商有美國(guó)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(jī)的出現(xiàn)，使生物科學(xué)的研究領(lǐng)域有了新的擴(kuò)展，它能使過(guò)去僅僅在電子顯微鏡觀察到的亞細(xì)胞器得到分級(jí)分離，還可以分離病毒、核酸、蛋白質(zhì)和多糖等。

　　超速離心機(jī)主要由驅(qū)動(dòng)和速度控制、真空系統(tǒng)等組成。超速離心機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置是由水冷或風(fēng)冷電動(dòng)機(jī)直接用變頻感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并由歐姆龍3G3MZ變頻器進(jìn)行控制（圖2），由于驅(qū)動(dòng)軸的直徑較細(xì)，因而在旋轉(zhuǎn)時(shí)此細(xì)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(dòng)或轉(zhuǎn)軸損傷。

　　除速度控制系統(tǒng)外，還有一個(gè)過(guò)速保護(hù)系統(tǒng)，以防止轉(zhuǎn)速超過(guò)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(guò)速保護(hù)系統(tǒng)采用歐姆龍3G3MZ的特定輸入檢測(cè)A2即可實(shí)現(xiàn)，其功能參數(shù)如附表所示：

　　附表 功能參數(shù)

　　在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置轉(zhuǎn)速傳感器，其輸入信號(hào)為反比例電流信號(hào)，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(hào)（即超速），這樣就可以有效保護(hù)生物離心機(jī)的裝置安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　歐姆龍3G3MZ系列變頻器在離心機(jī)采用變頻調(diào)速可以根據(jù)不同工藝要求進(jìn)行調(diào)速，根據(jù)物料的不同方便地選擇多段速運(yùn)行，同時(shí)采用變頻控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，變頻器具有過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓等豐富的保護(hù)功能，當(dāng)負(fù)載或電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)變頻器因故障停機(jī)并快速封鎖輸出，這樣可及時(shí)保護(hù)電機(jī)。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 歐姆龍公司.歐姆龍3G3MZ變頻器用戶手冊(cè)2007

作者簡(jiǎn)介

　　戴苗杰 浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院06級(jí)電氣自動(dòng)化學(xué)生，主要研究對(duì)象為控制與傳動(dòng)產(chǎn)品的實(shí)踐應(yīng)用。

　　李方園（1973-） 男 高級(jí)工程師，1995年畢業(yè)于浙江大學(xué)電氣自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)主要從事自動(dòng)化控制的教學(xué)和造紙等輕工行業(yè)的科研工作。