離心機(jī)的原理

1．交流變頻調(diào)速將逐步取代直流調(diào)速

    轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)是離心機(jī)的核心部分，由控制、功率驅(qū)動和電機(jī)三大要素組成，主要是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在離心機(jī)的發(fā)展進(jìn)程中直流調(diào)速功不可沒，其主要特點(diǎn)是具有良好的起制動、調(diào)速范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、理論和實(shí)踐都比較成熟等，因此八十年代前在離心機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用較成熟等，因此八十年代前在離心機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用，至今仍在應(yīng)用和不斷的改進(jìn)，如改進(jìn)直流電機(jī)銅頭和碳刷的耐磨性，以延長電機(jī)的壽命和碳刷的更換周期等。

    可控硅相控直流調(diào)速是經(jīng)典的直流調(diào)速方案，結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，基本滿足離心機(jī)調(diào)速的需求，因此在國內(nèi)外離心機(jī)中得到廣泛的應(yīng)用。其主要缺點(diǎn)是，整流波形差、電流脈動大、輕負(fù)載時易出現(xiàn)斷流現(xiàn)象、為維持直流電機(jī)電流的連續(xù)，需加一笨重的平滑電感，增加了儀器的體積和重量。八十年代后，隨著全控功率器件的發(fā)展，如功率晶體管和場效應(yīng)管等，開關(guān)功率變換技術(shù)逐漸在離心機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)中得到應(yīng)用，如德國 eppendorf 5410和 5402離心機(jī)，這種技術(shù)主要是通過高頻直流斬波，調(diào)節(jié)脈沖占寬比，改變輔出電壓，為直流電機(jī)供電。由于開關(guān)頻率很高，一般小于50KHZ僅靠電機(jī)自身的電感濾波，即可獲得平滑的直流電流，克服了可控硅相控直流調(diào)速的缺點(diǎn)，因此轉(zhuǎn)速更平滑，調(diào)速范圍更寬。

    開環(huán)調(diào)速是簡單的調(diào)速方案，甚至十幾個分立器件或一個集成塊即可組成一個系統(tǒng)，所以至今國內(nèi)某些低價位的離心機(jī)仍采用這種方案，其主要缺點(diǎn)是需要手動調(diào)速，不能控制電機(jī)的電流，轉(zhuǎn)速精度和技術(shù)附加值都比較低。鑒于開環(huán)調(diào)速的局限性，國內(nèi)外大部分離心機(jī)普遍采用既有電流反饋又有轉(zhuǎn)速反饋的雙閉環(huán)調(diào)速方案，其主要優(yōu)點(diǎn)是自動調(diào)速、升速快、轉(zhuǎn)速超調(diào)小、精度高、限流功能避免電機(jī)過電流損壞。

    雖然直流調(diào)速歷史悠久、技術(shù)成熟、但直流電機(jī)機(jī)械整流子換向是其致命的弱點(diǎn)，限制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，整流子帶來干擾，需要更換碳刷等，使得早期的超速或高速離心機(jī)不得不采用如齒輪變速的間接提速方案或其它方法，增加了成本和體積，降低了壽命和可靠性。七十年代末，國外超速離心機(jī)中*采用變頻調(diào)速技術(shù)，主要通過改變感應(yīng)電機(jī)的供電頻率調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。由于感應(yīng)電機(jī)無需機(jī)械整流子，不僅免去更換碳刷之煩，而且提高了電機(jī)轉(zhuǎn)速，甚至十幾萬轉(zhuǎn)的超速離心機(jī)，也能直接驅(qū)動，大大簡化離心機(jī)的結(jié)構(gòu)。變頻調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵：一是全控功率器件的發(fā)展和應(yīng)用，簡化了調(diào)速的技術(shù)關(guān)鍵：一是全控功率器件的發(fā)展和應(yīng)用，簡化了逆變器的主電路；二是SPWM技術(shù)改進(jìn)了逆變器的性能指標(biāo)；三是控制技術(shù)的發(fā)展，如矢量控制技術(shù)等，使感應(yīng)電機(jī)的控制性能達(dá)到或超過直流電機(jī)的水平；四是變頻調(diào)速大規(guī)模集成電路和微處理器大大簡化了變頻電路，如西門子三相可編程脈寬調(diào)制集成電路SIH4520、Intel公司的SX196MC和 TI公司的 TMS 320C240電機(jī)控制單片機(jī)等，目前變頻調(diào)速*可以和直流調(diào)速相媲美。九十年代后，國外主要離心機(jī)廠商的全線產(chǎn)品幾乎都采用變頻調(diào)速的技術(shù)，不論超速、高速，還是低速離心機(jī)，如德國Heraeus、Hettich等，我國也將變頻調(diào)速離心機(jī)列為攻關(guān)計劃，部分廠家已經(jīng)推出變頻調(diào)速離心機(jī)，如上海安亭科學(xué)儀器廠，中科院生物物理所等。根據(jù)交流電機(jī)不同，變頻調(diào)速也有所區(qū)別，目前變頻調(diào)速離心機(jī)中所用電機(jī)主要有三種：異步感應(yīng)電機(jī)、無刷直流電機(jī)和可變磁阻電機(jī)。1988年SORVALL應(yīng)用無刷直流電機(jī)*推出RC－285亞超速離心機(jī)，Beckman應(yīng)用可變磁阻電機(jī)生產(chǎn)出轉(zhuǎn)速高達(dá)三萬轉(zhuǎn)的Avanti系列離心機(jī)，其起制動加減速率比同類離心機(jī)快一倍，但目前應(yīng)用普及和成熟還是異步感應(yīng)電機(jī)。

2．多功能、自動化和微機(jī)控制

    隨著離心機(jī)制造和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，離心機(jī)不僅在調(diào)速技術(shù)方面取得進(jìn)展，而且在多功能和自動化方面也有長足進(jìn)步，如可變速率起制動、程序變速、直接輸入離心力、操作程序的存儲和調(diào)用、儀器狀態(tài)的自動診斷、要求盡可能全的顯示離心機(jī)的參數(shù)和狀態(tài)信息、更加完善的安全保護(hù)功能等，有些功能不僅是錦上添花，而且直接影響離心效果，如可變速率起制動和程序變速可以改善區(qū)帶離心效果和縮短離心時間等。早期離心機(jī)控制系統(tǒng)由分立元件組成，電路復(fù)雜、成本高、許多功能難以實(shí)現(xiàn)。采用微機(jī)技術(shù)后，可由軟件替代硬件的功能或完成硬件難以實(shí)現(xiàn)的功能，如離心機(jī)程序控制、電機(jī)控制等，不僅大大簡化硬件的結(jié)構(gòu)，而且多功能、自動化也成為現(xiàn)實(shí)。一般離心機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的核心是單片微機(jī)，硬件系統(tǒng)包括：操作界面、電機(jī)控制界面、溫度控制界面、安全防護(hù)監(jiān)控界面、系統(tǒng)監(jiān)控等。操作界面管理鍵盤和顯示器，為便干用戶操作和監(jiān)視運(yùn)行參數(shù)，操作界面應(yīng)遵循簡單扼要，邏輯性強(qiáng)，參數(shù)一目了然的原則。德國Heraeus的Biofugestratos離心機(jī)采用”EasyCon－trol’臊作界面，全面顯示和分別處理運(yùn)行參數(shù)，采用認(rèn)可的圖形語言和盡可能少的單一功能操作鍵；德國Hettich離心機(jī)僅用三個鍵即可處理操作參數(shù)；德國Hermle新款離心機(jī)繼承傳統(tǒng)離心機(jī)的操作特點(diǎn)，仍采用旋鈕調(diào)節(jié)參數(shù)。電機(jī)控制界面的輸入是電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速信號，輸出是電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號，轉(zhuǎn)速傳感一般有：同軸發(fā)電機(jī)測速、磁阻測速、霍爾器件測速、光電投射和折射式測速，由千光電和霍爾測速集成度高、成本低、可靠和應(yīng)用簡單，所以日前應(yīng)用較多。離心機(jī)轉(zhuǎn)頭腔體溫度控制系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)與普通冰箱大致相同，但尚未普遍采用先進(jìn)的、精度更高變頻壓機(jī)調(diào)溫技術(shù)：也有應(yīng)用半導(dǎo)體（vehier）器件制冷，但不普遍；有些離心機(jī)，如德國HettiCh的16和30F，為減少電機(jī)熱傳導(dǎo)和轉(zhuǎn)頭風(fēng)阻產(chǎn)熱對樣品的影響，采用風(fēng)冷降溫技術(shù)，風(fēng)冷離心機(jī)的風(fēng)道設(shè)計是關(guān)鍵，一般風(fēng)從頂部吸入，由底部排出，流動的氣體將轉(zhuǎn)頭和電機(jī)的熱量帶走，科學(xué)的風(fēng)道既可以降溫，也可以減少噪音；有些離心機(jī)控制和顯示轉(zhuǎn)頭內(nèi)樣品的溫度（Sample Temperature），而有些是控制和顯示轉(zhuǎn)頭腔體的溫度，前者需做大量的實(shí)驗(yàn)，技術(shù)含量高，更受用戶的歡迎。安全防護(hù)監(jiān)控界面主要包括：超速、超溫、轉(zhuǎn)頭不平衡、轉(zhuǎn)頭識別和門鎖監(jiān)控等。系統(tǒng)監(jiān)控要監(jiān)制系統(tǒng)自身的狀態(tài)，及時保護(hù)和給出故障信息，方便維修。單片微機(jī)好選擇集程度高、及總線在內(nèi)部的單片機(jī)，集程度高可以減少造價和提高可靠性，可以簡化設(shè)計和提高集成度，內(nèi)部總線通過 Ｉ／Ｏ口與外部隔離，減輕電磁噪音對總線的干擾，eppendorf5415C控制系統(tǒng)的核心僅由一個帶ADC的單片機(jī)（38ADP70）和一個外圍集成塊（ULN2802A組成，電路十分簡單。