台式离心机的关键技术885.pdf
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1、台式离心机的关键技术 离心机是将样品进展别离的仪器,广泛应用干生物医学、石油化工、农业、食品卫生等领域,它利用不同物质在离心力场中沉淀速度的差异,实现样品的分析别离。离心机自问世以来,历经低速、调整、超速的变迁,其进展主要表达在离心设备和离心技术两方面,二者相辅相成。从转速看,台式离心机根本属于低速、高速离心机的范畴,因此具有低速和高速离心机的技术特点,其构造主要由电机驱动系统、制冷系统、机械系统、转头和系统控制等几局部组成,与落地式离心机相比只不过是尺寸和容量小一点罢了。通用台式离心机的开展已经模糊了低速、高速、微量和大容量离心机的界限,众多的转头为科研人员提供相当广泛的应用范围,成为科研实
2、验室首选机型,如美国的Sorvall 的 ST2l,德国 Heracus 新机型 Biofuge Stratos 等。本文将结合国内外流行的台式离心机着重从功能构造,介绍台式离心机的关键技术及其进展,并希望通过国内外流行机型的技术总结和比较,提供有益的选型建议。1交流变频调速将逐步取代直流调速 转速调节系统是离心机的核心局部,由控制、功率驱动和电机三大要素组成,主要是控制电机的转速。在离心机的开展进程中直流调速功不可没,其主要特点是具有良好的起制动、调速范围宽、构造简单、本钱低、理论和理论都比较成熟等,因此八十年代前在离心机中得到广泛的应用较成熟等,因此八十年代前在离心机中得到广泛的应用,至今
3、仍在应用和不断的改进,如改进直流电机铜头和碳刷的耐磨性,以延长电机的寿命和碳刷的更换周期等。可控硅相控直流调速是经典的直流调速方案,构造简单、技术成熟,根本满足离心机调速的需求,因此在国内外离心机中得到广泛的应用。其主要缺点是,整流波形差、电流脉动大、轻负载时易出现断流现象、为维持直流电机电流的连续,需加一笨重的平滑电感,增加了仪器的体积和重量。八十年代后,随着全控功率器件的开展,如功率晶体管和场效应管等,开关功率变换技术逐渐在离心机直流调速系统中得到应用,如德国 eppendorf 5410 和 5402 离心机,这种技术主要是通过高频直流斩波,调节脉冲占宽比,改变辅出电压,为直流电机供电。
4、由于开关频率很高,一般小于 50KHZ 仅靠电机自身的电感滤波,即可获得平滑的直流电流,抑制了可控硅相控直流调速的缺点,因此转速更平滑,调速范围更宽。开环调速是最简单的调速方案,甚至十几个分立器件或一个集成块即可组成一个系统,所以致今国内某些低价位的离心机仍采用这种方案,其主要缺点是需要手动调速,不能控制电机的电流,转速精度和技术附加值都比较低。鉴于开环调速的局限性,国内外大局部离心机普遍采用既有电流反响又有转速反响的双闭环调速方案,其主要优点是自动调速、升速快、转速超调小、精度高、限流功能防止电机过电流损坏。虽然直流调速历史悠久、技术成熟、但直流电机机械整流子换向是其致命的弱点,限制了电机的
5、转速,整流子带来干扰,需要更换碳刷等,使得早期的超速或高速离心机不得不采用如齿轮变速的间接提速方案或其它方法,增加了本钱和体积,降低了寿命和可靠性。七十年代末,国外超速离心机中率先采用变频调速技术,主要通过改变感应电机的供电频率调节转速。由于感应电机无需机械整流子,不仅免去更换碳刷之烦,而且进步了电机转速,甚至十几万转的超速离心机,也能直接驱动,大大简化离心机的构造。变频调速的技术关键:一是全控功率器件的开展和应用,简化了调速的技术关键:一是全控功率器件的开展和应用,简化了逆变器的主电路;二是 SPWM 技术改进了逆变器的性能指标;三是控制技术的开展,如矢量控制技术等,使感应电机的控制性能到达
6、或超过直流电机的程度;四是变频调速专用大规模集成电路和微处理器大大简化了变频电路,如西门子三相可编程脉宽调制集成电路 SIH4520、Intel 公司的 SX196MC 和 TI 公司的 TMS 320C240 电机控制单片机等,目前变频调速完全可以和直流调速相媲美。九十年代后,国外主要离心机厂商的全线产品几乎都采用变频调速的技术,不管超速、高速,还是低速离心机,如德国 Heraeus、Hettich 等,我国也将变频调速离心机列为攻关方案,局部厂家已经推出变频调速离心机,如上海安亭科学仪器厂,中科院生物物理所等。根据交流电机不同,变频调速也有所区别,目前变频调速离心机中所用电机主要有三种:异
7、步感应电机、无刷直流电机和可变磁阻电机。1988 年 SORVALL 应用无刷直流电机首次推出 RC285 亚超速离心机,Beckman 应用可变磁阻电机消费出转速高达三万转的 Avanti 系列离心机,其起制动加减速率比同类离心机快一倍,但目前应用最普及和最成熟还是异步感应电机。2多功能、自动化和微机控制 随着离心机制造和应用技术的开展,离心机不仅在调速技术方面获得进展,而且在多功能和自动化方面也有长足进步,如可变速率起制动、程序变速、直接输入离心力、操作程序的存储和调用、仪器状态的自动诊断、要求尽可能全的显示离心机的参数和状态信息、更加完善的平安保护功能等,有些功能不仅是锦上添花,而且直接
8、影响离心效果,如可变速率起制动和程序变速可以改善区带离心效果和缩短离心时间等。早期离心机控制系统由分立元件组成,电路复杂、本钱高、许多功能难以实现。采用微机技术后,可由软件替代硬件的功能或完成硬件难以实现的功能,如离心机程序控制、电机控制等,不仅大大简化硬件的构造,而且多功能、自动化也成为现实。一般离心机微机控制系统的核心是单片微机,硬件系统包括:操作界面、电机控制界面、温度控制界面、平安防护监控界面、系统监控等。操作界面管理键盘和显示器,为便干用户操作和监视运行参数,操作界面应遵循简单扼要,逻辑性强,参数一目了然的原那么。德国 Heraeus 的Biofugestratos 离心机采用Eas
9、yControl臊作界面,全面显示和分别处理运行参数,采用国际认可的图形语言和尽可能少的单一功能操作键;德国 Hettich 离心机仅用三个键即可处理操作参数;德国 Hermle新款离心机继承传统离心机的操作特点,仍采用旋钮调节参数。电机控制界面的输入是电机的电流和转速信号,输出是电机转速的控制信号,转速传感一般有:同轴发电机测速、磁阻测速、霍尔器件测速、光电投射和折射式测速,由千光电和霍尔测速集成度高、本钱低、可靠和应用简单,所以日前应用较多。离心机转头腔体温度控制系统的原理和构造与普通冰箱大致一样,但尚未普遍采用先进的、精度更高变频压机调温技术:也有应用半导体vehier器件制冷,但不普遍
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