导读：很多人知道“变频器能调速”，但真要问一句：三相异步电机的转速到底跟频率是什么关系？、“变频器是在变电压还是变频率？”、“只调电压能不能调速？”——就容易说不清了。本系列的第 1 讲，我们从最核心的一个问题讲起：频率、极数、转速之间的关系，以及变频器到底改了供电里的哪些“参数”。

---

一、三相异步电机转速的“公式版答案”

先把公式抛出来，然后再一点点拆开看：

同步转速： n_s = 60 × f / p（单位：r/min）

• f：电网或变频器输出的频率，单位 Hz（次/秒）；
• p：电机的极对数（注意是“对数”，不是极数）；
• n_s：定子产生的旋转磁场的同步转速。

举几个常见的“工厂里到处都是”的例子（50 Hz 下）：

• 2 极电机（1 对极）：n_s = 60 × 50 ÷ 1 = 3000 r/min
• 4 极电机（2 对极）：n_s = 60 × 50 ÷ 2 = 1500 r/min
• 6 极电机（3 对极）：n_s = 60 × 50 ÷ 3 ≈ 1000 r/min
• 8 极电机（4 对极）：n_s = 60 × 50 ÷ 4 = 750 r/min

而我们在铭牌上看到的“2860 r/min、1440 r/min、960 r/min”等，是实际转速，比同步转速略低一点，这是因为它是“异步”电机——需要一点“差速”来传递转矩，这个差速就叫滑差。

---

二、从 50 Hz 到“旋转磁场”：频率怎么“变成”转速？

2.1 三相正弦电流 + 定子绕组 = 旋转磁场

三相异步电机的定子，有 3 组空间相隔 120° 的绕组。如果给它们加上三相正弦电流：

• 相电流之间相位差 120° 电角度；
• 绕组空间位置相差 120° 电角度；
• 叠加之后，会形成一个匀速转动的合成磁场。

这个合成磁场的转速，就是上面的同步转速 n_s，只由频率 f和极对数 p决定。

2.2 为什么是 60 × f / p？

简单理解一下这个公式的来源（不做严格推导，只讲逻辑）：

• 电频率 f（Hz）表示每秒“振荡”多少次；
• 一次完整周期对应磁场旋转一对极距；
• 一秒钟旋转 f 个周期，就是 f 个“极距”；
• 一圈是 p 个极距，所以每秒转 f/p 圈，换成每分钟就是 60 × f/p。

所以对电机来说：

频率越高 → 旋转磁场转得越快 → 同步转速越高

极对数 p 越多（即极数越多），在同一频率下每圈要跨越的极距更多，转速就越低，所以有了 2 极、4 极、6 极、8 极各种“低速机”。

---

三、“异步”的关键：实际转速总是比同步转速慢一点

3.1 滑差 s 的定义

异步电机要产生电磁转矩，需要转子切割磁场，也就是转子转速必须比旋转磁场略慢一点，否则就没有感应电流。这个“慢一点”的程度，用滑差来表示：

s = (n_s − n) / n_s

• s：滑差（通常用百分比表示，例如 2%～5%）；
• n_s：同步转速；
• n：转子实际机械转速。

举个 4 极电机在 50 Hz 下的典型例子：

• n_s = 1500 r/min；
• 铭牌写 1440 r/min，说明在额定负载时 s ≈ (1500 − 1440)/1500 ≈ 4%；
• 负载变小，电机转得更接近 n_s，滑差会变小；
• 负载变大，滑差增大，转速略降。

所以你看到的铭牌转速不是固定常数，而是“在额定负载下的典型值”，实际运行中随负载变化有一点上下浮动。

3.2 频率变了，会发生什么？

当频率从 50 Hz 调到 40 Hz、30 Hz 时：

• 同步转速 n_s 按比例降低（40/50、30/50…）；
• 在相同负载下，滑差 s 大致维持在一个小范围内；
• 因此机械转速 近似按频率成比例变化。

只要电机不过载、不临界堵转，就可以简单记忆成：

异步电机的转速 ≈ 跟输出频率成正比

这就是为什么变频器通过调频率就能“很线性”地调速。

---

四、那变频器到底在“变什么”？

很多人以为变频器就是“把电压调小一点，电机就转慢、就节能了”，这其实是软启动器的典型思路。真正的变频器（VFD），至少在基础功能上，主要做三件事：

4.1 第一步：把工频 AC 变成 DC（整流）

• 电网进来的是 50 Hz 的三相交流电（或单相 AC）；
• 先经过整流单元（一般是二极管/晶闸管桥），变成直流；
• 直流侧配有电容、电抗器形成直流母线，电压大致恒定。

这一步提供一个稳定的“直流能量池”。

4.2 第二步：用 IGBT 等开关器件，把 DC“切成”可控频率的 AC（逆变）

• 逆变单元用 IGBT 等器件高速开关，利用 PWM 技术合成三相交流；
• 开关频率通常几 kHz～十几 kHz，输出的等效基波频率就是我们设定的 0～50 Hz（甚至 60 Hz、100 Hz…）；
• 这样，变频器就可以“自由决定”输出给电机的频率 f，转速就跟着走。

所以，从频率角度看，变频器是在“重新生成一个频率可调的交流电源”，不是在原来的 50 Hz 上做手脚。

4.3 第三步：不仅变频率，还要变电压（V/f 控制）

如果只改变频率，而电压保持不变，会出现什么？

根据电机电磁关系，定子磁通近似满足：

Φ ∝ V / (f × N)

• V：定子相电压；
• f：频率；
• N：每相匝数（对同一电机是定值）；
• Φ：主磁通。

结论很关键：

• 如果频率下降而电压不变，则 V/f 比变大，磁通会过高，电机铁心容易饱和、过热、噪声大；
• 如果频率升高而电压不变，则 V/f 变小，磁通变弱，最大转矩下降，电机带不了原来的负载。

因此，标准变频器在基础控制模式下会尽量保持恒定 V/f 比（也叫恒转矩区）：

• 频率从 50 Hz 降到 25 Hz，输出电压也按比例从 380 V 降到约 190 V；
• 通过保持 V/f 比例，保持磁通基本不变，电机的额定转矩能力基本不变；
• 这样在 25 Hz 下，电机可以近似提供与 50 Hz 时相同的最大转矩，只是转速变为约 1/2。

所以，变频器其实在同时“变频 + 变压”，核心目的是：在不同转速下仍然维持合适的磁通和转矩能力。

---

五、一个简单表：频率、同步转速、实际转速的直观对比

以一台典型 4 极三相异步电机为例（极对数 p = 2），在不同频率下的大致情况如下（忽略极端负载）：

变频器输出频率 f	同步转速 ns = 60 f / p	实际转速 n（约值）	说明
50 Hz	1500 r/min	约 1440 r/min	额定工况，铭牌常见值
40 Hz	1200 r/min	约 1150 r/min	轻载时更接近 1200 r/min
30 Hz	900 r/min	约 860–880 r/min	转速 ≈ 按 30/50 比例下降
20 Hz	600 r/min	约 560–580 r/min	滑差略受负载影响变大
10 Hz	300 r/min	约 260–280 r/min	低频段散热、转矩能力需谨慎

从这张表可以直观地看到：在正常工作区间内，电机实际转速与频率基本成正比，这就是变频调速在工程上“好用、好算”的根本原因。

---

六、几个常见误区顺便澄清一下

6.1 “只降电压就能节能又调速”吗？

只降电压不变频（比如用自耦降压或可控硅调压）确实会让电机转矩下降，部分轻载工况下转速会略降，但：

• 转速不线性，随负载摆动很大；
• 磁通降低，功率因数、效率变差；
• 中重载下容易啸叫、发热、甚至堵转烧机。

这类方案更适合做软启动，而不是精确节能调速。真正的节能调速，还是要靠“变频 + 合理 V/f”。

6.2 “频率调高就一定更好”吗？

很多变频器可以把频率调到 60 Hz 甚至 100 Hz 以上，但：

• 超过电机设计频率后，变频器一般无法继续按比例提高电压（受直流母线、电机绝缘等限制），V/f 变小，磁通下降；
• 此时属于恒功率区：功率大致不变，转速升高、可输出的最大转矩降低；
• 轴承寿命、机械振动、噪声也要重新评估。

所以“超频运行”要看具体工况和电机/负载允许条件，不能盲目把频率拉高。

6.3 “低频大转矩”也不是没有代价

在很低频（比如 5–10 Hz）下要获得较大转矩，变频器往往需要做低频补偿、转差补偿，甚至用矢量控制、力矩控制算法。但再怎么补，电机的散热能力（风扇减速）、磁通密度、安全温升都是硬约束，不能简单认为“0 Hz 也能满转矩扭到底”。

---

七、小结：这一讲你至少要记住这三句话

1. 三相异步电机的同步转速公式：n_s = 60 × f / p，频率 f 决定旋转磁场速度，极对数 p 决定是“快机”还是“慢机”。
2. 异步电机的实际转速 n 略低于 n_s，差值叫“滑差 s”，随负载变化。在允许工况范围内，可以近似认为“转速 ≈ 跟频率成正比”。
3. 变频器不是只“变电压”，而是先整流再逆变，输出一个“频率可调 + 电压随频率成比例变化（V/f）”的三相电源。

搞清楚这三点，就算真正理解了“变频器到底在变什么”。

---

下一讲预告

在本系列的第 2 讲，我们会从“能量”和“效率”的角度进一步展开：

• 为什么说“风机水泵用变频器节能效果最好”？
• 不同工况下（恒转矩、恒功率、变转矩）变频调速的节能逻辑有什么不同？
• V/f 控制、矢量控制、直接转矩控制，大概有什么区别？

欢迎继续关注「变频器基础课」，也欢迎你把现场遇到的变频器/电机问题留言整理出来，我们可以在后面的章节中穿插实际案例分析。

推荐阅读：

变频器基础课 第 3 讲｜变频器铭牌与关键参数：额定电流、过载能力、载波、加减速时间

变频器基础课 第 2 讲｜U/f 控制、矢量控制、伺服：普通工况选谁就够了？

变频器基础课 第 1 讲｜三相异步电机转速和频率是什么关系？变频器到底在“变什么”？