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离心机交流变频调速将逐步取代直流调速

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转速调节系统是离心机的核心部分,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。在离心机的发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、结构简单、成本低、理论和实践都比较成熟等,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,结构简单、技术成熟,基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发展,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。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,克服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,所以至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,国内外大部分离心机普遍采用既有电流反馈又有转速反馈的双闭环调速方案,其主要优点是自动调速、升速快、转速超调小、精度高、限流功能避免电机过电流损坏。

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,增加了成本和体积,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,而且提高了电机转速,甚至十几万转的超速离心机,也能直接驱动,大大简化离心机的结构。变频调速的技术关键:一是全控功率器件的发展和应用,简化了调速的技术关键:一是全控功率器件的发展和应用,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;三是控制技术的发展,如矢量控制技术等,使感应电机的控制性能达到或超过直流电机的水平;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TMS320C240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,不论超速、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计划,部分厂家已经推出变频调速离心机,如 湖南湘仪,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RC-285亚超速离心机,Beckman应用可变磁阻电机生产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。

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