变频原理

变频原理
变频主要是靠非线性器件来实现的一种线性频率变换过程。

非线性器件可以采用二极管，也可以采用三极管，通常多用三极管，因为三极管变频电路兼有变频和放大作用。

利用管实现变频的原理电路如图所示。

当高频载波信号u S和高频等幅振荡信号u L 同时加到三极管的发射结（相当于一个二极管）上时，利用发射结特性的非线性便会产生许多频率成分，经三极管进行放大、再由集电极电路中的LC谐振回路选频，因回路调谐在预先设计好的差频即中频f P = f L - f S上，故只有差频分量能有效地输出，这就是三极管变频的过程。

设：调幅电压为
式中
本机振荡高频等幅电压为：。

当u S和u L同时作用于混频管时，并
适当调节该管的工作点，使其工作在非线性区，则该管的集电极电流i C同样符合式GS0901关系，将u S和u L代入并展开，便得知i C中含有角频率为ωL、2ωL、ωS、2ωS、(ωL +ωS)，
(ωL -ωS)等交流分量。

若使调谐回路谐振在（ωL -ωS）上，则从混频器输出的差频（中频）调幅信号电压为：
式中：Z0为谐振回路阻抗。

由上式可见，中频电压的幅度与高频电压幅值的一次方成正比，说明中频信号包络线与高频信号包络线是一致的，只是改变了载波频率，而调制规律并没有改变。

关于变频调速给水的基本原理
目前，变频调速生活给水在建筑给水中应用越来越广，其主要原因是：
1.变频调速给水的供水压力可调，可以方便地满足各种供水压力的需要。

在设计阶段可以降低对供水压力计算准确度的要求，因为随时可以方便地改变供水压力。

但在选泵时应注意，泵的扬程宜大一些，因为变频调速其最大压力受水泵限制。

最低使用压力也不应太小，因为水泵不允许在低扬程大流量下长期超负荷工作，否则应加大变频器和水泵电机的容量，以防止发生过载。

2.目前，变频器技术已很成熟，在市场上有很多国内外品牌的变频器，这为变频调速
供水提供了充份的技术和物质基础。

变频器已在国民经济各部门广泛使用。

任何品牌的变频器与变频供水控制器配合，即可实现多泵并联恒压供水。

因为建筑供水的应用广泛，有些变频器设计生产厂家把变频供水控制器直接做在供水专用变频器中；这种变频器具有可靠性好，使用方便的优点。

3.变频调速恒压供水具有优良的节能效果。

由水泵－管道供水原理可知，调节供水流量，原则上有二种方法；一是节流调节，开大供水阀，流量上升；关小供水阀，流量下降。

调节流量的第二种方法是调速调节，水泵转速升高，供水流量增加；转速下降，流量降低，对于用水流量经常变化的场合(例如生活用水)，采用调速调节流量，具有优良的节能效果。

我国国家科委和国家经贸委在《中国节能技术政策大纲》中把泵和风机的调速技术列为国家九五计划重点推广的节能技术项目。

应当指出，变频恒压供水节能的效果主要取决于用水流量的变化情况及水泵的合理选配，为了使变频恒压供水具有优良的节能效果，变频恒压供水宜采用多泵并联的供水模式。

由多泵并联恒压变频供水理论可知多泵并联恒压供水，只要其中一台泵是变频泵，其余全是工频泵，可以实现恒压变量供水。

在变频恒压变量供水当中，变频泵的流量是变化的，当变频泵是各并联泵中最大，即可保证恒压供水。

多泵并联恒压供水，在设计上可做到在恒压条件下各工频泵的效率不变(因工况不变)，并使之处于高效率区工作，变频泵的流量是变化的，其工作效率随流量而改变。

因为采用多泵并联恒压供水，变频泵的功率降低，从而可以降低多泵并联变频恒压供水系统的能耗，改善节能状况。

当多泵并联恒压供水系统采用具有自动睡眠功能的变频器，当用水流量接近于零，变频泵能自动睡眠停泵，从而可以做到不用水时自动停泵而没有能量损耗，具有最佳的节能效果。

多泵并联变频恒压变量供水的工作模式通常是这样的：当用水流量小于一台泵在工频恒压条件下的流量，由一台变频泵调速恒压供水；当用水流量增大，变频泵的转速自动上升；当变频泵的转速上升到工频转速，为用水流量进一步增大，由变频供水控制器控制，自动启动一台工频泵投入，该工频泵提供的流量是恒定的(工频转速恒压下的流量)，其余各并联工频泵按相同的原理投入。

在多泵并联变频恒压变量的供水情况下，当用水流量下降，变频调速泵的转速下降(变频器供电频率下降)；当频率下降到零流量的时候，变频供水控制器发出一个指令，自动关闭一台工频泵使之超出并联供水。

为了减少工频泵自动投入或超出时的冲击(水力的或电流的冲击)。

在投入时，变频泵的转速自动下降，然后慢慢上升以满足恒压供水的要求。

在超出时，变频泵的转速应自动上升，然后慢慢下降以满足恒压供水的要求。

上述频率自动上升，下降由供水变频控制器控制。

另一种变频供水模式通常叫做恒压变量循环状启动并先开先停的工作模式。

在这种供水模式中，当供水流量少于变频泵在恒压工频下的流量时，由变频泵自动调速供水，当用水流量增大，变频泵的转速升高。

当变频泵的转速升高到工频转速，由变频供水控制器控制把该台水泵切换到由工频电网直接供电(不通过变频器供电)。

变频器则另外启动一台并联泵投入工作。

随用水流量增大，其余各并联泵均按上述相同的方式软启动投入。

这就是循环软启动投入方式。

当用水流量减少，各并联工频泵按次序关泵超出，并泵超出的顺序按先投入先关泵超出的原则由变频控制器单板计算机控制。

由上述可见，对于变频恒压变量给水通常有两种工作模式，一是变频泵固定方式，二是变频循环软启动工作方式。

在变频泵固定方式中，各并联水泵是按工频方式自动投入或超出的。

因为变频泵固定不变，当用水流量变化，变频泵始终处于运行状态，因此变频泵的运行时间最长。

为了均衡各水泵的运行时间，对于变频泵固定运行方式，可以设计成变频泵
定时轮换运行方式。

即当某一台变频泵运行一定时间后，由变频控制器控制变频泵自动进行轮换。

例如：开始时1泵变频，2－3泵工频，当1泵变频运行T时间后(T可按序设定)自动轮换为2泵变频，3－1泵工频；在此状态下运行T时间后自动轮换为3泵变频，1－2工频，……。

如此反覆进行定时轮换。

显然，具有变频泵自动轮换控制的变频恒压变量供水系统，变频泵是定时改变的，即任何一台并联泵都有可能成为变频泵。

由变频恒压变量供水理论可知，为了保证恒压供水，变频泵必须是各并联泵中的最大者。

为此，对于变频恒压供水并变频泵自动定时轮换的水机，各并联水泵的大小应相同以保证恒压供水。

按变频器工作原理，在运行中的变频器不允许在其输出端进行切换；否则在切换过程中会使变频器中的某些电子器件受到大电流冲击而降低其寿命。

在变频泵自动轮换过程中，要在变频器的输出端进行切换；为了保护变频器，在进行自动切换之前应使变频器停止运行。

在变频器停止运行的条件下，在其输出端进行切换。

在切换好后再重新启动变频器而恢复正常运行。

因此，自动轮换控制的电路比较复杂，会增加变频控制柜的造价并降低其使用可靠性。

当变频恒压变量供水系统具有变频泵自动轮换功能，其优点是各并联泵可定时轮换到变频运行，使各并联泵的磨损均衡。

但是，在任一台泵变频运行时，万一水泵故障有可能使变频器保护跳闸而停止工作。

各并联水泵是由变频器控制运行的；当变频器跳闸，必然使所有并联水泵停机而中断供水。

因此，当水泵的可靠性一定，具有自动轮换控制功能的变频恒压供水机的供水可靠性将低于不具备自动轮换控制功能的变频恒压供水机。

笔者认为，供水可靠性是主要矛盾。

因此我们不主张采用具有自动轮换控制功能的变频恒压给水系统。

多泵并联，循环软启动的变频恒压给水系统，同样存在上述变频恒压自动轮换工作模式的缺点。

为了保证恒压供水，同样要求各并联泵的大小相同。

综上可述，为保证供水可靠性，笔者不主张采用自动轮换和变频循环软启动的工作模式。

清华紫光集团自动化工程部在其《ABB恒压供水系统用户手册》中说，“循环软启动!这是一个危险的诱惑，很多搞恒压供水的人热衷于发展此项技术，但我们的建议是否定的。

……”我们赞同清华紫光集团自动化工程部的上述学术见解，不热衷于搞变频循环软启动供水。

由水泵－管路供水原理可知，当节流损耗等于零，则供水系统具有最佳的节能效果，此时水泵的供水扬程完全消耗在供水高度和供水流阻损失上。

这种变频调整供水称为理态的变压变量供水，这种供水系统的扬程－流量曲线和管路系统的流阻—流量曲线重合。

在理想的变压变量供水系统中，在用水点，其扬程恒定，属于恒压供水。

在实际建筑中，用水点是多处，不是一处，因此很难确定何处是恒压用水点。

变压变量供水系统没有通用性，在工程上很少应用。

一种实用的变压变量供水系统叫做准变压变量供水系统；在准变压变量供水系统中，其恒压值随用水流量增加而跃阶上升。

例如多泵并联恒压供水，当一台泵工作，其恒压值为P1；当投入一台泵，其恒压值自动变为P1＋ΔP1；当二、三、四台泵投入，其恒压值分别自动变为P1＋ΔP1＋ΔP2，P1＋ΔP1＋ΔP2＋ΔP3，P1＋ΔP1＋Δ P2＋ΔP3＋ΔP4，……。

其中P1，ΔP1，ΔP2，ΔP3，ΔP4，…… 可按需要设定；因此，准变压变量系统(设备)的供水特性可以十分接近理想的变压变量供水特性，具有优良的节能效果，这种供水系统(设备)具有通用性。

例如国际上著名的ABB供水专用变频器就具有上述的准变压变量供水控制功能。

事实上，在建筑供水当中，准变压变量供水模式也很少应用，因为在实际使用当中，很难给出ΔP1，ΔP2，ΔP3……等等的具体参数。