歐姆龍3G3MZ變頻器在生物離心機中的應用

摘 要：離心技術在生物科學，特別是在生物化學和分子生物學研究領域，已得到十分廣泛的應用，每個生物化學和分子生物學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用，并闡述了制動電阻的基本配置原則。

關鍵詞：變頻器 離心機 制動電阻

1 引言

　　離心技術在生物科學，特別是在生物化學和分子生物學研究領域，已得到十分廣泛的應用，每個生物化學和分子生物學實驗室都要裝備多種型式的離心機。離心技術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系統，主要用于研究純的生物大分子和顆粒的理化性質，依據待測物質在離心場中的行為（用離心機中的光學系統連續監測），能推斷物質的純度、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，應注意離心管與旋轉軸中心的距離“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“×g”代替每分鐘轉數“r/min”，因為它可以真實地反映顆粒在離心管內不同位置的離心力及其動態變化。

　　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，轉子有角式和外擺式，其轉速不能嚴格控制，通常不帶冷凍系統，于室溫下操作，用于收集易沉降的大顆粒物質，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動，電機的碳刷易磨損，轉速是用電壓調壓器調節，起動電流大，速度升降不均勻，一般轉頭是置于一個硬質鋼軸上，因此精確地平衡離心管及內容物就極為重要，否則會損壞離心機。

　　現采用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容，歐姆龍3G3MZ變頻器內置制動單元，只需要根據事情運行情況選配外置制動電阻即可，對于本系統來說，制動電阻的選擇應該按以下步驟進行：

　　（1）制動轉矩TB的計算

　　假設電機從現在的運行速度開始制動，在一定的減速時間里，到達新的一個穩定轉速，這樣的一個制動過程所需的電磁轉矩TB可以由以下公式計算：

　　

　　式中，TB為制動電磁轉矩（N.m）;GD2M為電機的轉動慣量（Nm2）;GD2L為電機負載側折算到電機側的轉動慣量（Nm2）;TL為負載阻轉矩（N.m）;N1為制動前電機速度（r/min）;N2為制動后電機轉速（r/min）;ts為減速時間（s）。

　　根據離心機的電磁制動負載為100%計算，根據參考文獻[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，通常可以取710V;TM為電機額定轉矩（N.m）。

　　這里，設定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，在該段時間內其溫度在不斷下降，如此循環往復，最終電阻達到一定的穩定溫升，一般有80～100℃。因此根據電阻的特性和技術指標，我們知道電阻的標稱功率（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，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，轉頭配有各種角式轉頭、蕩平式轉頭、區帶轉頭、垂直轉頭和大容量連續流動式轉頭、一般都有制冷系統，以消除高速旋轉轉頭與空氣之間摩擦而產生的熱量，離心室的溫度可以調節和維持在0～40℃，轉速、溫度和時間都可以嚴格準確地控制，并有指針或數字顯示，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

　　轉速可達50000～80000 r/min，相對離心力最大可達510000×g，最著名的生產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，使生物科學的研究領域有了新的擴展，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、蛋白質和多糖等。

　　超速離心機主要由驅動和速度控制、真空系統等組成。超速離心機的驅動裝置是由水冷或風冷電動機直接用變頻感應電機驅動，并由歐姆龍3G3MZ變頻器進行控制（圖2），由于驅動軸的直徑較細，因而在旋轉時此細軸可有一定的彈性彎曲，以適應轉頭輕度的不平衡，而不致于引起震動或轉軸損傷。

　　除速度控制系統外，還有一個過速保護系統，以防止轉速超過轉頭最大規定轉速而引起轉頭的撕裂或爆炸，為此，離心腔用能承受此種爆炸的裝甲鋼板密閉。該過速保護系統采用歐姆龍3G3MZ的特定輸入檢測A2即可實現，其功能參數如附表所示：

　　附表 功能參數

　　在現場設置轉速傳感器，其輸入信號為反比例電流信號，當A2端子的多功能模擬輸入的電流值不足n4.15設定值，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 結束語

　　歐姆龍3G3MZ系列變頻器在離心機采用變頻調速可以根據不同工藝要求進行調速，根據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電機的軟啟動減少對電網的沖擊，變頻器具有過流、過載、過壓等豐富的保護功能，當負載或電機出現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 浙江工商職業技術學院06級電氣自動化學生，主要研究對象為控制與傳動產品的實踐應用。

　　李方園（1973-） 男 高級工程師，1995年畢業于浙江大學電氣自動化專業，現主要從事自動化控制的教學和造紙等輕工行業的科研工作。