離心機(jī)電氣控制技術(shù)和最新發(fā)展方向

目前國外一些先進(jìn)的離心機(jī)實際上已成為一種高科技的綜合技術(shù)產(chǎn)品。 國內(nèi)在這方面還有很大差距， 必須提高國內(nèi)生產(chǎn)的離心機(jī)的技術(shù)含量， 努力開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，在這方面有大量工作需要完成。離心機(jī)作為一種機(jī)電一體化設(shè)備已在醫(yī)院檢驗、生物實驗室、生物制藥、污水處理、中藥制藥及飲料生產(chǎn)等方面得到大量應(yīng)用， 它已滲透到科研、生產(chǎn)等領(lǐng)域。

驅(qū)動電動機(jī)的選型

電動機(jī)一般常用的有直流電動機(jī)和交流電動機(jī)。直流電動機(jī)與交流電動機(jī)的特點如下。
1) 直流電動機(jī)特點。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，需經(jīng)常維護(hù)保養(yǎng)(調(diào)換電刷)，由于在電刷處有火花， 一般不能在要求有防爆的場合使用。 但直流電動機(jī)調(diào)速控制電路簡單，成本低，調(diào)速性能優(yōu)越，目前無刷直流電動機(jī)的性能已經(jīng)成熟， 在小功率直流電動機(jī)中已經(jīng)廣泛采用無刷直流電動機(jī)來代替普通直流電動機(jī)。
2) 交流變頻電動機(jī)特點。 結(jié)構(gòu)簡單， 成本低， 工作可靠，噪聲低，要獲得優(yōu)良的控制性能，必須采用變頻調(diào)速，調(diào)速控制器復(fù)雜，成本高。由于離心機(jī)可配置各種不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)子，針對驅(qū)動離心機(jī)的變頻電動機(jī)設(shè)計應(yīng)考慮對低速大容量的轉(zhuǎn)子，使電動機(jī)工作在恒轉(zhuǎn)矩工作區(qū)，對小容量高速轉(zhuǎn)子可設(shè)計在變頻電動機(jī)的恒功率工作區(qū)，這樣可以減小變頻電動機(jī)的設(shè)計功率，節(jié)約成本。

由于直流調(diào)速控制電路簡單，控制性能優(yōu)越，在小功率系統(tǒng)中使用直流調(diào)速成本相對比較低，因此在小功率簡易型的離心機(jī)中直流調(diào)速仍廣泛采用。為了提高離心機(jī)傳動的可靠性，應(yīng)盡量采用電動機(jī)主軸直接驅(qū)動離心機(jī)轉(zhuǎn)子，同時離心機(jī)安裝的特殊要求及考慮整機(jī)阻尼系統(tǒng)，離心機(jī)的電動機(jī)一般在主軸形式和外殼造型等方面要求特殊設(shè)計，以滿足離心機(jī)傳動的特殊要求。如果用帶傳動或其他變速傳動機(jī)械，則可選用一般標(biāo)準(zhǔn)系列的電動機(jī)，但傳動的可靠性相對降低。

轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)
1. 直流調(diào)速
(1)  主回路
直流調(diào)速主要有兩種：①晶閘管整流電路調(diào)壓調(diào)速。②直流脈寬調(diào)制調(diào)壓調(diào)速。下面將兩種直流調(diào)速電路的特點比較如下。
1) 脈寬調(diào)制調(diào)速。 輸入直流采用二極管橋式整流，功率因數(shù)高，調(diào)制頻率高，一般工作頻率設(shè)置在20 kHz左右， 由于頻率高， 在人的聽力范圍之外，不但可降低噪聲，而且可減小濾波電感的體積。目前已有多種脈寬調(diào)制波形發(fā)生器集成電路可供選用，控制電路簡單。但由于功率器件采用可控型電子器件，如GTR、MOSFET 和IGBT 等。這些器件過載能力相對比較低，對觸發(fā)驅(qū)動電路要求高，觸發(fā)脈沖前后沿要陡，同時要有快速過電流保護(hù)電路，目前已有多種智能型專用驅(qū)動集成電路問世，它具有多種自動保護(hù)功能，這給直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。
2) 晶閘管整流調(diào)速。晶閘管過載能力很強(qiáng)，工作可靠。 這是晶閘管直流調(diào)速仍具有生命力的原因之一。 晶閘管導(dǎo)通角的變化形成的波形畸變使得整流的功率因數(shù)降低，特別是在導(dǎo)通角較小時，高次諧波分量大，電流脈動分量大，需較大的平波電抗器。在用三相可控整流時，需三相變壓器移相同步，和三路觸發(fā)脈沖形成電路，控制電路復(fù)雜。目前在國內(nèi)外已有多種集成移相觸發(fā)器可供選用， 使電路可靠性得到提高。采用全控橋式整流可改善換向器火花。
(2) 控制系統(tǒng)
要想獲得好的調(diào)速性能，一般采用具有轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)有模擬控制方式和數(shù)字控制方式。表1 是模擬和數(shù)字控制方式的特點。

由表1 可見，數(shù)字控制方式具有許多優(yōu)點，可實現(xiàn)數(shù)字量設(shè)定各種參數(shù)， 多種保護(hù)功能集中管理�？赏ㄟ^修改軟件方便地調(diào)整有關(guān)狀態(tài)，控制靈活，性能大大提高。

在模擬控制方式的系統(tǒng)中，對系統(tǒng)調(diào)速性能要求比較高時，除了采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋雙閉環(huán)控制外，還必須加給定延時積分電路作為軟起動電路。增加電流和轉(zhuǎn)速微分校正環(huán)節(jié)，以扼制電流和轉(zhuǎn)速的加速上升率。這對減少轉(zhuǎn)速超調(diào)量及起動電流沖擊，十分有效。參數(shù)設(shè)計的合理，可以使整個調(diào)速系統(tǒng)做到動態(tài)、 靜態(tài)性能都十分完善。
(3) 直流調(diào)速系統(tǒng)中傳感器的選擇在直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中必須使用速度傳感器和電流傳感器，傳感器選擇的好壞直接影響調(diào)速精度。下面將幾種傳感器的優(yōu)缺點比較如下。
1) 速度傳感器

    由表2可以看出測速發(fā)電機(jī)由于體積較大，安裝不方便，其信號必須經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后才能供計算機(jī)使用，因此目前較少使用。光電測速和霍爾元件測速輸出為脈沖數(shù)字信號，其信號便于計算機(jī)處理，如在模擬系統(tǒng)中使用，現(xiàn)在已有專用頻率轉(zhuǎn)換電壓集成電路供選用或采用單穩(wěn)觸發(fā)器轉(zhuǎn)換， 十分方便。
    2) 電流傳感器
    電流傳感器一般采用電流互感器或光電耦合傳感器，其特點比較如表3 所示。

由表3 可以看出，由于光電耦合器互感器和霍爾式互感器體積較小反應(yīng)速度快，已逐漸替代傳統(tǒng)的電流互感器，對于某些要求快速過電流保護(hù)的功率器件，其普通的互感器響應(yīng)速度往往跟不上，必須選用高速光電耦合器作電流傳感器，方可滿足要求。對于大功率系統(tǒng)可選用霍爾電流互感器，而對于小功率系統(tǒng)可選用光電耦合器作電流傳感器。

2. 交流變頻調(diào)速
變頻器向大容量、高性能的方向發(fā)展。其價格性能已可與直流拖動相比擬了，目前已形成變頻調(diào)速逐步取代直流拖動系統(tǒng)的趨勢。

目前變頻器質(zhì)量穩(wěn)定， 參數(shù)設(shè)置方便、 靈活， 功能日益增多，性能日趨完善，價格不斷下降，已出現(xiàn)了具有轉(zhuǎn)差補(bǔ)償，矢量控制，可直接進(jìn)行閉環(huán)控制的各種新型變頻器。如直接采用質(zhì)量可靠的變頻器產(chǎn)品作為離心機(jī)的調(diào)速電源，則可大大提高離心機(jī)整機(jī)的性能可靠性。

由于離心機(jī)是大慣性負(fù)載，無論是直流調(diào)速還是交流調(diào)速都應(yīng)該考慮停機(jī)時采取制動措施，加快離心機(jī)的停機(jī)時間，提高離心機(jī)的工作效率。

制冷電氣控制
1. 制冷電氣控制方式
(1) 開關(guān)式控制
開關(guān)式控制有兩種方式，一種是有觸點控制方式，另一種是無觸點控制方式。
1) 有觸點控制方式是用繼電器或接觸器作開關(guān)控制。這種電路的特點是吸合觸點壽命有限，容易產(chǎn)生高頻火花對電子線路干擾。
2) 無觸點控制方式是采用具有光電隔離過零觸發(fā)的固態(tài)繼電器，起動平穩(wěn)，沒有火花干擾和觸點壽命的影響。
開關(guān)式控制的缺點是壓縮機(jī)停機(jī)1 min以上才能再起動，溫度控制精度低。
(2) 變頻控制
由于變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，目前已出現(xiàn)變頻制冷壓縮機(jī)。變頻控制的連續(xù)性可以使溫度控制精度大大提高，但要增加一個變頻器，成本會上升。

2. 溫度傳感器的選擇
冷凍離心機(jī)的溫度控制范圍一般為－10～＋40 ℃，溫度傳感器的工作范圍必須滿足上述溫度范圍，由于離心機(jī)腔體內(nèi)比較潮濕，最好選用已封裝好的，安裝調(diào)換方便，具有防潮結(jié)構(gòu)的傳感器。目前有熱電阻型、 集成電路型(半導(dǎo)體型)、 熱電耦型和熱敏電阻型等多種溫度傳感器可供選用。

3. 制冷電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時必須注意的問題
在開關(guān)式控制系統(tǒng)中，壓縮機(jī)停機(jī)后，由于其內(nèi)部高低壓兩端的壓力還沒有平衡，不能馬上重新起動壓縮機(jī)。因此必須設(shè)計一個停機(jī)后延時起動電路，在停機(jī)后的一定時間內(nèi)封鎖起動電路，防止反復(fù)起動燒壞壓縮機(jī)。

在開關(guān)式控制系統(tǒng)中溫度是回差控制，一般采用運(yùn)算放大器設(shè)計成具有電壓正反饋的回差放大器，計算出合適的正反饋量以滿足溫度的回差范圍。在電路設(shè)計時應(yīng)采取措施防止正反饋形成振蕩。溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)換成電信號時，其變化量一般是很小的，對溫度信號放大時，必須采用具有深度負(fù)反饋的放大電路，應(yīng)考慮放大器本身的溫漂對測溫精度的影響。

PLC和人機(jī)界面在離心機(jī)控制技術(shù)中的應(yīng)用PLC 具有高抗干擾性能，和觸摸屏人機(jī)界面的通信連接十分方便。目前一些小型PLC如西門子S7－200系列的224XP在CPU主模塊上就有模擬量輸入和輸出，模擬量輸入端可以作溫度信號輸入，模擬量輸出可以用來控制變頻器的輸出頻率，從而調(diào)節(jié)離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速的脈沖信號從PLC 的高速計數(shù)輸入端輸入，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測量和轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。目前一些小型的PLC 都內(nèi)置PID 控制功能，可以方便地實現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，觸摸屏和PLC通信可以對離心機(jī)的工作參數(shù)進(jìn)行顯示，對離心機(jī)的門蓋、失衡和轉(zhuǎn)子自動識別等進(jìn)行監(jiān)控顯示。通過觸摸屏可以對離心機(jī)的降速允許拐點和升降速時間、溫度補(bǔ)償?shù)热我庠O(shè)定，克服了用單片機(jī)修改這些參數(shù)要修改程序的麻煩。另外觸摸屏人機(jī)界面可以設(shè)置登錄密碼，防止未授權(quán)人的不當(dāng)操作，可以實現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的曲線顯示和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。用戶操作手冊的文檔也可以儲存在觸摸盤內(nèi)，方便用戶查閱。

離心機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展方向

目前離心機(jī)已逐步向智能化、自動化和綜合配套化方向發(fā)展。計算機(jī)在離心機(jī)上的應(yīng)用可實現(xiàn)儲存幾十個離心機(jī)參數(shù)設(shè)置程序。全密封式觸摸鍵配合液晶顯示屏可實現(xiàn)菜單式設(shè)置與測量顯示，可同時顯示設(shè)置參數(shù)與實際運(yùn)行時參數(shù)，并且可方便地應(yīng)用中文菜單實現(xiàn)人機(jī)對話，方便使用。自動記錄質(zhì)量控制和生產(chǎn)運(yùn)行條件等數(shù)據(jù)，自動生成報告，隨時從計算機(jī)中獲得每批被處理樣品的數(shù)據(jù)，監(jiān)控樣品的整個處理過程。還可以通過中央控制電腦與其他離心機(jī)組成完整的離心網(wǎng)絡(luò)，使得整個生產(chǎn)過程全部處于電腦控制之中。

離心機(jī)的智能化還體現(xiàn)在能自動識別各種轉(zhuǎn)子。自動識別轉(zhuǎn)子是否安裝到位，轉(zhuǎn)速設(shè)置是否合理，并提醒操作者�？捎行У乇苊庥捎诓僮鞑簧髟斐傻氖鹿省� 可實現(xiàn)根據(jù)轉(zhuǎn)子型號和轉(zhuǎn)速自動計算離心力大小或直接輸入離心力大小，得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。自動設(shè)定是指根據(jù)自動識別的離心機(jī)的轉(zhuǎn)子型號自動設(shè)定離心機(jī)的工作轉(zhuǎn)速和加速、降速時間。對設(shè)定的程序進(jìn)行密碼保護(hù)等。采用積分儀方式控制離心過程，保證樣品在不同的離心批次中承受相同的離心力。

在驅(qū)動系統(tǒng)中已逐步大量使用變頻調(diào)速和無電刷直流電動機(jī)的直接傳動技術(shù)。在溫度控制方面已開始采用無氟制冷的高效冷卻系統(tǒng)和特殊的加熱系統(tǒng)交替工作，可最大限度地保持溫度精度，防止樣品凍結(jié)和倉壁結(jié)霜。國外某些先進(jìn)離心機(jī)產(chǎn)品已成功地應(yīng)用半導(dǎo)體制冷(或加熱)，使離心機(jī)溫控技術(shù)又進(jìn)入了一個新的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域