变频器工作原理与中国变频器产业的逆袭发展史

变频器如今已经成为工业应用领域非常普遍的产品。

那么什么是变频器，这个听着高端的产品跟电动机到底是什么关系？跟我们常说的变频空调有啥关联没有？

下面我们详细解读变频的原理，以及中国变频器产业的发展史，解读中国是如何在20年的时间，实现变频器国产化的历程。

一、什么是变频器？

变频器 | 图片来自网络

变频器的外观就像是一个可操作的集成控制器，上面有按钮，可以进行各种参数调节。

变频器专业的解释是：通过整流和逆变，将输入的工频电流，改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。

牢记上面加粗的“整流，逆变”“工频电流”，“电源频率”，“电动机”，这四个关键词。之后会详细的围绕着四大内容展开。

对于刚刚进入工业领域的朋友而言，通俗化的解释变频器：这是一种控制电动机的方式，就是改变电流的频率，从而改变线圈磁场强度，磁场强度不同，电机的转速和扭矩（出力）也不同。

最常见的玩具中的电动机，也就是俗称的“小马达”，在通常情况可以通过升高电压，串联两节，或者4节电池，用来提高转速。但是串联的干电池越多，电机发热情况越严重。（有动手能力的应该都尝试过），这种并不是变频控制的电机，这种方式对于电机来说，伤害较大，同时发热严重，能效转化较低。大量的电能转化为热（内能）散发出去。

之后，在不断的实验中发现，三相异步电机，改变电流的频率，也可以控制电机的转速。这就开始了变频器发展的生涯。

二、变频器的工作原理

变频器的最终目的是：控制电动机。那么就要从电动机向前反推变频的原理，这样易于理解。

变频器工作原理：利用微计算机控制大功率开关器件，将工频交流电变为频率和电压可调的(等效于)三相交流电的电器设备。

1、变频控制异步电机调速的三大方式之一。

异步电机结构

异步电机是由定子，转子两大核心构成。定子包括：定子绕组，铁芯，机座三大元件。

转子分为两种类型：

绕线式：三相转子绕组，可串电阻。鼠笼式绕组。

异步电机结构

异步电机之所以能够转动，是因为当三相对称的电流流入三相定子绕组后，电动机内便会产生旋转磁场。

转动方向由相序决定，扭矩大小：电流决定。

转速则是由：电源频率（f）；极对数（P）；转速（n）；转差率（s），四个要素决定，60为60秒。

异步电机的转速公式：n=60f/p（1-s）

同步电机转速公式

假设所有的电能都用于产生电机的动能，转差率为0，那么按照工业低压50HZ状态下，极对数是1的时候，额定转速是3000rpm（转每分钟），极对数是2的时候额定转速是1500转，以此类推。

异步电机运动原理：转子与旋转磁场有相对运动是电动机旋转的原因。

异步电机转速公式

这里就能够看到，改变异步电机的速度的参数：电流频率，极对数。可以调速的方式就限定在：改变频率变速，改变极对数变速，以及改变转差率变速，三种方式。

（1）转差率调速：滑差电机

转差率是一个什么概念？转差率就是定子旋转磁场转速与转子转速之差再除以定子旋转磁场转速（同步转速）。放在这个公式中，体现出来的情况是：一个额定3000转的电机，如果不考虑补偿的情况，额定3000转，可能最高只有2900转。转差率一般为1%-6%之间，这个可以通过电机的绕线结构设计来弥补。这就是改变转差率变速。

因此异步电机的工作原理：

通入三相电源 → 产生旋转磁场 → 转子导条切割磁场 → 产生感应电动势(电流) 带电导体在磁场中 → 产生电磁力 → 对轴心产生二个方向相反、大小相等的电磁转矩 → 转子旋转。

（2）极对数调速：调速电机

异步电动机的旋转

上图是：一个线圈绕组，也就是上面说的极对数是1的时候，通电状态产生磁场，进行运动的结构图。倘若是2组就是2对极，3组3对极以此类推。

概念混淆解析：有一些将极对数和磁极数混淆的概念，磁极数是2n，也就是磁极数一定是偶数，2,4,6,8……。极对数是自然数。

从公式我们能看出来，极对数越少，那么转速越高。因此改变极对数叫做：级调整变速，通常可进行二速、三速或四速调速。

但是这种改变极对数的变速，用在出力大，恒扭矩的场合，例如泵，风机领域非常合适。但是对于一些需要时时变速，无级变速，对速度精确控制要求更高的机床应用，起重机应用场合就不合适。因此极对数是一个档次的递减，并不是一个能够实现1-1000的均匀递减。

（3）变频调速：变频调速电机

变频器原理

输入三相工频电，通过变频器后，可以将频率在0-200HZ，0-400HZ，0-1000HZ之间改变，这个改变有一个比例，例如可以做到0.05Hz的调整（0-50HZ额定变频），那么我们就说是1:1000的调频范围。实时情况中，一般没有这么高的。

但是从这个调频的幅度，能够清楚的看到，通过调频，确实可以实现电机转速精确地，快速，均匀的改变。

因此，变频在纺织机械，起重机（龙门吊），塔机，电梯（单品类最大市场）等等领域有很多的用途。

变频器应用行业

电梯，风电舵机，纺织机械，起重机械，都是变频应用的大行业。

三、变频器电路工作原理

1、三相交流电经过整流电路，变为脉动直流电，然后经过滤波电路变为平滑直流电。

2、主控CPU根据人工输入的指令送出的PWM信号进行电压和功率放大，PWM信号控制逆变电路中六个IGBT开关器件，将直流电变为频率和电压实时对应变化的交流电，给电机提供电流，实现V/f控制形式调速。

变频器电路原理

所有变频器其基本结构相同，但具体电路各有差异。变频器分为两大电路：主电路和控制电路。

1、主电路：实现输入的工频电流，先整流：交流——直流；然后逆变：直流——变交流。

（1）整流电路：将三相交流电变成脉动直流电。

（2）滤波电路：使脉动直流电成为较平滑的直流电。

滤波元器件分为两种：电容器：电压型变频器；电感器 电流型变频器。

（3）限流电路：限制刚接通电源时的充电电流，以保护整流二极管。

（4）制动电路：吸收泵生电压和增大电机制动转矩。

（5）逆变电路：在驱动电路的控制下，将直流电变成交流电。逆变器的核心是IGBT芯片，IGBT的工作频率一般可以达到10～20 kHz之间，IGBT可以提高载波频率，甚至可以形成所需的PWM波形，这样可以大大降低谐波噪声。

2、控制电路：根据信号控制变频，例如调速，以及各种运动设定，都通过控制电路实现。

（1）保护电路：由取样、放大、处理三部分电路组成。

（2）驱动电路：把CPU送出的PWM信号进行电压和功率放大，控制逆变电路中六个开关器件。

（3）I/O电路：处理变频器对外输入和输出相关信号的电路。

（4）操作面板：一是用于显示，另外作为操作键盘。

（5）CPU：变频器的核心电路，按照相关信号控制变频器的工作。

（6）开关电源：向控制电路提供所需的直流工作电压。

用一个形象的比喻：主控电路是给电机提供能量类似于人的骨骼肌肉，控制电路是给电机提供运行方式，类似于人的大脑。

变频器内部结构

四、变频器三大控制方式

变频器的输出电压必须与输出频率按比例变化。忽略定子绕组漏阻抗,每相定子绕组上的电动势，实现：

控制影响因素

1、U1 / f1=C 控制方式。也被称为：V/f控制。V是指电压的有效值，改变V/f只能调节电机的稳态磁通和转矩。

因为 U1=Z1I1+E1：

f1较高时 U1较大 Z1I1影响较小。

f1较低时 U1较低 Z1I1影响较大。

V/f控制

这种控制方式：为了提高低频情况下的转矩，都需要进行转矩提升，通常采用补偿电压的方式，有的还可以随负载变化补偿定子绕组电压降。但是电压并不能无限制增加，同时我们又想进行扭矩改变。之后就研发发展出了矢量控制。

2、矢量控制方式：将电流功能拆分为励磁电流和电枢电流两大功能。

矢量控制的目的是达到直流调速的性能，仿直流调速的方式实现。

直流调速的磁场分类

将异步机的定子电流分解为励磁分量和转矩分量分开控制。控制励磁矢量是最主要的，所以又把矢量控制称为磁场定向控制，而转矩的控制则是间接的。

说白了，就是将电流给的功能给一分为二。

矢量控制需要坐标变换运算以及需要检测实际的转速信号，所以都需要速度传感器进行反馈，也就是闭环矢量控制。

等效直流电机

3、直接转矩控制方式

通过检测到的定子电压和电流直接在定子坐标下可计算出电动机的电磁转矩。转速和转矩的测量值与给定值进行比较，通过磁通调节器和转速调节器控制逆变器的开关状态，获取相应的空间电压矢量，由空间电压矢量直接控制电机的转速和电磁转矩，达到调速的目的。

这种应用多用于拖拽系统，例如负重很大的起重设备。

五、中国变频器发展历程：国产化迎头赶上

中国变频器各厂商占比

中国变频发展时间并不长，相比于欧美国内变频器晚了20年，但是从2005年之后，尤其是华为买了安圣电气（逆变器生产商）给艾默生。

从华为出来的一批人，在逆变领域率先找到了落地的产品：变频器，因此汇川技术，英威腾，蓝海华腾等等一批企业快速的成长起来。

如今的中国变频器领域虽然外资品牌仍然占据大部分市场，但是国产企业已经迎头赶上。占据前十的行列。

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